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消除環(huán)境溫度對(duì)傾角傳感器性能影響的方法20世紀(jì)90年代，氣流傾斜度傳感器得到了廣泛應(yīng)用。氣流傾角傳感器的傳感質(zhì)量為氣體，慣性小，且具有抗沖擊、響應(yīng)時(shí)間短的特點(diǎn)，可用于工業(yè)姿態(tài)控制系統(tǒng)。然而，幾乎所有的換能器都存在溫度漂移的問(wèn)題，即靈敏度和零電壓隨溫度漂移。氣流傾角傳感器的敏感介質(zhì)為氣體，敏感元件感知傳感器內(nèi)部熱源與環(huán)境溫度的差異所引起的流場(chǎng)溫度變化。為了解決溫度變化的問(wèn)題，從硬件和軟件兩個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有的方法進(jìn)行了補(bǔ)償。但現(xiàn)有的方法基本上是根據(jù)變化規(guī)律在漂移后進(jìn)行補(bǔ)償，即漂移后進(jìn)行修正�；跉饬鲀A角傳感器的敏感機(jī)理，采用粘性流體運(yùn)動(dòng)相似定律 從理論上提出了一種利用溫度補(bǔ)償電路消除環(huán)境溫度陰影噪聲的補(bǔ)償方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。 1. 氣流傾角傳感器的靈敏機(jī)理 氣流傾角傳感器測(cè)量?jī)A斜角的原理如圖1所示。熱源和兩個(gè)熱元件設(shè)置在水平圓柱形封閉腔室中。將燈絲狀熱源沿腔體軸線放置，在熱源兩側(cè)放置熱敏絲，形成測(cè)量橋的兩個(gè)敏感臂。當(dāng)傳感器水平放置時(shí)，兩根熱絲位于空氣流場(chǎng)的同一溫度區(qū)，橋架平衡，電壓輸出為零。當(dāng)傳感器傾斜時(shí)，水平面以上的熱絲處于高溫位置，水平面以下的熱絲處于低溫位置，造成橋架失去平衡，橋架有電位差輸出，電壓信號(hào)與傾斜角度成正比。
2檢測(cè)電路 圖2為氣流傾角傳感器的檢測(cè)電路。R1和R2為兩根熱絲，R為細(xì)電阻，使R = R1 + R2。那么橋接器的輸出可以顯示為
式中，VB為橋接電路的供電電壓;Vo是電路的輸出電壓。當(dāng)傳感器傾斜時(shí)，兩根熱敏導(dǎo)線的電阻值一定是一根導(dǎo)線的電阻增大，另一根導(dǎo)線的電阻減小，可以認(rèn)為兩根溫度變化的絕對(duì)對(duì)相等。因此，(R1+R2)基不變，橋的輸出由(R1+R2)決定。
圖 2 電橋檢測(cè)電路 對(duì)于常用的鉑電阻Pt100有阻值一溫度 (R-T )關(guān)系式 [4 ] ：
式中, 是參考溫度為零攝氏度下的電阻；一般 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的高純度鉑絲的 a1=0.003926。 式 (2 ) 中 的非線性項(xiàng)很小，因此可以忽略， 即只取
式中Ta、Tb 分別 表示 R1、R2。 所處位置的溫度。 由于兩根鉑絲長(zhǎng)度相同，可設(shè)R1（0） =R2（0）=R（0），故兩熱敏絲的電阻差值可寫(xiě)為
將式 (5) 代入式 (1 ) ，可得電橋輸出電壓和兩熱敏絲溫度差之間的關(guān)系為
由式(6)可知，電橋的輸出電壓由兩根熱敏導(dǎo)線之間的溫差決定。如果環(huán)境溫度不同，則溫度場(chǎng)會(huì)完全不同，從而使兩根熱敏導(dǎo)線之間的溫差發(fā)生變化，電橋的輸出電壓也會(huì)不同，從而影響傳感器的輸出，產(chǎn)生誤差;如果在不同的環(huán)境溫度下保持溫度場(chǎng)相似，則兩根熱敏導(dǎo)線之間的溫度差不會(huì)改變，電橋的輸出電壓也不會(huì)改變，即傾角的測(cè)量不會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而變化。 3補(bǔ)償方式 兩根熱敏絲的溫度是由熱源形成的溫度場(chǎng)決定的，所以兩根熱敏絲的溫差也是由溫度場(chǎng)決定的。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，溫度場(chǎng)也會(huì)發(fā)生變化，電橋的輸出電壓也會(huì)發(fā)生變化。由圖3可知，-20 ~ +30℃試驗(yàn)得到的環(huán)境溫度傾角為30°。當(dāng)電橋輸出電壓。測(cè)試結(jié)果表明，輸出電壓隨環(huán)境溫度的變化而變化。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，環(huán)境溫度與熱源溫度之差減小，輸出電壓減小。
溫度場(chǎng)由傳感器內(nèi)部的熱源和環(huán)境溫度決定。當(dāng)傳感器內(nèi)部熱源與環(huán)境溫度的溫差不變時(shí)，從流動(dòng)相似原理可以看出，溫度場(chǎng)相似時(shí)，兩根熱敏導(dǎo)線的溫差基本不變，電橋的輸出電壓也將基本不變。由上述試驗(yàn)可知，電橋輸出電壓隨環(huán)境溫度的變化是由于傳感器內(nèi)部熱源與環(huán)境溫度之間的溫差發(fā)生了變化。因此，設(shè)計(jì)補(bǔ)償電路來(lái)改變熱源的溫度，使熱源與環(huán)境溫度之間的溫差保持不變，并具有最優(yōu)值。這可以提高氣流傾角傳感器的性能和應(yīng)用范圍。補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)是將熱源的電源電壓設(shè)置為恒壓。在熱源的電源電路上串聯(lián)一個(gè)熱敏電阻。熱敏電阻的電阻值隨環(huán)境溫度的變化而變化。因此，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，熱源兩端的電壓也會(huì)發(fā)生變化，從而可以改變熱源的溫度。通過(guò)合理的計(jì)算和設(shè)計(jì)，可以達(dá)到減小溫度漂移的目的。 4試驗(yàn)驗(yàn)證 傳感器傾角為30°，熱源電壓V = 1.85V，橋接電源電壓為1.4 V。 4.1電橋輸出電壓與環(huán)境溫度的關(guān)系 當(dāng)環(huán)境溫度在-20℃~ + 30℃范圍內(nèi)測(cè)量時(shí)，電橋輸出電壓如表1所示
表 1 電橋輸出電壓與環(huán)境溫度的變化關(guān)系 從表1可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)(熱源溫度D不變)，電橋輸出電壓會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，溫度場(chǎng)梯度減小，橋架輸出信號(hào)減小，橋架輸出信號(hào)隨環(huán)境溫度幾乎呈線性變化。 4. 2測(cè)量熱源溫度變化1℃時(shí)的電壓調(diào)整值 可以調(diào)節(jié)環(huán)境溫度和熱源電壓以獲得近似相同的輸出電壓信號(hào)。當(dāng)傳感器傾角為其他值時(shí)，熱源電壓的調(diào)節(jié)規(guī)律與上述規(guī)律一致。 4. 3測(cè)試驗(yàn)證 在環(huán)境溫度為0、熱源電壓V= 1.85V、電橋輸出電壓的條件下，分別對(duì)傳感器的傾角進(jìn)行了10°、30°和45°的測(cè)試。
表2不調(diào)整熱源電壓時(shí)的電橋輸出電壓 調(diào)整熱源電壓后橋架輸入電壓數(shù)據(jù)如表3所示。熱源電壓根據(jù)環(huán)境溫度根據(jù)式(9)的規(guī)律進(jìn)行調(diào)節(jié)。從表中數(shù)據(jù)可以看出，熱源電基按式(9)規(guī)律調(diào)整后，橋架輸出電壓基本不變，且在傳感器傾角分別為10°、30°、45°時(shí)，該規(guī)律是一致的。
表3調(diào)整熱源電壓后的電橋輸出電壓 從上述試驗(yàn)驗(yàn)證的三個(gè)傳感器傾斜角下的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，通過(guò)改變熱源的溫度(這里通過(guò)調(diào)節(jié)熱源的電壓)，保持熱源與環(huán)境溫度的差值不變，可以使橋架的輸出電壓基本不變。 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，通過(guò)調(diào)節(jié)熱源溫度，熱源與環(huán)境溫度之差保持不變，即溫度場(chǎng)保持相似;橋架的輸出電壓基本不變，即不隨環(huán)境溫度變化，消除了環(huán)境溫度變化對(duì)氣流傾角傳感器的影響。 5 結(jié)論 (1)通過(guò)改變傳感器內(nèi)部熱源的溫度，保持熱源與環(huán)境溫度的溫差不變，使電橋輸出電壓基本不變。 (2)溫度補(bǔ)償電路能有效消除環(huán)境溫度對(duì)氣流傾角傳感器的影響。 參考文章: [1]林宇。氣擺姿態(tài)傳感器原理、結(jié)構(gòu)及性能研究[D]。北京:北京電子科學(xué)研究所，2005。 [2]張福學(xué)。密閉腔室氣流擺動(dòng)特性研究[j]。電子學(xué)報(bào)，1999,27(1):1 4 -1 1 4 2。 [3]張福學(xué)。自然對(duì)流氣體擺特性及其在EJ3傳感器中的應(yīng)用中國(guó)工程科學(xué)，2002,4(8):50-53。 [4]潘文成。一種高精度鉑電阻溫度測(cè)量方法。傳感器技術(shù)，2003,22 (11):69- 71 [5]胡文旭。鉑電阻精密測(cè)溫研究[J]。陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2000,28(4):59-62。 |
