采用热敏电阻器研制风速传感器的设计

　2005年 第 24卷 第 5期 　　　　　　　　　　传感器技术 (Journal of Transducer Technology) 采用热敏电阻器研制风速传感器的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 3 马庆华 , 尚展垒 (郑州轻工业学院 计算机科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 系 ,河南 郑州 450002) 摘 　要 : 介绍了采用负温度系数热敏电阻器为检测元件的风速传感器的测量原理 ;阐述了风速 /电压转换 理论、风速测量电路 ;分析了测量误差。实验测试结果表明 :这种风速传感器的各项性能指标均达到设计 要求。 关键词 : 热敏电阻器 ; 风速传感器 ; 负温度系数 中图分类号 : TP212　　　文献标识码 : A　　　文章编号 : 1000 - 9787 (2005) 05 - 0061 - 02 Design of wind2speed sensor developed by therm istor MA Q ing2hua, SHANG Zhan2lei ( D ept of Com puter Sc i and Eng in, Zhengzhou In stitute of L ight Industry, Zhengzhou 450002, Ch ina) Abstract: The measuring p rincip le of a wind2speed sensor which emp loys a negative temperature coefficient (NTC) therm istor as detector is described. The theory ofwind speed2voltage conversion and wind2speed measuring circuit are discussed. The measuring errors of the instrument are analyzed. The experiment results show that the design requirements for performances of the wind2speed sensor are met. Key words: therm istor; wind2speed sensor; NTC ( negative temperature coefficient) 0　引 　言 在环保气象、家用电器、工业设备、卫生保健等诸多领 域 ,空气流速都是一项重要的检测参数 ,特别是现在各种电 风扇、空调、抽油烟机等家用电器大量进入公共场所、办公 室和家庭。经改进设计性能提高的空气调节净化系列产品 不断涌现 ,厂家和技术监督部门都要对其进行监测。因此 , 为配合对这些设备的多点空气流速的检测 ,采用热敏电阻 器研制能与计算机以及各种仪器配套使用的风速传感器很 有必要。这种风速传感器的主要技术指标为 :量程为 0～ 20m / s;温度范围为 - 20～105 ℃;测量准确度为 ±0. 5 % ; 输出信号为 0～5VDC, 4～20mA。 1　风速传感器的设计 1. 1　负温度系数热敏电阻器的伏安特性 通过对大量的各种形状的负温度系数热敏电阻器进行 测试 ,可以确定同一类型的这种热敏电阻器 (尽管其外形 各不相同 ,使用场合也不同 )的伏安特性却非常相似。测 试时 ,在环境温度 25 ℃条件下 ,用一直流恒流源给被测热 敏电阻器供电 ,在连续平稳增减供电电流的同时实时检测 热敏电阻器两端的电压变化 ,其检测结果可以用一条伏安 特性曲线来描述 ,如图 1所示。由于其负温度系数的特性 , 过极点 b点后 ,其电阻值开始线性减小 ,当到达 c点时 ,热 敏电阻器就工作在相对热平衡状态 ,此时 ,热敏电阻器的端 电压也稳定下来 [ 1 ]。 收稿日期 : 2004 - 11 - 253 基金项目 :河南省杰出青年科学基金资助项目 (0112001500) 图 1　负温度系数热敏电阻器伏安特性F ig 1　V 2I character istic of NTC therm istor1. 2　采用热敏电阻器测风速的原理加热的物体在空气中自冷 ,吹风能加快冷却速度。风速越大冷却速度越快 ,物体散入空气中的热量与风速和空气温湿度有关 ,利用这种关系可以测定风速。如果通过一定的电流加热热敏电阻器 ,当加热量和散热量相等时 ,热敏电阻器温度趋于稳定 (即达到热敏电阻器的平衡状态 c点后 ) ,可以根据热敏电阻器的阻值变化或端电压变化确定风速。根据热敏电阻器的伏安特性曲线 ,选用其作为检测元件各区域通常用法是 : um (峰值电压 )拐点 b点附近报警检测、b点的左边温度检测 ;用作风速检测时 ,选热敏电阻器伏安特性曲线上 b, d之间的 c点附近比较适合。选取一确定型号的负温度系数热敏电阻器 ,通上稳定直流电流 Ic观 16 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　传 　感 　器 　技 　术 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 24卷 察并测量其温度上升阻值下降的过程 ,当热敏电阻器加热 和自然散热达到平衡点 c点时 ,测定此时热敏电阻器的温 度 t、电阻 R t、端电压 uc ,这就是无风条件下达到的一个平 衡点。当对加热热敏电阻器通风时 ,在一定范围内 ,对应不 同的风速它都会达到一个新的动态平衡点 ,此时 ,热敏电阻 器耗散的功率等于该风速下传导给周围空气的热量。其动 态热平衡方程式为 ε=A +Bυn;ε= I2c R t / ( t - t0 ) , 式中 　ε为耗散系数 , mW /℃; A, B , n为检测头热参数及其 他有影响的常数 ;υ为气流速度 , m / s; Ic 为通过热敏电阻器 的电流 , mA ; t为热敏电阻器温度 , ℃; t0为气流温度 , ℃; R t 为温度为 t时的热敏电阻器阻值 , kΩ。 由热平衡方程式可知 ,热敏电阻器阻值 R t 的变化除了 与它本身的特性工作温度变化有关外 ,风速的大小是对它 散热快慢有直接影响的主要因素。因此 ,可以把热敏电阻 器接入一个平衡电桥作为桥臂 ,在风速为 0时 ,调整电桥使 桥路平衡输出为 0,当对准工作中的热敏电阻器吹风时 ,不 同的风速就可以将热敏电阻器阻值的变化变成电桥的输出 电压 ,只要测试风速和输出电压的对应关系 ,就可以设计研 制适用的风速传感器 [2 ]。 2　实验电路和测试结果 2. 1　实验准备和实验电路 室温 25℃时 ,选用的热敏电阻器其电阻值 (冷阻 )为 100Ω (电阻值变化 ≤0. 1 %的测量功率测得 ,其阻值误差为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 值的 ±0. 5 % ) ,当用直流恒流源接通稳定的 200 mA 直流电流时 ,被测热敏电阻器的端电压以稳定在 ( 2. 5 ± 0. 1) V,经过反复测试性能稳定 ,即可选为备用的风速测试 热敏电阻元件。热敏电阻器风速测量电路如图 2所示 ,图 中 , R1 和 R2 为圆片状负温度系数热敏电阻器 ,它们分别接 入风速检测桥路的 AC, AD桥臂。其中 , R1 用于测风速 , R2 用于电桥补偿。通过测量桥路的输出 uCD电压值的变化 , 即可标示风速 [3 ]。 图 2　热敏电阻器风速测量电路图 F ig 2　C ircu it d iagram of m ea sur ing w ind2speed using therm istor 2. 2　测试结果 实验时 ,选用国产 425型数显式风速计实时检测风速。 其量程为 0～20m / s、使用温度范围为 20～90 ℃,当风速为 0. 1～0. 3m / s时 ,精度为 ±5 % ;风速为 0. 3～20 m / s时 ,精 度为 ±0. 5 %。实际检测结果如表 1所示 (表中的数据采 用五次检测的平均值 )。 表 1　实测数据表 Tab 1　Exper im en ta l da ta sheet 测量次数 风 速 (m / s) 输出电压 (V) 环境温度 (℃) 环境湿度 ( % RH) 1 0. 1 1. 26 25 ±0. 5 30～40 2 0. 5 2. 32 25 ±0. 5 30～40 3 1. 2 2. 95 25 ±0. 5 30～40 4 2. 4 3. 57 25 ±0. 5 30～40 5 3. 5 4. 08 25 ±0. 5 30～40 6 4. 1 4. 22 25 ±0. 5 30～40 7 4. 4 4. 36 25 ±0. 5 30～40 8 5. 1 4. 40 25 ±0. 5 30～40 9 5. 6 4. 73 25 ±0. 5 30～40 10 6. 0 4. 97 25 ±0. 5 30～40 3　误差分析 使用负温度系数热敏电阻器进行风速检测时 ,产生误 差的主要原因在于每只热敏电阻器的动态特性不会完全一 致 ,具体表现在多次通电加热达到平衡点后 ,在吹风降温过 程中 ,其阻值的变化存在一定的分散性 ;即使是同一个热敏 电阻器在多次重复测试时其伏安特性、阻温曲线也会有些 微小差异。产生测量误差的其他因素 ,如 ,实验电路、风速 计、电压表等现场实验测试设备本身的精度等级 ,以及环境 变化、操作不规范等因素都可能对测量精度造成一些不利 影响。 4　结束语 与其他风速检测传感器相比较 ,采用负温度系数热敏 电阻器作为探头的风速传感器结构简单、使用方便、价格低 廉。除单独使用外 ,由于其输出信号符合标准 ,也可以与计 算机或其他仪器连接使用 ,进一步完善后 ,有望实现产品化 并得以推广应用。 参考文献 : [ 1 ]　中国电子学会敏感技术分会 ,北京电子学会. 2000 /2001传感 器与执行器大全 (年卷 ) [M ]. 北京 :电子工业出版社 , 2001. 103 - 111. [ 2 ]　洪水棕. 现代测试技术 [M ]. 上海 :上海交通大学出版社 , 2002. 93 - 97. [ 3 ]　欧阳惠斌 ,唐耀庚 ,高　嵩. 一种新颖的电阻式多功能空气湿 度计 [ J ]. 传感器技术 , 2004, 23 (9) : 45 - 49. 作者简介 : 马庆华 (1947 - ) ,男 ,河南郑州人 ,郑州轻工业学院高级工程 师 ,主要从事计算机、PLC自动控制方面的研究。 26