20世紀(jì)90年代，氣流傾斜度傳感器得到了廣泛應(yīng)用。氣流傾角傳感器的傳感質(zhì)量為氣體，慣性小，且具有抗沖擊、響應(yīng)時(shí)間短的特點(diǎn)，可用于工業(yè)姿態(tài)控制系統(tǒng)。然而，幾乎所有的換能器都存在溫度漂移的問題，即靈敏度和零電壓隨溫度漂移。氣流傾角傳感器的敏感介質(zhì)為氣體，敏感元件感知傳感器內(nèi)部熱源與環(huán)境溫度的差異所引起的流場溫度變化。為了解決溫度變化的問題，從硬件和軟件兩個(gè)方面對現(xiàn)有的方法進(jìn)行了補(bǔ)償。但現(xiàn)有的方法基本上是根據(jù)變化規(guī)律在漂移后進(jìn)行補(bǔ)償，即漂移后進(jìn)行修正�；跉饬鲀A角傳感器的敏感機(jī)理，采用粘性流體運(yùn)動(dòng)相似定律

從理論上提出了一種利用溫度補(bǔ)償電路消除環(huán)境溫度陰影噪聲的補(bǔ)償方法，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1. 氣流傾角傳感器的靈敏機(jī)理

氣流傾角傳感器測量傾斜角的原理如圖1所示。熱源和兩個(gè)熱元件設(shè)置在水平圓柱形封閉腔室中。將燈絲狀熱源沿腔體軸線放置，在熱源兩側(cè)放置熱敏絲，形成測量橋的兩個(gè)敏感臂。當(dāng)傳感器水平放置時(shí)，兩根熱絲位于空氣流場的同一溫度區(qū)，橋架平衡，電壓輸出為零。當(dāng)傳感器傾斜時(shí)，水平面以上的熱絲處于高溫位置，水平面以下的熱絲處于低溫位置，造成橋架失去平衡，橋架有電位差輸出，電壓信號與傾斜角度成正比。

2檢測電路

圖2為氣流傾角傳感器的檢測電路。R1和R2為兩根熱絲，R為細(xì)電阻，使R = R1 + R2。那么橋接器的輸出可以顯示為

式中，VB為橋接電路的供電電壓;Vo是電路的輸出電壓。當(dāng)傳感器傾斜時(shí)，兩根熱敏導(dǎo)線的電阻值一定是一根導(dǎo)線的電阻增大，另一根導(dǎo)線的電阻減小，可以認(rèn)為兩根溫度變化的絕對對相等。因此，(R1+R2)基不變，橋的輸出由(R1+R2)決定。

圖 2 電橋檢測電路

對于常用的鉑電阻Pt100有阻值一溫度 (R-T )關(guān)系式 [4 ] ：

式中, 是參考溫度為零攝氏度下的電阻；一般國內(nèi)生產(chǎn)的高純度鉑絲的 a1=0.003926。式 (2 ) 中的非線性項(xiàng)很小，因此可以忽略，即只取

式中Ta、Tb 分別表示 R1、R2。所處位置的溫度。由于兩根鉑絲長度相同，可設(shè)R1（0） =R2（0）=R（0），故兩熱敏絲的電阻差值可寫為

將式 (5) 代入式 (1 ) ，可得電橋輸出電壓和兩熱敏絲溫度差之間的關(guān)系為

由式(6)可知，電橋的輸出電壓由兩根熱敏導(dǎo)線之間的溫差決定。如果環(huán)境溫度不同，則溫度場會完全不同，從而使兩根熱敏導(dǎo)線之間的溫差發(fā)生變化，電橋的輸出電壓也會不同，從而影響傳感器的輸出，產(chǎn)生誤差;如果在不同的環(huán)境溫度下保持溫度場相似，則兩根熱敏導(dǎo)線之間的溫度差不會改變，電橋的輸出電壓也不會改變，即傾角的測量不會隨著環(huán)境溫度的變化而變化。

3補(bǔ)償方式

兩根熱敏絲的溫度是由熱源形成的溫度場決定的，所以兩根熱敏絲的溫差也是由溫度場決定的。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，溫度場也會發(fā)生變化，電橋的輸出電壓也會發(fā)生變化。由圖3可知，-20 ~ +30℃試驗(yàn)得到的環(huán)境溫度傾角為30°。當(dāng)電橋輸出電壓。測試結(jié)果表明，輸出電壓隨環(huán)境溫度的變化而變化。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，環(huán)境溫度與熱源溫度之差減小，輸出電壓減小。

圖 3 傾角30°輸出電壓與環(huán)境溫度的變化關(guān)系

溫度場由傳感器內(nèi)部的熱源和環(huán)境溫度決定。當(dāng)傳感器內(nèi)部熱源與環(huán)境溫度的溫差不變時(shí)，從流動(dòng)相似原理可以看出，溫度場相似時(shí)，兩根熱敏導(dǎo)線的溫差基本不變，電橋的輸出電壓也將基本不變。由上述試驗(yàn)可知，電橋輸出電壓隨環(huán)境溫度的變化是由于傳感器內(nèi)部熱源與環(huán)境溫度之間的溫差發(fā)生了變化。因此，設(shè)計(jì)補(bǔ)償電路來改變熱源的溫度，使熱源與環(huán)境溫度之間的溫差保持不變，并具有最優(yōu)值。這可以提高氣流傾角傳感器的性能和應(yīng)用范圍。補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)是將熱源的電源電壓設(shè)置為恒壓。在熱源的電源電路上串聯(lián)一個(gè)熱敏電阻。熱敏電阻的電阻值隨環(huán)境溫度的變化而變化。因此，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，熱源兩端的電壓也會發(fā)生變化，從而可以改變熱源的溫度。通過合理的計(jì)算和設(shè)計(jì)，可以達(dá)到減小溫度漂移的目的。

4試驗(yàn)驗(yàn)證

傳感器傾角為30°，熱源電壓V = 1.85V，橋接電源電壓為1.4 V。

4.1電橋輸出電壓與環(huán)境溫度的關(guān)系

當(dāng)環(huán)境溫度在-20℃~ + 30℃范圍內(nèi)測量時(shí)，電橋輸出電壓如表1所示

表 1 電橋輸出電壓與環(huán)境溫度的變化關(guān)系

從表1可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)(熱源溫度D不變)，電橋輸出電壓會發(fā)生變化。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，溫度場梯度減小，橋架輸出信號減小，橋架輸出信號隨環(huán)境溫度幾乎呈線性變化。

4. 2測量熱源溫度變化1℃時(shí)的電壓調(diào)整值

可以調(diào)節(jié)環(huán)境溫度和熱源電壓以獲得近似相同的輸出電壓信號。當(dāng)傳感器傾角為其他值時(shí)，熱源電壓的調(diào)節(jié)規(guī)律與上述規(guī)律一致。

4. 3測試驗(yàn)證

在環(huán)境溫度為0、熱源電壓V= 1.85V、電橋輸出電壓的條件下，分別對傳感器的傾角進(jìn)行了10°、30°和45°的測試。

表2不調(diào)整熱源電壓時(shí)的電橋輸出電壓

調(diào)整熱源電壓后橋架輸入電壓數(shù)據(jù)如表3所示。熱源電壓根據(jù)環(huán)境溫度根據(jù)式(9)的規(guī)律進(jìn)行調(diào)節(jié)。從表中數(shù)據(jù)可以看出，熱源電基按式(9)規(guī)律調(diào)整后，橋架輸出電壓基本不變，且在傳感器傾角分別為10°、30°、45°時(shí)，該規(guī)律是一致的。