一种基于薄膜铂电阻的风速测试仪的设计

　　1 引言

　　随着国内外企业生产技术的进步,产品质量控制的需要以及人们对环境要求的提高,对生产现场的风速控制及对产品进行风洞试验的应用越来越多,这就给风速测量提出了更高要求。本文设计了一种基于热线热膜技术的风速测试仪。热线是直径很细的铂丝,热线的几何尺寸小, 响应频率高, 适用于动态测量。热线探头还有一种热膜形式,即用铂制成的金属薄膜。薄膜铂电阻温度传感器具有阻值大、灵敏度高、响应快、精度高和稳定性好等优点,适于风速测量[1]。

　　2 热线式风速测试仪的基本原理

　　热线式传感器的工作原理是利用通电的热线探头在流场中会产生热量损失来进行测量的。热线式传感器是建立在热平衡原理基础上的。根据热平衡原理,热线中的热产生应该等于热耗散即在热线没有热传导的情况下, 加热电流在热线中产生的热量应该等于流体所带走的热量[ 2 ]。在热线电阻不变的情况下, 流体的速度只是电流或电压和热线温度的函数,见式(1)、式(2)[3]。

　　由此可看出,只要固定 I 或 U 和 Tw 这 2 个参数中的任何一个,都可以获得流速W 与另一个参数的单值函数关系。本热线式温度传感器采用的就是恒流法[3]。本测试仪采用了易于购买的通用型薄膜铂电阻Pt100 作为快速响应温度传感器。

　　铂电阻的阻值与温度的关系见式(3)[3]。

　　3 风速测试仪的硬件电路

　　本热膜式风速测试仪电路主要由信号采集、信号放大、A/D 转换、单片机控制、数码管显示、电源电路几部分组成。其工作原理框图见图1。两个薄膜铂电阻接入电桥,一个作为参比桥臂,另一个作为测量桥臂。当风从测量薄膜铂电阻吹过时, 铂电阻温度降低, 电桥失去平衡, 输出一个不平衡的信号, 风速信号转变为电信号,电桥测量电路则将薄膜铂电阻的电阻变化量转换为电桥的不平衡输出, 送入仪表放大器两输入端, 不平衡电压经过放大、滤波,以0~5V 标准电压信号输出。输出信号经A/D 转换进入单片机进行数据处理,处理后数据送至LED 数码管显示测量风速值。

3.1 信号采集电路

　　信号采集电路由恒流源和惠斯通电桥构成。电路原理图见图2。恒流源由三端可调集成稳压器LM317与电阻 R1、R2构成,恒流输出值为

　　3.2 信号放大电路

　　本系统采用了三运放搭建的仪表放大器对电桥输出信号进行放大。电路原理图见图 3 。要求 R7= R8,R9=R10,R11=R12,而且要求严格匹配,三组电阻中任何两个不匹配都会导致共模抑制比(CMRR)的下降。除此之外,影响共模抑制比的因素还有 A1、A2、A3三个运算放大器的匹配精度,三个运放应选取同一生产批次、性能接近的同型号产品,以保证三个运放本身的共模抑制比(CMMR)、开环增益等指标一致[4]。