20世紀90年代，氣流傾斜度傳感器得到了廣泛應用。氣流傾角傳感器的傳感質量為氣體，慣性小，且具有抗沖擊、響應時間短的特點，可用于工業姿態控制系統。然而，幾乎所有的換能器都存在溫度漂移的問題，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為氣體，敏感元件感知傳感器內部熱源與環境溫度的差異所引起的流場溫度變化。為了解決溫度變化的問題，從硬件和軟件兩個方面對現有的方法進行了補償。但現有的方法基本上是根據變化規律在漂移后進行補償，即漂移后進行修正�；�于氣流傾角傳感器的敏感機理，采用粘性流體運動相似定律

從理論上提出了一種利用溫度補償電路消除環境溫度陰影噪聲的補償方法，并通過實驗進行了驗證。

1. 氣流傾角傳感器的靈敏機理

      氣流傾角傳感器測量傾斜角的原理如圖1所示。熱源和兩個熱元件設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，在熱源兩側放置熱敏絲，形成測量橋的兩個敏感臂。當傳感器水平放置時，兩根熱絲位于空氣流場的同一溫度區，橋架平衡，電壓輸出為零。當傳感器傾斜時，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，電壓信號與傾斜角度成正比。

2檢測電路

      圖2為氣流傾角傳感器的檢測電路。R1和R2為兩根熱絲，R為細電阻，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。當傳感器傾斜時，兩根熱敏導線的電阻值一定是一根導線的電阻增大，另一根導線的電阻減小，可以認為兩根溫度變化的絕對對相等。因此，(R1+R2)基不變，橋的輸出由(R1+R2)決定。

圖 2 電橋檢測電路

      對于常用的鉑電阻Pt100有阻值一溫度 (R-T )關系式 [4 ] ：

      式中, 是參考溫度為零攝氏度下的電阻；一般 國內生產的高純度鉑絲的 a1=0.003926。 式 (2 ) 中 的非線性項很小，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。 由于兩根鉑絲長度相同，可設R1（0） =R2（0）=R（0），故兩熱敏絲的電阻差值可寫為

       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系為

       由式(6)可知，電橋的輸出電壓由兩根熱敏導線之間的溫差決定。如果環境溫度不同，則溫度場會完全不同，從而使兩根熱敏導線之間的溫差發生變化，電橋的輸出電壓也會不同，從而影響傳感器的輸出，產生誤差;如果在不同的環境溫度下保持溫度場相似，則兩根熱敏導線之間的溫度差不會改變，電橋的輸出電壓也不會改變，即傾角的測量不會隨著環境溫度的變化而變化。

3補償方式

       兩根熱敏絲的溫度是由熱源形成的溫度場決定的，所以兩根熱敏絲的溫差也是由溫度場決定的。當環境溫度發生變化時，溫度場也會發生變化，電橋的輸出電壓也會發生變化。由圖3可知，-20 ~ +30℃試驗得到的環境溫度傾角為30°。當電橋輸出電壓。測試結果表明，輸出電壓隨環境溫度的變化而變化。當環境溫度升高時，環境溫度與熱源溫度之差減小，輸出電壓減小。

       溫度場由傳感器內部的熱源和環境溫度決定。當傳感器內部熱源與環境溫度的溫差不變時，從流動相似原理可以看出，溫度場相似時，兩根熱敏導線的溫差基本不變，電橋的輸出電壓也將基本不變。由上述試驗可知，電橋輸出電壓隨環境溫度的變化是由于傳感器內部熱源與環境溫度之間的溫差發生了變化。因此，設計補償電路來改變熱源的溫度，使熱源與環境溫度之間的溫差保持不變，并具有最優值。這可以提高氣流傾角傳感器的性能和應用范圍。補償電路的設計是將熱源的電源電壓設置為恒壓。在熱源的電源電路上串聯一個熱敏電阻。熱敏電阻的電阻值隨環境溫度的變化而變化。因此，當環境溫度發生變化時，熱源兩端的電壓也會發生變化，從而可以改變熱源的溫度。通過合理的計算和設計，可以達到減小溫度漂移的目的。

4試驗驗證

      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電橋輸出電壓與環境溫度的關系

      當環境溫度在-20℃~ + 30℃范圍內測量時，電橋輸出電壓如表1所示

表 1 電橋輸出電壓與環境溫度的變化關系

      從表1可以看出，當環境溫度變化時(熱源溫度D不變)，電橋輸出電壓會發生變化。當環境溫度升高時，溫度場梯度減小，橋架輸出信號減小，橋架輸出信號隨環境溫度幾乎呈線性變化。

4. 2測量熱源溫度變化1℃時的電壓調整值

      可以調節環境溫度和熱源電壓以獲得近似相同的輸出電壓信號。當傳感器傾角為其他值時，熱源電壓的調節規律與上述規律一致。

4. 3測試驗證

      在環境溫度為0、熱源電壓V= 1.85V、電橋輸出電壓的條件下，分別對傳感器的傾角進行了10°、30°和45°的測試。

表2不調整熱源電壓時的電橋輸出電壓

      調整熱源電壓后橋架輸入電壓數據如表3所示。熱源電壓根據環境溫度根據式(9)的規律進行調節。從表中數據可以看出，熱源電基按式(9)規律調整后，橋架輸出電壓基本不變，且在傳感器傾角分別為10°、30°、45°時，該規律是一致的。

表3調整熱源電壓后的電橋輸出電壓

      從上述試驗驗證的三個傳感器傾斜角下的試驗結果可以看出，通過改變熱源的溫度(這里通過調節熱源的電壓)，保持熱源與環境溫度的差值不變，可以使橋架的輸出電壓基本不變。

      試驗數據表明，通過調節熱源溫度，熱源與環境溫度之差保持不變，即溫度場保持相似;橋架的輸出電壓基本不變，即不隨環境溫度變化，消除了環境溫度變化對氣流傾角傳感器的影響。

5 結論

(1)通過改變傳感器內部熱源的溫度，保持熱源與環境溫度的溫差不變，使電橋輸出電壓基本不變。

(2)溫度補償電路能有效消除環境溫度對氣流傾角傳感器的影響。

參考文章:

[1]林宇。氣擺姿態傳感器原理、結構及性能研究[D]。北京:北京電子科學研究所，2005。

[2]張福學。密閉腔室氣流擺動特性研究[j]。電子學報，1999,27(1):1 4 -1 1 4 2。

[3]張福學。自然對流氣體擺特性及其在EJ3傳感器中的應用中國工程科學，2002,4(8):50-53。

[4]潘文成。一種高精度鉑電阻溫度測量方法。傳感器技術，2003,22 (11):69- 71

[5]胡文旭。鉑電阻精密測溫研究[J]。陜西師范大學學報(自然科學版)，2000,28(4):59-62。

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