一种风速传感器测量电路及方法与流程

1.本发明涉及气象观测领域，尤其涉及一种风速传感器测量电路及方法。


背景技术：

2.在气象观测领域中，风速是最为基本的气象要素之一，关系生产生活水平和生命财产安全。目前，风速测量方式多种多样，具有各异的优势并适用于不同的场景。以mems(micro-electro-mechanical system，微机电系统)为工艺的热膜式风速传感器具有体积小、易于集成、精度高、功耗小等优势，成为当前新兴的、发展迅速的风速传感器，但该种传感器风速测量范围小，严重限制了热膜式风速传感器应用范围。因此，有必要对该问题进行针对性的研究。
3.风速传感器是风速测量的核心，为了提升传感器性能，在风速传感器方面，相关研究主要针对传感器的基材、结构等角度开展，尝试通过减小传感器热损耗率的方式来提升传感器高风速响应灵敏度，进而扩大风速测量范围。在风速测量电路设计方面，创新型研究内容较少，常用的电路测量方案中采用恒温差电路实现电阻加热，采用电桥电路实现测温电阻的风速读取。在低风速时，电桥电路可以有较高的分辨率，但随着风速提高，分辨率逐渐下降直至为0，该特点是mems风速传感器的重要缺陷之一，严重限制了mems风速传感器的使用场景。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提供一种风速传感器测量电路及方法，从电路原理角度入手，改善了风速传感器在高风速下的响应特性，提高风速传感器的在高风速下的分辨率。
5.第一方面，本发明实施例提供一种风速传感器的测量电路，所述风速传感器包括第一测温电阻和第二测温电阻，所述测量电路包括：
6.电阻除法电路，与被测风速传感器连接，用于对所述被测风速传感器的第一测温电阻和第二测温电阻进行除法运算，得到输出信号；
7.逻辑控制电路，与所述电阻除法电路的输出端、输入端连接，用于控制被测风速传感器的第一测温电阻和第二测温电阻的位置切换；
8.主控电路，与所述电阻除法电路、所述逻辑控制电路连接，用于根据所述输出信号生成风速信号。
9.在一些实施例中，所述电阻除法电路，包括：
10.模拟开关，所述模拟开关的第一端和第二端接入参考信号，所述模拟开关的第三端连接所述第二测温电阻一端，所述第二测温电阻另一端连接所述第一测温电阻一端，所述第一测温电阻另一端连接所述模拟开关的第四端，所述模拟开关用于切换所述第一测温电阻和所述第二测温电阻的位置；
11.电阻除法器，反相输入端连接所述第二测温电阻另一端，同相输入端连接补偿电阻一端，所述补偿电阻另一端接地，所述电阻除法器的输出端连接至所述模拟开关的第五
端、第六端，所述电阻除法器用于对所述第一测温电阻和所述第二测温电阻进行除法运算。
12.在一些实施例中，所述逻辑控制电路，包括：
13.模拟比较器，同向输入端接入参考信号，反相输入端接入所述电阻除法器的输出信号的翻转信号，并对所述参考信号和所述翻转信号进行比较，所述模拟比较器的输出端连接分压电路；
14.jk触发器，j端、k端、时钟信号引脚与所述主控电路连接，所述时钟信号引脚还连接至所述分压电路，所述jk触发器的输出端连接所述模拟开关的输入端，所述j端、所述k端的状态由所述主控电路根据所述电阻除法器的输出信号设定，以控制所述第一测温电阻和第二测温电阻的位置切换。
15.在一些实施例中，所述分压电路包括：
16.第三电阻，一端连接所述模拟比较器的输出端；
17.第四电阻，一端连接所述第三电阻的另一端，所述第四电阻的另一端接地；
18.所述时钟信号引脚连接至所述第三电阻、所述第四电阻的连接线上。
19.在一些实施例中，所述逻辑控制电路，还包括：
20.第一低通滤波电路，连接于所述jk触发器的输出端，用于滤除所述jk触发器输出端的高频噪声。
21.在一些实施例中，所述的风速传感器的测量电路，还包括：
22.信号调理电路，一端连接至所述电阻除法器的输出端，用于去除所述电阻除法器的输出信号中的高频干扰信号；
23.模数转换电路，输入端与所述信号调理电路输出端连接，所述模数转换电路的输出端与所述主控电路连接，用于将去除高频干扰信号后的输出信号进行模数转换后送至所述主控电路。
24.在一些实施例中，所述信号调理电路，包括：
25.电压翻转电路，输入端连接所述电阻除法器的输出端，用于将所述电阻除法器的输出信号进行翻转，得到翻转信号；所述电压翻转电路的输出端连接所述逻辑控制电路的输入端，以将所述翻转信号接入所述逻辑控制电路；
26.第二低通滤波电路，输入端连接所述电压翻转电路的输出端，所述第二低通滤波电路的输出端连接所述模数转换电路的输入端。
27.在一些实施例中，所述电阻除法器包括运算放大器，所述运算放大器至少满足如下条件：
28.所述运算放大器的偏置电流和输入失调电流之和小于预设阈值。
29.第二方面，本发明实施例提供一种风速传感器的测量方法，基于第一方面所述的测量电路实现，所述测量方法包括：
30.电阻除法电路对被测风速传感器的第一测温电阻和第二测温电阻进行除法运算，得到输出信号；
31.逻辑控制电路控制被测风速传感器的第一测温电阻和第二测温电阻的位置切换，以使所述输出信号幅值大于输入的参考信号；
32.主控电路根据所述输出信号生成风速信号。
33.在一些实施例中，在所述逻辑控制电路输出高电平信号的情况下，所述输出信号
为第一测温电阻和第二测温电阻之比与所述参考信号的乘积；在所述逻辑控制电路输出低电平信号的情况下，所述输出信号为第二测温电阻和第一测温电阻之比与所述参考信号的乘积。
34.与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例至少能够带来如下有益效果：
35.本发明通过逻辑控制电路完成电阻除法电路中两个测温电阻的位置切换，通过电阻除法电路完成对被测风速传感器两个测温电阻的除法运算，由主控电路根据电阻除法电流的输出信号生成风速信号，完成测算风速，这样的电路结构，与现有技术中的电桥电路相比，测量原理有着本质上的区别，能够明显改善风速传感器在高风速下的响应特性，提高风速传感器的在高风速下的分辨率。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。
37.图1是mems风速传感器内部原理图；
38.图2是以传统电桥电路作为测量电路的原理图；
39.图3是本发明实施例提供的风速传感器的测量电路连接框图；
40.图4是本发明实施例提供的电阻除法电路示意图；
41.图5是图4所示电阻除法电路误差分析原理图；
42.图6是本发明实施例提供的逻辑控制电路示意图；
43.图7是本发明实施例提供的信号调理电路示意图；
44.图8是本发明实施例提供的风速传感器的测量方法流程图。
具体实施方式
45.下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
46.实施例一
47.在实际应用中，mems热膜风速传感器加热方案有多种，包括恒温差式、恒功率式、恒压式等。在本实施例中以恒温差加热电路为基础展开设计并进行相关理论分析，本实施例对恒温差加热电路的设计不做过多阐述。为了更便于理解本实施例电路原理及优势，图1提供了mems热膜风速传感器内部电路图，其中主要电器特征是包含一个加热铂电阻r5和两个对称设计的测温铂电阻r1和r2(也称为第一测温电阻r1和第二测温电阻r2)，在风速测量时，r1和r2的变化方向总是相反的。图1示出的r3、r4、r6和其他附图中同名电阻含义不同。
48.本实施例提供的风速传感器的测量电路，可以应用于图1所示的风速传感器，其包括第一测温电阻r1和第二测温电阻r2，如图3所示，该测量电路包括：
49.电阻除法电路200，与被测风速传感器100连接，用于对被测风速传感器100的第一测温电阻r1和第二测温电阻r2进行除法运算，得到输出信号；
50.逻辑控制电路300，与电阻除法电路200的输出端、输入端连接，用于控制被测风速传感器100的第一测温电阻r1和第二测温电阻r2的位置切换；
51.主控电路600，与电阻除法电路200、逻辑控制电路300连接，用于根据输出信号生成风速信号。
52.本实施例的测量电路，通过逻辑控制电路完成电阻除法电路中两个测温电阻的位置切换，通过电阻除法电路完成对被测风速传感器两个测温电阻的除法运算，由主控电路根据电阻除法电流的输出信号生成风速信号，完成测算风速，这样的电路结构，与现有技术中的电桥电路相比，测量原理有着本质上的区别，能够明显改善风速传感器在高风速下的响应特性，提高风速传感器的在高风速下的分辨率。
53.一些实现方式中，如图4所示，电阻除法电路200包括：模拟开关201(图4中的u1)和电阻除法器202。
54.模拟开关u1的第一端s1a和第二端s2b接入参考信号vref，模拟开关u1的第三端d1连接第二测温电阻r2一端，第二测温电阻r2另一端连接第一测温电阻r1一端，第一测温电阻r1另一端连接模拟开关u1的第四端d2，模拟开关u1用于切换第一测温电阻r1和第二测温电阻r2的位置。
55.电阻除法器202为基本异相放大电路，包括一运算放大器u2a，反相输入端连接第二测温电阻r2另一端，同相输入端连接补偿电阻r17一端，补偿电阻r17另一端接地，电阻除法器202的输出端(运算放大器u2a的输出端)连接至模拟开关u1的第五端s1b、第六端s2a，电阻除法器202用于对第一测温电阻r1和第二测温电阻r2进行除法运算。
56.在图4所示的电阻除法电路200中，模拟开关u1一侧的s1a与s2b接入参考电压vref，s1b与s2a连接运算放大器u2a的输出out-，in1连接in2连接逻辑控制电路的输出in。由于模拟开关u1存在导通电阻，如图5所示，电阻除法电路中存在两个等效电阻r15、r16。选择导通电阻小于3ω的精密型模拟开关，可以使得模拟开关对电路测量误差影响忽略不计。模拟开关u1优选采用双通道单刀双掷模拟开关。
57.一些实现方式中，运算放大器u2a的偏置电流和输入失调电流之和需小于某一阈值，以确保测量电路的准确性，因此，运算放大器u2a至少应满足如下条件：运算放大器u2a的偏置电流和输入失调电流均小于预设阈值。
58.一些实现方式中，如图6所示，逻辑控制电路300包括：模拟比较器301(图6中的u2b)和jk触发器302(图6中的u4a)；可选地，jk触发器为上升沿触发器。逻辑控制电路300用于完成电阻除法电路中两个测温电阻的位置切换。
59.模拟比较器301的同向输入端接入参考信号vref，反相输入端接入电阻除法器的输出信号out-的翻转信号out+，并对参考信号vref和翻转信号out+进行比较，模拟比较器301的输出端连接分压电路303；模拟比较器301的比较结果用于控制模拟开关201的状态。
60.jk触发器302的j端、k端、时钟信号引脚clk与主控电路600的gpio1、gpio2、gpio3连接，时钟信号引脚clk还连接至分压电路303，jk触发器302的输出端q连接模拟开关201的输入端in，j端、k端的状态由主控电路600根据电阻除法器202的输出信号设定，以控制第一测温电阻r1和第二测温电阻r2的位置切换，jk触发器302的pre端与clr端接高电平vcc。
61.一些实现方式中，分压电路303包括：
62.第三电阻r3，一端连接模拟比较器301的输出端；
63.第四电阻r4，一端连接第三电阻r3的另一端，第四电阻r4的另一端接地；
64.时钟信号引脚clk连接至第三电阻r3、第四电阻r4的连接线上。
65.通过分压电路303能够减小模拟比较器301输出的高电平，使得其输出电压可以触发jk触发器。
66.一些实现方式中，逻辑控制电路300还包括：
67.第一低通滤波电路304，连接于jk触发器302的输出端q，用于滤除jk触发器302输出端的高频噪声。
68.一些实现方式中，第一低通滤波电路304包括：
69.电阻r18，一端连接jk触发器302的输出端q；
70.电容c1，一端连接电阻r18的另一端，电容c1的另一端接地。
71.电阻除法电路和逻辑控制电路中的参考信号vref为同一参考电压。
72.一些实现方式中，风速传感器的测量电路还包括：信号调理电路400和模数转换电路500；
73.信号调理电路400的一端连接至电阻除法器202的输出端out-，用于去除电阻除法器202的输出信号中模拟开关带来的高频干扰信号；模数转换电路500的输入端与信号调理电路400输出端连接，模数转换电路500的输出端与主控电路600连接，用于将去除高频干扰信号后的输出信号进行模数转换后送至主控电路600。
74.一些实现方式中，如图7所示，信号调理电路400包括：电压翻转电路401和第二低通滤波电路402；
75.电压翻转电路401的输入端连接电阻除法器202的输出端，用于将电阻除法器202的输出信号out-进行翻转，得到翻转信号out+，即：将电阻除法器输出的负电压转为正电压；电压翻转电路401的输出端连接逻辑控制电路300的输入端(模拟比较器301的输入端)，以将翻转信号out+接入逻辑控制电路300(模拟比较器301的输入端)；
76.第二低通滤波电路402的输入端连接电压翻转电路401的输出端，第二低通滤波电路402的输出端连接模数转换电路500的输入端。
77.一些实现方式中，电压翻转电路401包括：基于运算放大器u3b组成的异相放大电路。进一步的，电压翻转电路401还包括：
78.电阻r8，一端连接至电阻除法器202的输出端，另一端连接至运算放大器u3b的反相输入端；
79.电阻r12，一端连接至运算放大器u3b的同相输入端，另一端接地；
80.电阻r5，连接于运算放大器u3b的反相输入端与输出端之间。
81.其中，r5＝r8，r12＝r5||r8为补偿电阻，增益为-1。
82.一些实现方式中，第二低通滤波电路402包括：基于运算放大器u3a组成的二阶巴特沃斯滤波电路。一些实现方式中，第二低通滤波电路402还包括：
83.电阻r9，一端连接运算放大器u3b的输出端；
84.电阻r10，一端与电阻r9的另一端，另一端连接至运算放大器u3a的同向输入端；
85.电阻r6，一端连接至运算放大器u3a的输出端；
86.电阻r7，一端连接电阻r6的另一端，另一端接地，运算放大器u3a的反相输入端还连接至电阻r6和电阻r7的连接线上；
87.电容c3，一端连接至电阻r9和电阻r10的连接线上，另一端连接至运算放大器u3a的输出端；
88.电容c4一端连接至电阻r10与运算放大器u3a的同向输入端的连接线上，另一端接地；
89.其中，电容c3、电容c4用来滤除电路中高频噪声，运算放大器u3a的输出端连接至模数转换电路500。
90.上电后，主控电路600根据模数转换电路500的读数(也就是信号调理电路的输出u3a的输出转换成数字信号)设定jk触发器302的j端、k端的状态，若主控电路600获取的gpio3为高电平，则切换j、k状态，使得输出q置0或置1，从而改变jk触发器输出状态，该逻辑值0、1的变化切换模拟开关u1的状态。若主控电路600获取的gpio3端信号为低电平，则设置j＝1，k＝1，jk触发器302进入正常的上升沿触发工作状态。jk触发器302所连接的电阻r18电容c1组成的第一低通滤波电路304滤除jk触发器302的输出端q的高频噪声。主控电路600将模数转换电路输出的数字信号解算出风速，根据上电后模数转换电路500的读数预设逻辑控制电路的jk触发器的j、k电平。
91.模拟开关u1的状态根据jk触发器302的输出状态决定，jk触发器302的输出端q输出高电平时，则模拟开关u1的s1a、s2a导通，模拟开关u1的s1b、s2a关断，输出信号满足out-＝-vref*r1/r2；jk触发器302的输出端q输出低电平时，模拟开关u1的s1b、s2b关断，s1b、s2a导通，输出信号满足out-＝-vref*r2/r1。即根据模拟开关u1的不同状态切换，使得输出信号out-幅值始终大于参考信号vref。
92.为了更便于理解本实施例电路原理及优势，图2提供了以传统电桥电路作为测量电路的电路原理图，其中，r13、r14阻值相等，为无风时r1和r2的静态阻值大小，记为r；由于r1和r2的变化方向总是相反，为了便于推导，记r1为r+δr，r2为r-δr，其中δr为阻值变化量，后端若连接放大电路(未示出)且放大倍数为k1，则该电桥电路的输出f(δr)的表达式为：
[0093][0094]
若δr∈[0，r/2]，则：
[0095][0096]
为了计算输出的变化趋势，计算f(δr)的导数：
[0097][0098]
其中，v
ref
为参考电压。
[0099]
在图4所示的电阻除法电路中，电阻除法器采用基本异相放大电路，后端的运算放大器u2a的放大倍数为k2，其输出绝对值表达式为：
[0100][0101]
若δr∈[0，r/2]，则：
[0102][0103]
若使h(δr)与f(δr)区间长度相等，即输出电压范围相等，为方便计算，令：
[0104]
k1＝7.5
ꢀꢀ
(6)
[0105]
k2＝1
ꢀꢀ
(7)
[0106]
为计算输出电压f(δr)的变化趋势，计算导数：
[0107][0108]
为了直观比较，分别取0风速(δr＝0)和最大风速(δr＝r/2)时的输出曲线变化率：
[0109][0110][0111][0112][0113]
因此，由上式(9)～(12)可知，通过本实施例修改后的电路，改变了风速传感器的风速-电压输出关系。与传统电桥电路相比，通过降低其低风速分辨率，提高了传感器高风速分辨率，进而改善了mems风速传感器高风速的响应特性。
[0114]
电阻除法电路中，补偿电阻r17用于减少集成运放输入偏置电流和失调电流引起的误差。为了减小该误差的影响，需要对补偿电阻r17的阻值进行设定，在常规电路中，r1和r2为定值，使r17＝r1||r2即可。但在本实施例中，由于r1和r2为可变电阻，因此，r17取为定值电阻时，其电路偏置电流、失调电流会引起测量误差改变。设运算放大器的同向输入端偏置电流为异相输入端偏置电流为输入失调电流为ios。则输出误差为v
oδ
：
[0115][0116]
如果r
17
＝r1||r2，则：
[0117][0118]
但由于r1和r2在工作中会随时变化，因此，为了估算极大误差对测量系统的影响，结合风速传感器在实际工作中的极值(电压最大值)，取：
[0119]r17
＝3*r1||r2＝3*r||r，
[0120]
则有：
[0121]
为使测量电路满足性能指标要求，需使：
[0122][0123]
其中，v
scale
是风速传感器的输出电压范围，s
scale
是测得的风速范围，s
res
是风速分辨率要求。均以极值估计，v
scale
为1v，s
scale
为40m/s，s
res
为0.1m/s，在本实施例中，r极大值为1000ω。则有：
[0124]
[0125]
当前，选择偏置电流、失调电流pa级的精密运放可以有效减小测量误差，满足电路测量精度要求，因此，挑选满足使用需求的运算放大器很容易实现。
[0126]
如图5所示为本实施例中电阻除法电路的误差分析原理图，由于模拟开关存在导通电阻，电路中存在两个等效电阻r15和r16，记其大小均为δr。与期望输出误差方程h(δr)为：
[0127][0128]
在上式中，δr为ω级，r为kω级，因此，其造成的测量误差不足1％，若选择精密模拟开关(导通电阻δr为ω级，例如1ω)可使该误差小于1
‰
。因此，模拟开关对电路测量误差影响忽略不计。
[0129]
应当说明的是，风速信号经电路转换为模拟电压信号，电压信号经模数转换电路转换为数字信号，该数字信号大小与风速大小呈正相关，但通常情况下该关系为非线性，可经试验定标获取电压-风速关系，预先将所述关系以解析式拟合或查表插值等方法写入主控电路的控制器中，以完成风速实时测量与解算。
[0130]
实施例二
[0131]
本实施例提供一种风速传感器的测量方法，基于实施例的测量电路实现，如图8所示，该测量方法包括：
[0132]
步骤s201、电阻除法电路对被测风速传感器的第一测温电阻和第二测温电阻进行除法运算，得到输出信号；
[0133]
步骤s202、逻辑控制电路控制被测风速传感器的第一测温电阻和第二测温电阻的位置切换，以使输出信号幅值大于输入的参考信号；
[0134]
步骤s203、主控电路根据输出信号生成风速信号。
[0135]
在一些实施例中，在逻辑控制电路输出高电平信号的情况下，输出信号为第一测温电阻和第二测温电阻之比与参考信号的乘积：out-＝-vref*r1/r2；在逻辑控制电路输出低电平信号的情况下，输出信号为第二测温电阻和第一测温电阻之比与参考信号的乘积：out-＝-vref*r2/r1。
[0136]
在本发明实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的系统和方法实施例仅仅是示意性的。
[0137]
需要说明的是，在本文中，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0138]
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。