20世纪90年代，气流倾斜度传感器得到了广泛应用。气流倾角传感器的传感质量为气体，惯性小，且具有抗冲击、响应时间短的特点，可用于工业姿态控制系统。然而，几乎所有的换能器都存在温度漂移的问题，即灵敏度和零电压随温度漂移。气流倾角传感器的敏感介质为气体，敏感元件感知传感器内部热源与环境温度的差异所引起的流场温度变化。为了解决温度变化的问题，从硬件和软件两个方面对现有的方法进行了补偿。但现有的方法基本上是根据变化规律在漂移后进行补偿，即漂移后进行修正。基于气流倾角传感器的敏感机理，采用粘性流体运动相似定律

从理论上提出了一种利用温度补偿电路消除环境温度阴影噪声的补偿方法，并通过实验进行了验证。

1. 气流倾角传感器的灵敏机理

      气流倾角传感器测量倾斜角的原理如图1所示。热源和两个热元件设置在水平圆柱形封闭腔室中。将灯丝状热源沿腔体轴线放置，在热源两侧放置热敏丝，形成测量桥的两个敏感臂。当传感器水平放置时，两根热丝位于空气流场的同一温度区，桥架平衡，电压输出为零。当传感器倾斜时，水平面以上的热丝处于高温位置，水平面以下的热丝处于低温位置，造成桥架失去平衡，桥架有电位差输出，电压信号与倾斜角度成正比。

2检测电路

      图2为气流倾角传感器的检测电路。R1和R2为两根热丝，R为细电阻，使R = R1 + R2。那么桥接器的输出可以显示为

      式中，VB为桥接电路的供电电压;Vo是电路的输出电压。当传感器倾斜时，两根热敏导线的电阻值一定是一根导线的电阻增大，另一根导线的电阻减小，可以认为两根温度变化的绝对对相等。因此，(R1+R2)基不变，桥的输出由(R1+R2)决定。

图 2 电桥检测电路

      对于常用的铂电阻Pt100有阻值一温度 (R-T )关系式 [4 ] ：

      式中, 是参考温度为零摄氏度下的电阻；一般 国内生产的高纯度铂丝的 a1=0.003926。 式 (2 ) 中 的非线性项很小，因此可以忽略， 即只取

      式中Ta、Tb 分别 表示 R1、R2。 所处位置的温度。 由于两根铂丝长度相同，可设R1（0） =R2（0）=R（0），故两热敏丝的电阻差值可写为

       将式 (5) 代入式 (1 ) ，可得电桥输出电压和两热敏丝温度差之间的关系为

       由式(6)可知，电桥的输出电压由两根热敏导线之间的温差决定。如果环境温度不同，则温度场会完全不同，从而使两根热敏导线之间的温差发生变化，电桥的输出电压也会不同，从而影响传感器的输出，产生误差;如果在不同的环境温度下保持温度场相似，则两根热敏导线之间的温度差不会改变，电桥的输出电压也不会改变，即倾角的测量不会随着环境温度的变化而变化。

3补偿方式

       两根热敏丝的温度是由热源形成的温度场决定的，所以两根热敏丝的温差也是由温度场决定的。当环境温度发生变化时，温度场也会发生变化，电桥的输出电压也会发生变化。由图3可知，-20 ~ +30℃试验得到的环境温度倾角为30°。当电桥输出电压。测试结果表明，输出电压随环境温度的变化而变化。当环境温度升高时，环境温度与热源温度之差减小，输出电压减小。

       温度场由传感器内部的热源和环境温度决定。当传感器内部热源与环境温度的温差不变时，从流动相似原理可以看出，温度场相似时，两根热敏导线的温差基本不变，电桥的输出电压也将基本不变。由上述试验可知，电桥输出电压随环境温度的变化是由于传感器内部热源与环境温度之间的温差发生了变化。因此，设计补偿电路来改变热源的温度，使热源与环境温度之间的温差保持不变，并具有最优值。这可以提高气流倾角传感器的性能和应用范围。补偿电路的设计是将热源的电源电压设置为恒压。在热源的电源电路上串联一个热敏电阻。热敏电阻的电阻值随环境温度的变化而变化。因此，当环境温度发生变化时，热源两端的电压也会发生变化，从而可以改变热源的温度。通过合理的计算和设计，可以达到减小温度漂移的目的。

4试验验证

      传感器倾角为30°，热源电压V = 1.85V，桥接电源电压为1.4 V。

4.1电桥输出电压与环境温度的关系

      当环境温度在-20℃~ + 30℃范围内测量时，电桥输出电压如表1所示

表 1 电桥输出电压与环境温度的变化关系

      从表1可以看出，当环境温度变化时(热源温度D不变)，电桥输出电压会发生变化。当环境温度升高时，温度场梯度减小，桥架输出信号减小，桥架输出信号随环境温度几乎呈线性变化。

4. 2测量热源温度变化1℃时的电压调整值

      可以调节环境温度和热源电压以获得近似相同的输出电压信号。当传感器倾角为其他值时，热源电压的调节规律与上述规律一致。

4. 3测试验证

      在环境温度为0、热源电压V= 1.85V、电桥输出电压的条件下，分别对传感器的倾角进行了10°、30°和45°的测试。

表2不调整热源电压时的电桥输出电压

      调整热源电压后桥架输入电压数据如表3所示。热源电压根据环境温度根据式(9)的规律进行调节。从表中数据可以看出，热源电基按式(9)规律调整后，桥架输出电压基本不变，且在传感器倾角分别为10°、30°、45°时，该规律是一致的。

表3调整热源电压后的电桥输出电压

      从上述试验验证的三个传感器倾斜角下的试验结果可以看出，通过改变热源的温度(这里通过调节热源的电压)，保持热源与环境温度的差值不变，可以使桥架的输出电压基本不变。

      试验数据表明，通过调节热源温度，热源与环境温度之差保持不变，即温度场保持相似;桥架的输出电压基本不变，即不随环境温度变化，消除了环境温度变化对气流倾角传感器的影响。

5 结论

(1)通过改变传感器内部热源的温度，保持热源与环境温度的温差不变，使电桥输出电压基本不变。

(2)温度补偿电路能有效消除环境温度对气流倾角传感器的影响。

参考文章:

[1]林宇。气摆姿态传感器原理、结构及性能研究[D]。北京:北京电子科学研究所，2005。

[2]张福学。密闭腔室气流摆动特性研究[j]。电子学报，1999,27(1):1 4 -1 1 4 2。

[3]张福学。自然对流气体摆特性及其在EJ3传感器中的应用中国工程科学，2002,4(8):50-53。

[4]潘文成。一种高精度铂电阻温度测量方法。传感器技术，2003,22 (11):69- 71

[5]胡文旭。铂电阻精密测温研究[J]。陕西师范大学学报(自然科学版)，2000,28(4):59-62。

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