一种高灵敏风速传感器及试验设备

1.本发明涉及传感器技术领域，尤其是涉及一种高灵敏风速传感器及试验设备。


背景技术：

2.风是一种由于空气流动而引起的现象，包括风向和风速。风速的测量在气象领域拥有广泛的应用。目前市场上风速计基本是采用量热式原理或者使用机械式的锥空杯测量风速的。量热式的风速计要求气体是干燥的，并且固体颗粒物含量很少，以避免测量流量错误。机械式的风杯风速计体积大，集成度低，灵敏度低，一般适用于气象领域的研究测量。与此同时，风速同样是对流换热的重要影响因素，由此提出通过对空气流动引起的热量变化的测量，对应到风速的测量，形成一种全新的风速测量系统。
3.热电器件是一种热敏感元件，能够通过热电材料的赛贝克效应将热能直接转化为电能，在航空航天、交通工具、医疗器械、工业设施、电子设备、传感仪器、汽车行业、计算机等领域都有着广泛的应用。因此热电器件能够将更易测得的输出电信号的大小转换为温差信号，进而实现对温度的精准监控与测量。然而，目前商用热电器件通常对热的敏感性较弱，这是由于商用热电器件通常厚度在2mm以上，而热响应时间的计算公式为4l2/π2d，其中l表示热电臂的厚度，d代表热扩散率。因此无法在对低速的空气流动带来的热量变化进行精确分辨。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种灵敏性高的高灵敏风速传感器及试验设备。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种高灵敏风速传感器，包括风道、薄膜热电器件、控温热板、升压降噪模块和数据采集模块，所述风道上开设有用于安装所述薄膜热电器件的安装孔，所述薄膜热电器件与控温热板面接触连接，所述薄膜热电器件、升压降噪模块和数据采集模块依次连接，所述薄膜热电器件与风道内待测气流接触的一侧为冷端，与控温热板接触的一侧为热端，所述薄膜热电器件所在平面与风道内的待测气流之间的夹角为0-90度。
7.进一步地，所述控温热板的工作温度等于或高于环境温度。
8.进一步地，所述薄膜热电器件采用热流垂直于界面的π型结构。
9.进一步地，所述薄膜热电器件通过导热界面材料与控温热板接触。
10.进一步地，所述导热界面材料为导热硅脂、导热硅胶片、导热相变材料或导热胶带。
11.进一步地，所述薄膜热电器件、控温热板、升压降噪模块和数据采集模块通过一封装层集成封装。
12.进一步地，所述薄膜热电器件包括基座以及设置于基座上的p-n热电对阵列，所述p-n热电对包括n型热电柱和p型热电柱，相邻所述n型热电柱和p型热电柱共同连接一个电
极。
13.进一步地，所述p-n热电对至少设有3对。
14.进一步地，所述薄膜热电器件使用的热电材料为bi2te3、sb2te3、mgagsb、pbte、pbse、snte、snse、cu2se、si-ge合金中的一种或多种。
15.本发明还提供一种风速试验设备，包括如上所述的高灵敏风速传感器。
16.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
17.1、本发明在风道上开设用于薄膜热电器件的安装孔，风道内待测气流与薄膜热电器件的冷端接触，薄膜热电器件的热端与高精度的控温热板接触，可以通过温差电信号对不同空气流速引起的对流换热程度区分，实现风速传感的目的，并可对风速变化过程进行实时监控。
18.2、本发明可方便根据需要调节薄膜热电器件所在平面与风道内的待测气流之间的夹角，具有较大的精度调节范围。
19.3、本发明薄膜热电器件中包括p-n热电对阵列，通过大阵列串联p-n热电对排列，以及升压降噪模块对将电压信号进行处理，能实现微小温差的检测。
20.4、本发明薄膜热电器件采用热流垂直于界面的π型p-n热电对结构，能够对平面接收的热信号进行充分采集。
21.5、本发明采用mems技术制备的薄膜热电器件，将传统热电器件微型化和低维化，既可以解决界面热阻与电阻问题，还可以提高p-n热电对的集成密度与功率密度，增加差热测量的信号灵敏度，降低热响应时间，从而实现对微小风速的灵敏感知。
22.6、本发明可根据具体使用环境选择封装方案，无封装情况下可最大程度提高灵敏性，若处于温度、湿度、酸碱度异常环境中可通过封装处理以提高寿命。
附图说明
23.图1为本发明的结构示意图；
24.图2为薄膜热电器件的截面π型结构图；
25.图3为通过本发明对相同风速在不同热端温度下的电压输出变化。
26.图4为通过本发明对不同热端温度下风速与电压输出对应关系。
27.图中，1—风道；2—管道转换接头；3—气流；4—薄膜热电器件；5—导热界面材料；6—控温热板；7—升压降噪模块；8—数据采集模块；9—导线；401—电极；402—n型热电柱；403—p型热电柱；404—基底。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
29.实施例1
30.如图1所示，本实施例提供一种高灵敏风速传感器，包括风道1、薄膜热电器件4、控温热板6、升压降噪模块7和数据采集模块8，风道1上开设有用于安装薄膜热电器件4的安装孔，薄膜热电器件4与控温热板6面接触连接，薄膜热电器件4、升压降噪模块7和数据采集模
块8依次连接，薄膜热电器件4与风道1内待测气流接触的一侧为冷端，与控温热板6接触的一侧为热端，薄膜热电器件4所在平面与风道1内的待测气流3之间的夹角为0-90度，适应不同的需求。
31.控温热板6具有较高精度，其工作温度等于或高于环境温度，冷端接受到空气流动后，对流换热加剧导致温度降低，热端温度由控温热板6控制，从而产生微小温差(即上冷下热)。薄膜热电器件4、升压降噪模块7和数据采集模块8依次通过导线9连接。
32.风速传感器使用时，待测气流3引起的对流换热增强使得薄膜热电器件4冷热端形成了微小温差，通过薄膜热电器件4的热电效应转换为电压信号，又通过升压降噪模块7将薄膜热电器件4的输出电压等信号进行升压放大和降噪处理，数据采集模块8对处理后的电信号进行收集和记录，从而可以通过温差电信号对微小风速进行灵敏区分，实现风速传感的目的。
33.本实施例中，利用mems技术制备微米级薄膜热电器件。将传统热电器件微型化和低维化，既可以解决界面热阻与电阻问题，还可以提高p-n热电对的集成密度与功率密度，增加差热测量的信号灵敏度，降低热响应时间，从而实现对微小风速的灵敏感知。
34.本实施例中，利用微米级厚mems技术制备微米级薄膜热电器件，该薄膜热电器件采用垂直于界面的π型结构，将传统热电器件微型化和低维化，既可以解决界面热阻与电阻问题，获取稳定、可靠、高效的器件，还可以提高热电模块的集成密度与功率密度，从而增加差热测量的信号灵敏度。薄膜热电器件的加工过程可以包括光刻、旋涂、刻蚀、磁控溅射、分子束外延、热蒸发等步骤。
35.本实施例中，薄膜热电器件的结构参考图2所示，包括基座404以及设置于基座404上的p-n热电对阵列，p-n热电对包括n型热电柱402和p型热电柱403，相邻n型热电柱402和p型热电柱403共同连接一个电极401。该薄膜热电器件中的p-n热电对阵列为大对数阵列，各p-n热电对依次串联连接，使得对温差敏感度极高，能实现微小温差的检测。在具体实施方式中，p-n热电对至少设有3对。
36.在具体实施方式中，薄膜热电器件基底为氧化硅片、石英片、玻璃片、聚乙烯醇薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚酯薄膜中的一种或多种。薄膜热电器件使用的热电材料为bi2te3、sb2te3、mgagsb、pbte、pbse、snte、snse、cu2se、si-ge合金中的一种或多种。薄膜热电器件电极为钛、铜、铝、银、金、镍、铬薄膜中的一种或多种。
37.在另一实施方式中，上述高灵敏风速传感器可根据具体使用环境，将薄膜热电器件、控温热板、升压降噪模块和数据采集模块通过一封装层集成封装，以提高使用寿命。
38.实施例2
39.本实施例提供的高灵敏风速传感器中，薄膜热电器件4通过导热界面材料5与控温平板6接触，降低薄膜热电器件热端与控温平板6间的接触热阻。导热界面材料可为导热硅脂、导热硅胶片、导热相变材料或导热胶带等。其余同实施例1。
40.实施例3
41.本实施例提供一种风速试验设备，包括如实施例1-2任一所述的高灵敏风速传感器，可通过该试验设备对微小气流在不同热端温度下的影响进行试验。
42.如图3所示，针对一固定速度的气流，使用包含572对p-n热电对的薄膜热电器件进行测试，可以看到不同热端温度下能够得到显著的电压输出差别。而当同时改变气流速度
和热端温度后，可以看到气流速度和电压存在较好的对应关系，且在不同热端温度下均适用，可以看出该试验设备的灵敏性和稳定性，见图4。
43.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。