基于MEMS压差传感器的二维风速计研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 刘成 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2016-06-04 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 赵湛 |
| 关键词 | 二维风速计 压差传感器 微电子机械系统 风速 风向 |
| 学位专业 | 微电子学与固体电子学 |
| 中文摘要 | 将MEMS技术与风速计结合，利用MEMS传感器灵敏度高、尺寸小、重量轻、功耗低的优势，能够使风速计满足新的应用所提出的日益增多的新要求。本文在综述风速测量技术和MEMS测风传感器研究的基础上，从研究阻风圆柱直径两端压强差测风的原理出发，通过归纳实验数据、建立数学模型，开展了对基于MEMS压差传感器的微小型风速计的研究，包括对封装结构和系统集成方案、二维风速计原型机实现和测试、智能测量系统、微型气象站和MEMS压差传感器的研究。本文提出了一种阻风圆柱直径两端压强差分布的数学模型，适用于二维风速矢量的求解。在雷诺数1.61×103~5.72×104范围内，在风洞中测量了阻风圆柱直径两端压强差分布情况，通过分析这一分布的特征，提出阻风圆柱直径两端压强差系数的不变性假设，建立了描述阻风圆柱直径两端压强差分布在一定角度范围内的数学模型。通过对测试数据进行统计分析，提取了出模型的关键参数，进而提出了求解风速风向的方法，并在仿真中验证了这种求解方法的有效性。在阻风圆柱直径两端压强差分布的数学模型的基础上，本文提出了一种二维风速计的封装结构设计和系统集成方案。在封装结构设计中，设计了26 mm直径的阻风圆柱和其上距离45°的8个测压孔，内部管道将这些测压孔连接到压差传感器以测量4条相隔45°的直径的两端压强差。系统集成的方案中，使用高低量程搭配的4组压差传感器，在单片机中综合压差传感器和温湿压传感器的数据，求解风速和风向。在二维风速计封装结构设计和系统集成方案的指导下，实现了二维风速计的原型机。制作完成的原型机高度315 mm，最大直径62 mm，功耗0.5 W。通过合理选择压差传感器，原型机在1~60 m/s风速范围内均获得了较高的测量精确度。在风洞实验中验证了原型机的测量性能。在2~60 m/s风速范围内，风速相对测量误差不超过5%，在1~2 m/s风速范围内满足风速测量误差不超过0.2 m/s；风向测量误差不超过5°。该类原型机无运动部件，体积小，结构简单，对MEMS传感器的敏感部分提供了良好保护。测试了攻角和测压孔直径对二维风速计性能的影响。对原型机做了高低温测试，并在室外试验中验证了其对天气和季节变化的适应能力。在原型机的基础上搭建了智能化测量系统，包括数据处理过程、光纤通信和上位机界面。对二维风速计的封装结构提出一系列改进，实现了小型化，体积大大缩小为直径30 mm、高度100 mm。提出微型气象站的概念和设计，集成蓝牙模块，制作了体积较小的微型气象站原型。提出了微型气象站的新的封装结构设计和系统集成方案，进一步缩小了微型气象站的尺寸。研究了这一设计中所用到的硅压阻式MEMS压差传感器，提出了一种用SOI硅片元件层构成膜片的MEMS压差传感器并制作了样品。同时设计制作了基于PS-09的压阻式传感器测量电路。 |
| 学科主题 | 传感器 ; Sensor |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2016-06-08 |
| 源URL | [http://ir.ie.ac.cn/handle/80137/10772]  |
| 专题 | 电子学研究所_电子所博硕士学位论文_电子所博硕士学位论文_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 刘成. 基于MEMS压差传感器的二维风速计研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2016. |
入库方式： OAI收割
来源：电子学研究所
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