基于延时测量的热风速传感器结构和风速风向测定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于脉冲加热和延时测量的热式风速风向传感器结构和风速风 向测定方法，通过测量两个温度传感器信号之间的延时来实现风速风向测量。
【背景技术】
[0002] 风速、风向是反应环境气象信息的非常重要的参数，风速和风向的检测对环境监 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。该类传感器一般有传统的风杯和风向标结构、超声风速传感器和热风速传感器等。 传统风杯和风向标结构体积较大、一般在数十厘米或以上，且存在转动部件，容易磨损；超 声风速传感器近年来得到很大的发展，该传感器具有精度高，测量范围大，且使用寿命长等 诸多突出优点。其不利因素是体积较大（10厘米以上），价格偏高。基于MEMS加工技术的 微型热风速传感器具有体积小，价格低，产品一致性好的特点，是近几年来研宄的热点。但 是，由于这类传感器通过测量热场或热损失的原理实现风速测量，温漂效应和零点漂移比 较大，且传感器需要持续加热，功耗较大。
【发明内容】
[0003] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于脉冲加热和延 时测量的热式风速风向传感器结构和风速风向测定方法，通过测量温度传感器接收到温度 信号的时间差测量风速风向，可以避免热源、环境温度对于测量的影响，具有精确度高、抗 干扰能力强、功耗低、可超小型化等优点。
[0004] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0005] 一种基于延时测量的热风速传感器结构，包括衬底，假设在衬底的上表面建立XOY 直角坐标系，则在原点0位置设置凹槽，在凹槽内设置脉冲热源；在X轴正向、X轴负向、Y轴 正向和Y轴负向上分别设置有一组温度测量点，每组温度测量点包括两个温度测量点，分 别记为第一温度测量点和第二温度测量点，第一温度测量点与第二温度测量点之间的距离 为L，四个第一温度测量点距离原点0的距离相等，四个第二温度测量点距离原点0的距离 相等，在每个温度测量点上设置一个温度传感器。
[0006] 上述基于延时测量的热风速传感器结构，在衬底上中间位置形成凹槽，在凹槽中 设置一个脉冲热源；在以脉冲热源为对称中心的四个方向上沿轴向分别放置一组两个温度 传感器，且各组的两个温度传感器之间距离相同。脉冲热源加热中心的空气：当无风时，这 四组传感器接收到脉冲热源温度信号的时间差（或称延时）相同；当有风从某个水平方向 吹来时，位于脉冲热源下风向的传感器组接收到热源温度信号的延时会比无风时小，且该 延时与风速大小和风向有关。通过测量这个延时并经过一定的数值计算可以得到风速和风 向的信息。
[0007] 优选的，所述脉冲热源上表面不高于衬底上表面。
[0008] 一种延时测量的热风速传感器结构的风速风向测定方法，包括如下步骤：
[0009] (1)水平放置衬底，启动脉冲热源一次，记录八个温度传感器分别检测到温度跃变 信号的时刻；
[0010] (2)最先检测到温度跃变信号的两组温度传感器为脉冲热源下风向的两组温度传 感器，对该两组温度传感器，计算同一组温度测量点上的两个温度传感器检测到温度跃变 信号的时间差，分别记为AUPAT12;
[0011] ⑶根据下式计算风速和风向：
【主权项】
1. 一种基于延时测量的热风速传感器结构，其特征在于：包括衬底（I)，假设在衬底 (1)的上表面建立XOY直角坐标系，则在原点O位置设置凹槽（4)，在凹槽⑷内设置脉冲 热源（3);在X轴正向、X轴负向、Y轴正向和Y轴负向上分别设置有一组温度测量点，每组 温度测量点包括两个温度测量点，分别记为第一温度测量点和第二温度测量点，第一温度 测量点与第二温度测量点之间的距离为L，四个第一温度测量点距离原点0的距离相等，四 个第二温度测量点距离原点〇的距离相等，在每个温度测量点上设置一个温度传感器（2)。
2. 根据权利要求1所述的基于延时测量的热风速传感器结构，其特征在于：所述脉冲 热源（3)上表面不高于衬底（1)上表面。
3. -种延时测量的热风速传感器结构的风速风向测定方法，其特征在于：包括如下步 骤： (1) 水平放置衬底（1)，启动脉冲热源（3) -次，记录八个温度传感器分别检测到温度 跃变信号的时刻； (2) 最先检测到温度跃变信号的两组温度传感器为脉冲热源（3)下风向的两组温度传 感器，对该两组温度传感器，计算同一组温度测量点上的两个温度传感器检测到温度跃变 信号的时间差，分别记为AT 1JP ΔΤ12; (3) 根据下式计算风速和风向：
其中，W表示风速，D表示风向，L表示第一温度测量点和第二温度测量点之间的距离， a表示系数，在热风速传感器结构进行标定时确定。
【专利摘要】本发明公开了一种基于延时测量的热风速传感器结构和风速风向测定方法，热风速传感器结构包括衬底，假设在衬底的上表面建立XOY直角坐标系，则在原点O位置设置凹槽，在凹槽内设置脉冲热源；在X轴正向、X轴负向、Y轴正向和Y轴负向上分别设置有一组温度测量点，每组温度测量点包括两个温度测量点，分别记为第一温度测量点和第二温度测量点，四个第一温度测量点距离原点O的距离相等，四个第二温度测量点距离原点O的距离相等，在每个温度测量点上设置一个温度传感器。通过测量温度传感器接收到温度信号的时间差测量风速风向，可以避免热源、环境温度对于测量的影响，具有精确度高、抗干扰能力强、功耗低、可超小型化等优点。
【IPC分类】G01P5-10, G01P13-02
【公开号】CN104535793
【申请号】CN201510024244
【发明人】秦明, 王芳, 杨佳伟, 姚玉瑾
【申请人】东南大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2015年1月16日