CN103018478B - 一种可自动零点补偿的热风速传感装置及测量风速的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可自动零点补偿的热风速传感装置，包括上传感器芯片、下传感器芯片、顶壳、底壳、支撑柱体、下托台和上托台，上传感器芯片嵌至在上托台的底端，下传感器芯片嵌至在下托台的顶端；上传感器芯片为恒温差模式风速传感器芯片，下传感器芯片为恒功率模式风速传感器芯片。利用该热风速传感装置测量风速的方法：第一步：将热风速传感装置放置在被测风速地点；第二步：进行测量：上传感器芯片工作在恒温差工作模式，下传感器芯片工作在恒功率工作模式，由单片机系统进行风速测算；第三步：进行下次测量。利用该热风速传感装置测量风速，可自动零点补偿，具有测量准确、风速测量范围广的优良性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种热风速传感装置，具体来说，涉及一种可自动零点补偿的热风速传感装置，同时，还涉及利用该热风速传感装置测量风速的方法。
背景技术
风速、风向是反应气象情况非常重要的参数，对环境监测、空气调节和工农业的生产有重要影响，因此快速准确测量出风速和风向具有重要的实际意义。众所周知，典型热风速传感器的零点温漂问题一直是阻碍热风速计精确度和灵敏度提高的一大难关。由于环境的温度和传感器温度是不断变化的，使得零点总是发生不同程度的漂移，这对于风速计的灵敏度和精确度都是一个很大困扰。本发明采用的是具有双芯片的测试结构，热风速计测量方式中，恒温差模式（CTD）量程大但是低风速下的温漂问题严重，而恒功率工作模式(CP)具有高灵敏度、温漂小但量程不高的特点。如何既保证测量精度又具有大测量范围是目前热风速计研发中需要解决的问题。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提出了一种可自动零点补偿的热风速传感装置及测量风速的方法，利用该热风速传感装置测量风速，可自动零点补偿，具有测量准确、风速测量范围广的优良性能。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种可自动零点补偿的热风速传感装置，该传感装置包括上传感器芯片、下传感器芯片、顶壳、底壳、支撑柱体、下托台和上托台，支撑柱体连接在顶壳和底壳之间，且相邻支撑柱体之间形成空隙，上托台连接在顶壳的底面，且上传感器芯片嵌至在上托台的底端，下托台连接在底壳的顶面，且下传感器芯片嵌至在下托台的顶端；上传感器芯片为恒温差模式风速传感器芯片，下传感器芯片为恒功率模式风速传感器芯片。
一种可自动零点补偿的热风速传感装置测量风速的方法，该方法包括以下步骤：
第一步：将热风速传感装置放置在被测风速地点；
第二步：进行测量：上传感器芯片通过恒温差控制电路工作在恒温差工作模式，下传感器芯片通过恒功率控制电路工作在恒功率工作模式，上传感器芯片和下传感器芯片同时工作，两者产生的温差信号通过温度传感器转换成电信号，再经放大，由单片机系统进行风速测算；
第三步：进行下次测量：在第二步完成后，停留时间b后,返回第二步，进行下次测量；否则测量结束。
进一步，所述的第二步中，风速测算的过程是：在下传感器芯片测量的风速小于等于a时，利用下传感器芯片进行风速大小和方向的测量，同时为上传感器芯片提供一个标准的零点，并对上传感器芯片的测温修正系数Rt进行调整；在下传感器芯片测量的风速大于a时，利用上传感器芯片进行风速的测量，得到风速值VCTD,通过最近一次得到的测温修正系数Rt对该风速值进行修正，得到实际的风速值V实际，V实际＝Rt·VCTD,利用下传感器芯片进行风向的测试。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有测量准确、风速测量范围广的优点。在现有技术中，恒温差模式下的热风速计具有大量程的优点，但零点漂移很严重，风速测量不准确；相反，恒功率模式下的风速传感器具有低风速下较小的零点漂移和高灵敏度特点，但量程不够大。本发明的热风速传感装置，包含了恒温差工作模式的上传感器芯片和恒功率工作模式的下传感器芯片。在低风速下，两种工作模式的传感器芯片同时工作，但只利用下传感器芯片恒功率模式进行风速大小和方向的测试，同时为恒温差工作模式提供一个标准的零点，并对恒温差模式的测温修正系数不断地进行调整；在高风速下，采用恒温差模式的上传感器芯片进行风速的测试并通过修正系数得到接近实际的风速值，利用恒功率模式进行风向的测试。由此，既保证测量精度又具有风速的测量范围广的优点。
附图说明
图1为本发明的正视图。
图2为本发明的装置中除去顶壳、上传感器芯片和上托台后的俯视图。
图3为本发明测量风速方法的流程框图。
图中有：上传感器芯片1、下传感器芯片2、顶壳3、底壳4、支撑柱体5、下托台6、上托台7。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1和图2所示，本发明的一种可自动零点补偿的热风速传感装置，包括
上传感器芯片1、下传感器芯片2、顶壳3、底壳4、支撑柱体5、下托台6和上托台7。支撑柱体5连接在顶壳3和底壳4之间，且相邻支撑柱体5之间形成空隙。外界的风就从支撑柱体5之间的空隙进入热风速传感装置中。上托台7连接在顶壳3的底面，且上传感器芯片1嵌至在上托台7的底端。下托台6连接在底壳4的顶面，且下传感器芯片2嵌至在下托台6的顶端。上传感器芯片1为恒温差模式风速传感器芯片。下传感器芯片2为恒功率模式风速传感器芯片。
为提高测量的准确度，所述的上传感器芯片1的底面和上托台7的底面位于同一水平面；下传感器芯片2的顶面和下托台6的顶面位于同一水平面。上传感器芯片1与下传感器芯片2相对。
制作上述热风速传感装置时，下托台6和上托台7可均采用铝合金材质制成。顶壳3、底壳4及支撑柱体5可采用塑料材质制成。采用环氧树脂胶将下托台6和上托台7分别粘贴在顶壳3和底壳4的中央。支撑柱体5和顶壳3是一体成型的。在底壳4上设有与支撑柱体5相对应的嵌入小孔，支撑柱体5和底壳4通过嵌入孔连接在一起。支撑柱体5优选四根，均匀布置在底壳4和顶壳3之间。
如图3所示，利用上述的可自动零点补偿的热风速传感装置测量风速的方法，包括以下步骤：
第一步：设备连接：将热风速传感装置放置在被测风速地点。
第二步：进行测量：上传感器芯片1通过恒温差控制电路工作在恒温差工作模式，下传感器芯片2通过恒功率控制电路工作在恒功率工作模式，上传感器芯片1和下传感器芯片2同时工作，两者产生的温差信号通过温度传感器转换成电信号，再经放大，由单片机系统进行风速测算。
在第二步中，风速测算的过程是：在下传感器芯片2测量的风速小于等于a时，利用下传感器芯片2进行风速大小和方向的测量，同时为上传感器芯片1提供一个标准的零点，并对上传感器芯片1的测温修正系数Rt进行调整；在下传感器芯片2测量的风速大于a时，利用上传感器芯片1进行风速的测量，得到风速值VCTD，通过最近一次得到的测温修正系数Rt对该风速值进行修正，得到实际的风速值V实际，V实际＝Rt·VCTD，利用下传感器芯片2进行风向的测试。其中，a的取值范围为6—15m/s。
第三步：进行下次测量：在第二步完成后，停留时间b后,返回第二步，进行下次测量；否则测量结束。
在第三步中：b的取值范围0.1—5秒。
上述的可自动零点补偿的热风速传感装置，将恒温差模式的热风速计和恒功率模式下的热风速计集成在同一个风速风向传感装置中。该装置包含两个测量芯片，即上传感器芯片1和下传感器芯片2，每个芯片工作在不同的工作模式。在低风速（即风速小于等于a，比如小于10m/s）情况下，采用两种传感芯片同时工作，但是只取恒功率模式工作的下传感器芯片2的输出风速和风向。在高风速（即风速大于a，比如大于10m/s）情况下，采用恒温差模式的上传感器芯片1测量风速，用恒功率模式的下传感器芯片2测量风向。低风速时，恒功率模式的下传感器芯片2具有极小的温度漂移，因此用下传感器芯片2输出校准恒温差模式的上传感器芯片1的输出，可以获得任意测量时刻的测温修正系数，该测温修正系数反映了该测量时刻的温度影响。换句话说，该测温修正系数是测量时刻温度的函数。当环境风速从低风速转到高风速时，此刻可以认为环境温度和前次测量时的温度基本不变（因为两次测量间隔在几秒以内，而实际测量环境的温度变化是一个缓变的）。因此，采用上述测量方案可以实现低风速下的高精度测量和温度校准，在高风速下可以有很高的测量范围，且自动降低了温漂的影响。
本发明提出的具有可自动零点补偿的热风速传感装置，同时采用恒温差工作模式和恒功率工作模式的两种热风速传感器。为了减小温度漂移带来的影响，在保证传感器灵敏度的同时保证较大量程。该热风速传感装置采用上下布置的两个传感器芯片进行测试，利用恒温差模式风速传感器芯片作为上传感器芯片1，完成对高风速的测试；利用恒功率模式风速传感器芯片作为下传感器芯片2，完成对低风速和风向的测试，并为上传感器芯片1提供一个标准的数值参考。关键在于，恒温差模式风速传感器芯片的零点得到不停的修正，并为高风速下测试提供零点参考。在低风速下，上传感器芯片1测得的风速为VCTD，下传感器芯片2测得的风速为VCP,因为恒功率模式下测得的风速值为准确值，恒温差模式下测得值可以得到一个修正系数Rt。Rt用如下公式说明，在低风速下：
V实际＝VCP＝Rt·VCTD
也就是说，测温修正系数Rt：Rt＝VCP/VCTD。测温修正系数Rt随着风速而变化，为动态变化值。
在高风速情况下，恒功率模式下的风速测试结果和实际的偏差较大，采用恒温差模式下测得的数据，经过修正后得到接近实际的值，测温修正系数为最近一次得到的测温修正系数Rt，此时的实际风速为：
V实际＝Rt·VCTD （2）
本发明将两种传感器芯片的优点集合到一起，利用恒温差模式传感器的大量程和恒功率模式传感器的零点漂移小的优点，从而实现了风速传感装置同时具有自动零点补偿的优点，同时满足大量程和高灵敏度的要求。
Claims (7)
1.一种可自动零点补偿的热风速传感装置，其特征在于，该传感装置包括上传感器芯片（1）、下传感器芯片（2）、顶壳（3）、底壳（4）、支撑柱体（5）、下托台（6）和上托台（7），支撑柱体（5）连接在顶壳（3）和底壳（4）之间，且相邻支撑柱体（5）之间形成空隙，上托台（7）连接在顶壳（3）的底面，且上传感器芯片（1）嵌至在上托台（7）的底端，下托台（6）连接在底壳（4）的顶面，且下传感器芯片（2）嵌至在下托台（6）的顶端；上传感器芯片（1）为恒温差模式风速传感器芯片，下传感器芯片（2）为恒功率模式风速传感器芯片；在低风速下，利用下传感器芯片（2）恒功率模式进行风速大小和方向的测试，同时为恒温差工作模式提供一个标准的零点，并对恒温差模式的测温修正系数不断地进行调整；在高风速下，采用恒温差模式的上传感器芯片（1）进行风速的测试并通过修正系数得到接近实际的风速值，利用恒功率模式的下传感器芯片（2）进行风向的测试。
2.按照权利要求1所述的可自动零点补偿的热风速传感装置，其特征在于，所述的上传感器芯片（1）的底面和上托台（7）的底面位于同一水平面；所述的下传感器芯片（2）的顶面和下托台（6）的顶面位于同一水平面。
3.按照权利要求1所述的可自动零点补偿的热风速传感装置，其特征在于，所述的上传感器芯片（1）与下传感器芯片（2）相对。
4.一种利用权利要求1所述的可自动零点补偿的热风速传感装置测量风速的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
第一步：将热风速传感装置放置在被测风速地点；
第二步：进行测量：上传感器芯片（1）通过恒温差控制电路工作在恒温差工作模式，下传感器芯片（2）通过恒功率控制电路工作在恒功率工作模式，上传感器芯片（1）和下传感器芯片（2）同时工作，两者产生的温差信号通过温度传感器转换成电信号，再经放大，由单片机系统进行风速测算；
第三步：进行下次测量：在第二步完成后，停留时间b后,返回第二步，进行下次测量；否则测量结束。
5.按照权利要求4所述的可自动零点补偿的热风速传感装置测量风速的方法，其特征在于，所述的第二步中，风速测算的过程是：在下传感器芯片（2） 测量的风速小于等于a时，利用下传感器芯片（2）进行风速大小和方向的测量，同时为上传感器芯片（1）提供一个标准的零点，并对上传感器芯片（1）的测温修正系数Rt进行调整；在下传感器芯片（2）测量的风速大于a时，利用上传感器芯片（1）进行风速的测量，得到风速值VCTD,通过最近一次得到的测温修正系数Rt对该风速值进行修正，得到实际的风速值V实际，V实际=Rt·VCTD，利用下传感器芯片（2）进行风向的测试。
6.按照权利要求5所述的可自动零点补偿的热风速传感装置测量风速的方法，其特征在于，所述的a的取值范围为6—15m/s。
7.按照权利要求4所述的可自动零点补偿的热风速传感装置测量风速的方法，其特征在于，所述的b的取值范围0.1—5秒。
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