一种基于帽型电容阵列的MEMS小型风速风向敏感结构的制作方法

本发明提供了一种基于帽型电容阵列的mems小型风速风向敏感结构，属于风速风向检测。

背景技术：

1、风无时无刻影响着我们的生活，到了现代社会，随着科学技术的发展，用来测量风速度和方向的风速风向仪器在气象监测方面得到了广泛的应用。而在这种测量风速风向的风速风向仪器中，风速风向敏感结构是该仪器获得风速风向信息的关键部分。

2、目前，由于实地测量时环境对风速风向敏感结构存在一定的影响，且对风的起动速度也有一定的要求。现有的风速风向敏感结构对风的扰动不敏感，需要达到一定的风速后才能起动，容易存在环境误差。

3、为此本发明设计了这样一种基于帽型电容阵列的mems小型风速风向敏感结构来解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明为了解决环境对风速风向敏感结构存在的影响，造成风速风向敏感结构对风的扰动灵敏度低、误差大的问题，提出了一种基于帽型电容阵列的mems小型风速风向敏感结构。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于帽型电容阵列的mems小型风速风向敏感结构，包括风速风向敏感结构本体，所述风速风向敏感结构本体的上端面中心固定安装有支撑杆，以支撑杆为圆心呈圆周阵列排布有360个检测电极，在支撑杆的顶端设置有帽型结构，帽型结构的内壁涂覆有金属膜，帽型结构与检测电极之间可形成360个平行板式电容结构，将夹角相差180°的两个检测电极与帽型结构所构成的两个平行板式电容结构记为一对电容，即可形成180对差动形式输出的电容。

3、所述风速风向敏感结构本体作为底座，内部为中空的，且风速风向敏感结构本体内部固定有控制电路板，控制电路板上集成有微控制器，微控制器通过ad转换模块分别与360个检测电极相连，通过180对差动式电容中几对电容有变化的平行板式电容结构的变化值的正负得到风向，并根据变化绝对值计算得到风速，根据风速给出对应的风力等级。

4、360个平行板式电容结构两极板的初始间隙均相同。

5、帽型结构为薄壁结构，所述帽型结构的各处壁厚均相同。

6、所述帽型结构具体采用轻便的塑料材料一体成型制作，壁厚为1-2mm。

7、通过180对差动式电容中几对电容有变化的平行板式电容结构的变化值的正负得到风向，并根据变化绝对值计算得到风速，根据风速给出对应的风力等级的具体计算过程如下：

8、任意选取其中一个平行板式电容结构将其电容值定义为编号 c 0，按顺时针或逆时针方向，对360个平行板式电容结构进行编号，编号下标相差180的两个平行板式电容结构构成了差动式输出的平板式电容结构；

9、在未受到风的扰动作用时，记录检测电极与帽型结构所形成的平行板式电容结构的初始电容值 c s，且每个平行板式电容结构的初始电容值均相同，在受到风的扰动作用时，通过与初始电容值作对比得到电容值变化的几对电容，对几对电容分别做差，得到它们的差值，根据差值的正负，判断风向，然后对几个差值的绝对值进行比较得到绝对值最大的以对电容，从而得到最大风速，并给出风速对应的风力等级。

10、本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供的基于帽型电容阵列的mems小型风速风向敏感结构，在该结构中的检测电极与帽型结构之间形成了平行板式电容结构，且组成每个平行板式电容的两检测电极之间的夹角相差180°。由于帽型结构是一个整体，故组成平行板式电容结构的两个检测电极可以在受到风的扰动时形成差动式输出。而利用该差动输出的电容值的差值的正负，可以得到风向信息，利用该差动输出的电容值的差值的绝对值，可以得到风速信息，相应的绝对值越大，则风速越大，且可以确定风速的具体大小。同时本发明采用帽型结构，可以对受到的风的扰动进行放大，故此结构可以降低风的起动速度，提高了灵敏度，减小了非线性，同时有效地改善了由环境所造成的误差。

技术特征：

1.一种基于帽型电容阵列的mems小型风速风向敏感结构，其特征在于：包括风速风向敏感结构本体，所述风速风向敏感结构本体的上端面中心固定安装有支撑杆，以支撑杆为圆心呈圆周阵列排布有360个检测电极，在支撑杆的顶端设置有帽型结构，帽型结构的内壁涂覆有金属膜，帽型结构与检测电极之间可形成360个平行板式电容结构，将夹角相差180°的两个检测电极与帽型结构所构成的两个平行板式电容结构记为一对电容，即可形成180对差动形式输出的电容。

2.根据权利要求1所述的一种基于帽型电容阵列的mems小型风速风向敏感结构，其特征在于：所述风速风向敏感结构本体作为底座，内部为中空的，且风速风向敏感结构本体内部固定有控制电路板，控制电路板上集成有微控制器，微控制器通过ad转换模块分别与360个检测电极相连，通过180对差动式电容中几对电容有变化的平行板式电容结构的变化值的正负得到风向，并根据变化绝对值计算得到风速，根据风速给出对应的风力等级。

3.根据权利要求2所述的一种基于帽型电容阵列的mems小型风速风向敏感结构，其特征在于：360个平行板式电容结构两极板的初始间隙均相同。

4.根据权利要求2所述的一种基于帽型电容阵列的mems小型风速风向敏感结构，其特征在于：帽型结构为薄壁结构，所述帽型结构的各处壁厚均相同。

5.根据权利要求4所述的一种基于帽型电容阵列的mems小型风速风向敏感结构，其特征在于：所述帽型结构具体采用轻便的塑料材料一体成型制作，壁厚为1-2mm。

6.根据权利要求2所述的一种基于帽型电容阵列的mems小型风速风向敏感结构，其特征在于：通过180对差动式电容中几对电容有变化的平行板式电容结构的变化值的正负得到风向，并根据变化绝对值计算得到风速，根据风速给出对应的风力等级的具体计算过程如下：

技术总结
本发明提供了一种基于帽型电容阵列的MEMS小型风速风向敏感结构，属于风速风向检测技术领域；解决了环境对风速风向敏感结构存在的影响，造成风速风向敏感结构对风的扰动灵敏度低、误差大的问题；包括风速风向敏感结构本体，所述风速风向敏感结构本体的上端面中心固定安装有支撑杆，以支撑杆为圆心呈圆周阵列排布有360个检测电极，在支撑杆的顶端设置有帽型结构，帽型结构的内壁涂覆有金属膜，帽型结构与检测电极之间可形成360个平行板式电容结构，将夹角相差180°的两个检测电极与帽型结构所构成的两个平行板式电容结构记为一对电容，即可形成180对差动形式输出的电容；本发明应用于风速风向仪器。

技术研发人员：芦竹茂,晋涛,王大伟,张娜,俞华,李劲松,孟晓凯,刘永鑫
受保护的技术使用者：国网山西省电力公司电力科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/5