硅热式风速传感器的温漂特性及其补偿算法研究

来源 :东南大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:zjz_hi
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气象监测与人们的日常生活密切相关,其在农业生产、工业发展、交通运输、环境保护、军事行动、航空航天等诸多方面都有着举足轻重的地位。风速监测是气象监测的重要组成部分,传统的风速监测方式主要是通过机械式的测量仪器进行监测。近年来集成电路的迅猛发展使得传统的机械式风速风向测量仪开始向智能化与集成化方向发展。本文的研究对象是一种基于MEMS工艺的二维热式风速风向传感器,由于其采用的是热敏元件作为传感器的检测与控制元件,固其存在一定的温度漂移的现象。本文介绍了针对这种风速风向传感器温漂问题的解决方案。本文通过对风速传感器的控制电路进行分析后发现引起传感器温度漂移现象的主要原因在于其控制电路本身在外界环境温度变化时不能实现理论上的恒温差控制,导致传感器在外界环境温度变化时其输出电压受到影响。针对于此本文介绍了一种硬件电路补偿的方案,通过对放大器输入端电压进行理论计算分析得出惠斯通电桥上电阻与温度二极管的系数需要满足一定的公式才能使得放大器的输入端电压与外界环境温度无关。本文通过在特定电流下测出芯片温度二极管以及环境温度二极管的温度系数后调整了惠斯通电桥上的电阻值,最终在变温的条件下对传感器进行了测试并得出了实验数据,证明硬件电路补偿能够对传感器的温漂问题进行优化。本文不仅介绍了硬件电路补偿的方式对传感器进行温度漂移进行补偿,而且通过软件算法的方案对传感器的温漂问题进行优化与补偿,其主要方式是通过研究与分析后发现控制传感器芯片发热的加热电压与外界环境温度存在一定的线性关系,再通过在软件算法中标定出加热电压随温度变化的系数,最后在传感器的实际工作中通过对加热电压的平移操作后利用加热电压计算出风速。在风洞中固定风速不变,温度变化的条件下对传感器进行温漂测试,测试结果显示在温度从0℃到35℃变化时,风速变化幅度为1m/s左右。证明了软件算法的补偿方案能够对传感器的温漂问题进行有效的补偿。本论文主要针对风速传感器的温漂问题进行了研究,通过对传感器的控制电路的修改,以及软件算法的温度补偿等方式,有效的将传感器的温漂问题得到优化,使得风速传感器的工作性能得到提高,为其实现产品化打下基础。
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