[發明專利]二維流速矢量測量傳感器及其制作方法、信號的處理方法

有效

• 申請號: 201310533985.X
• 申請日: 2013-10-31
• 公開（公告）號: CN103592461B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發明（設計）人: 朱榮;闕瑞義
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01P5/12
• 分類號: G01P5/12;G01P13/02
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司11002
• 代理人: 李相雨

技術領域

本發明涉及傳感器技術領域，尤其涉及一種二維流速矢量測量傳感器及其制作方法、信號的處理方法。

背景技術

流速測量在國民生產和國防工業的多個領域都有需求，尤其在航空航天、生物醫療等領域有著重要作用。傳統的流速測量方法有皮托管/壓力傳感器、熱式傳感器等測量方法，其中熱式測量方法利用熱線/熱膜等熱敏元件進行流速測量，是一種簡單、易用的方法。熱線/熱膜敏感元件是熱敏電阻絲(膜)，電流通過電阻絲(膜)，使熱敏電阻產生熱量從而升溫。當流體介質從熱敏電阻周圍流過時，會帶走熱量造成電阻冷卻，從而引起熱敏電阻阻值的變化。電阻阻值測量采用惠斯通電橋，可采用如恒流、恒壓和恒溫差模式進行檢測。其中恒溫差檢測方法的特點是動態響應快、靈敏度高、易于實施溫度補償，因此廣泛應用于熱式流速測量領域。這種方法通過一個閉環回路實現對熱敏流速傳感器的恒溫控制，在恒溫差電路中設置一個溫度傳感器檢測環境溫度，其阻值隨著環境溫度變化而發生變化，熱敏元件溫度與環境溫度的溫差通過電橋被檢測出，通過放大器影響加熱功率，從而實現熱敏流速傳感器對于環境溫度的恒溫差控制。

對流速矢量測量傳統采用機械風標等方式，測量裝置大、可靠性差；也有采用多壓力傳感器/皮托管的方式檢測流速大小和方向，但傳感器結構復雜、難以集成；采用微型熱敏結構可以實現傳感器的小型化和集成化，已有技術提出采用多個微型加熱元件與多個微型溫度測量元件的組合方式進行流速矢量檢測，但該種方式中傳感器結構仍然復雜，元件較多，需要加熱元件對局部環境加熱，再利用分布式的多個溫度傳感器進行溫場的檢測。

發明內容

（一）要解決的技術問題

本發明要解決的技術問題是：提供一種二維流速矢量測量傳感器及其制作方法、信號的處理方法，以克服現有技術中流速矢量測量傳感器結構復雜的缺點。

（二）技術方案

為解決上述技術問題，本發明提供了一種二維流速矢量測量傳感器，包括基底，所述基底上設有圓形的熱敏電阻區域，所述熱敏電阻區域被均分為至少三個扇形區域，每一個所述扇形區域均布置有一個迂回結構的熱敏電阻絲，以便所述熱敏電阻絲均勻分布在所述扇形區域內。

進一步地，還包括設置在所述熱敏電阻絲上的保護層。

進一步地，所述熱敏電阻絲的厚度為50～500nm。

進一步地，還包括所述各熱敏電阻絲的恒溫差電路，所述恒溫差電路包括惠斯通電橋和差分放大器L；

所述惠斯通電橋的兩輸出節點與所述差分放大器L的一端連接，所述差分放大器的另一端輸出反饋至電橋橋頂形成閉環反饋回路；

所述惠斯通電橋中的一個橋臂為所述二維流速矢量測量傳感器中的熱敏電阻絲R_h，用于檢測熱敏電阻絲溫度，其相對橋臂為溫度傳感器R_c，用于測量環境溫度并進行溫度補償；

所述惠斯通電橋另外兩個橋臂為固定電阻R_a和R_b，R_h與R_b串聯，R_c與R_a串聯，其中，R_c0為溫度傳感器R_c在零攝氏度下的電阻值，R_h0為熱敏電阻絲R_h在零攝氏度下的電阻值，α_c為溫度傳感器R_c的溫度電阻系數，α_h為熱敏電阻絲R_h的溫度電阻系數，所述惠斯通電橋還包括與溫度傳感器R_c串聯的R_tb，用于調節所述熱敏電阻絲R_h的溫度，所述恒溫差電路輸出電壓U為熱敏電阻絲輸出。

為解決上述問題，本發明還提供一種如上述任意一種的二維流速矢量測量傳感器的制作方法，包括：

A：在表面絕緣的基底上形成掩模板，所述掩模板上具有與所述熱敏電阻絲的結構對應的圖形；

B：在所述掩模板上沉積熱敏材料層；

C：剝離所述掩模板形成熱敏電阻絲的結構。

進一步地，在步驟A之后、步驟B之前還包括：在所述掩模板上沉積粘附層。

進一步地，在步驟C之后還包括：在所述熱敏電阻絲上沉積保護層。

為解決上述問題，本發明還提供一種對上述任意一種傳感器的信號的處理方法，包括：

S1：采集所述二維流速矢量測量傳感器中的各熱敏電阻絲的輸出信號；