基于复合热膜技术的低风速及湍流测量

宋巍巍, 韩 杰, 陈天毅, 周 平

( 中国空气动力研究与发展中心 设备设计及测试技术研究所， 四川 绵阳 621000)

基于复合热膜技术的低风速及湍流测量

宋巍巍*, 韩 杰, 陈天毅, 周 平

( 中国空气动力研究与发展中心 设备设计及测试技术研究所， 四川 绵阳 621000)

针对复合热膜应用于低风速和湍流强度测量方法进行了研究。风洞在进行低风速测量时普遍存在输出灵敏度不高的问题，采用增加热膜与环境温度差的方法，提高了热膜敏感探头在低速范围的输出灵敏度，实现了2m/s内的风速和湍流准确测量。考虑到气体温度对热膜探头输出信号的影响，对温度补偿方法和补偿电路进行了研究，通过对电路的合理设计，实现了温差的精确控制。对热膜结构、尺寸和器件进行合理匹配，实现了复合热膜敏感探头的微型化设计。采用MEMS技术，通过最大限度减小加热电阻和测量电阻的尺寸，达到了较好的响应频率。测试结果表明，该复合热膜敏感探头可以满足低风速和湍流度的测试需求。

热膜；敏感探头；温度补偿；湍流强度；动态特性

0 引 言

低风速是农业、气象、环境保护、人工小环境等科学研究中的重要研究对象[1-5]。热线测量技术自20世纪60年代以来，一直是流体测速领域的主要技术之一[6]。但热线敏感元件容易断裂、破损和污染，维护成本高，限制了热线风速仪的使用环境。针对以上的热线特性，Ling等人引入了热膜作为研究湍流度的工具，热膜具有不易氧化和损坏，热电特性稳定的特点[7-8]，可在工业环境中长期可靠使用。

在国内风洞试验测试领域，使用热膜进行低风速测试还处在起步阶段，主要原因是热膜风速计在风洞

低风速测试中普遍存在灵敏度较低的问题，影响测试精度。本研究的动因是，在国内某低速风洞进行多点低风速和湍流度阵列测量时，存在热线设备昂贵、维护困难和费用高的问题，无法满足多点测试的需求。为了解决上述问题，针对复合热膜敏感探头和测量电路进行了研究，重点解决了复合热膜敏感探头温度补偿电路和灵敏度较低的问题，实现了风洞低风速的多点高精度测量，且该复合热膜敏感探头具有体积小、价格低和使用安装方便的特点。

1 热膜探头工作原理

热膜探头基于对流换热原理，将热膜探头置于被测气体中，热膜与被测气体之间将进行自然对流换热和强制对流换热。空气静止或流速很低时，空气自然对流传热达到热平衡；当气流流动时，气流与热膜传感器电阻的换热过程以强迫对流的形式为主[9]。换热量与很多因素有关，这些因素包括热膜和气体的温差、气体速度、气体温度、气体组分、气体压力等[10]。在低速风洞中，温差、气体温度、气体组分、气体压力等影响因素基本固定时，对流换热量就与流速呈一定的函数关系，利用这个原理即可进行气体的流速测量。热膜的热交换量和加热量关系如以下公式所示：

(1)

式中：B、C是与自然对流、热传导和热辐射有关的常数；m为与雷诺数有关的系数[11]。当被测介质为组分含量固定的气体时，ρ、λf、η、A和d等系数都是常数，热膜加热元件R0与气流之间的温差(Tf-Ta)由反馈放大器控制而保持恒定，则加热元件的热损失H是气体流速U的单值函数，加热元件R0的热损失H由电能I2R0补充。将加热电能I2R0作为测量输出信号，可以得到气体流速。

2 复合热膜敏感探头结构

复合热膜敏感探头采用 MEMS技术，将硅基片经氧化、溅射、光刻和腐蚀等工艺加工而成，结构组成包括硅基片、空腔、绝缘层、光刻铂电阻和保护层。绝缘层上采用溅射、光刻工艺生成了5个铂电阻，电阻上面覆盖保护层用于保护电阻，结构如图1所示。其中R0为加热电阻，R3用于测量加热电阻的温度，R4用于测量气流温度，R1用于测量加热电阻R0下游气流温度，R2用于测量上游气流温度。电阻区域的面积为 2mm×2mm，薄铂膜电阻厚度为3μm，R0、R1、R2、R3与硅基隔离，可有效减少热惯性，具有较快的热响应速度。

复合热膜敏感探头电路如图2所示。主要由加热电阻、恒温差控制电路、风速测量电路和电源管理电路4个部分组成。

图1 热膜探头结构Fig.1 Structure of hot-film probe

图2 热膜探头电路Fig.2 Circuit of hot-filmprobe

恒温差控制电路由R3、R4、R5、R6、R7组成的电桥进行自动温度补偿，R3用于测量加热电阻R0的温度；R4用于测量气流温度；R5用于控制温差值；R6、R7为固定电阻；R3、R4、R6、R7在0℃时的阻值相同。桥路输出经反馈控制电路放大后给加热电阻R0加温。该电路的特点是当气流温度变化时，加热电阻R0和气流温度的温差不会改变，且温差值只与可调电阻R5的阻值有关，阻值越大温差越大。

风速测量电路由测量电桥和信号调理电路组成。测量电桥由R1、R2、R8、R9组成，常温时电桥各电阻阻值相同，R8用于调节桥路零点，R1用于测量加热电阻R0下游气流温度，R2用于测量上游气流温度；无气流时，R1=R2，桥路输出为0；有正向气流时，R1>R2，桥路输出正信号；有反向气流时，R1

0℃时，电路中电阻阻值如表1所示。

当R5调整到770Ω时，温差设计点为100℃。表2为在不同环境温度下，实测的R3和R4的电阻值，从而计算出在不同环境温度下的实际温差值。高精度的温差控制是保障低风速测试精度的关键。测试结果表明，在不同环境温度下，温差控制精度优于0.3℃，实现了温差的精确控制。

表1 电阻值(0℃)Table 1 Resistance(0℃)

表2 R3和R4电阻的测量值Table 2 Measurement values of R3 and R4

3 试验及分析

为了对复合热膜敏感探头的性能有所了解，采用吹风实验装置进行测试。该装置的基本结构如图3所示。由风机产生一定速度的气流，流速的大小通过变频器调节；风机后面安装一台标准风速仪，该风速仪为丹麦的StreamLine热线风速仪，线性和重复性误差为±0.2%。

图3 实验装置示意图Fig.3 Diagram of test device

复合热膜敏感探头校准过程如下：首先通过风机产生一系列风速，读取标准风速仪对应输出的一系列电压值Yi；读取复合热膜探头对应输出的一系列电压值Xi，对Yi和Xi电压值分3段进行五阶多项式曲线拟合，获取3组复合热膜敏感探头的校准系数a0～a5，b0～b5，c0～c5，写入电路DSP中，曲线拟合公式如式(2)、(3)、(4)所示。

(2)

(3)

(4)

吹风实验装置测量管道经过空气动力学设计和精密加工而成，保证了流场特性的完全一致。经测定，常温常压下，气流速度和风机转速的关系为：

(5)

式中：f为风机转速，U为气流速度。图4为R5=984Ω，热膜与气流温差为 128℃时的吹风实验原始数据，横轴为风机转速，纵轴为复合热膜敏感探头输出信号。由图4可以看出，输出信号和式(1)的相关性非常好；随着速度的增加，湍流强度也随着增加；在风速为2m/s时，风速仪约有2.2V的电压输出。

图4 吹风实验数据Fig.4 Data of test

通过调整R5 的阻值可以改变复合热膜敏感探头的输出灵敏度，使得热膜敏感探头分别工作在5个不同的工作点，如表3所示。不同工作点的测试结果如图5所示，可以看出，热膜与气流温差越大，低流速下的灵敏度越高。当温差达到248℃时，在风速为2m/s时，热膜敏感探头约有3.5V的电压输出，灵敏度达到0.01m/s。

表3 在5个工作点的不同参数Table 3 Different parameters at five working points

图5 不同工作点的输出曲线Fig.5 Output curves for different working points

调节风机频率1～50Hz，对应风速范围0～4.8m/s,将复合热膜敏感探头与标准风速仪在同一风速下测量的电压值进行对比[12]，数据如表4所示，曲线如图6所示。由测试数据可见，在每一个风速点，复合热膜敏感探头输出的电压值精度都可达到标准风速仪电压输出值的±0.5%以内。实际风速测试数据对比见表5，由测试数据可见，在风速低于2m/s时，复合热膜敏感探头与标准风速仪风速测试值差值在±0.01m/s以内。在风速高于2m/s时，由于复合热膜敏感探头灵敏度有所降低，两者风速测试差值在±0.03m/s以内。由此可见，复合热膜敏感探头更适合于进行低风速测量。

表4 输出电压对比Table 4 Comparision of the output voltages

图6 输出电压比较曲线Fig.6 Comparision of the voltages curve

通过快速开关吹风实验装置的快速阀，还测试了复合热膜敏感探头的频率响应特性。已知标准风速仪的频响为10kHz，曲线的频率响应主要受到吹风装置的频率响应特性限制。经测试，实验装置气流建立时间约为2ms，关断时间约为1ms。测试结果如图7所示，其中红色为标准风速仪的响应曲线，蓝色为复合热膜敏感探头的响应曲线，由图7可见，2个风速仪上升下降基本同步，上升时间约为2ms。受实验装置的限制，开关快速阀时空气流量实际幅值变化很大，考虑到风洞湍流实际幅值变化的特点，幅值一般为风速值的千分之一左右，估算热膜探头至少可以达到2kHz的频率响应，可用于低速风洞2kHz内的湍流强度测量。

表5 风速对比Table 5 Comparision of the air velocities

图7 动态响应曲线Fig.7 Dynamic response curve

4 结 论

重点对复合热膜敏感探头温度补偿方法和补偿电路进行了研究，解决了复合热膜敏感探头在进行低风速测试时温差的精确控制，实现了低风速的高精度测试，在低风速下，电压测试精度可达0.5%，风速测试精度可达±0.01m/s。

对提高复合热膜敏感探头输出灵敏度方法进行了研究，输出信号不随气流温度变化而改变，具有输出灵敏度可调的特点。在不同风速，可根据需要选用不同的灵敏度。在低风速测试时，通过调解R5提高温差，提高低风速测试的灵敏度；在需要高速测量时，通过调解R5降低温差，提高高风速测试的灵敏度。在2m/s的低流速下，最高可输出3.5V电压，灵敏度达到0.01m/s，实现了较高的灵敏度。

采用MEMS技术，通过最大限度减小加热电阻和测量电阻的体积，达到较好的响应频率。

解决了复合热膜敏感探头体积过大，使用不方便的问题。热膜探头尺寸仅为为2mm×2mm，对风洞流场的影响微乎其微；后端调理电路部分尺寸为3cm×4cm，实现了复合热膜探头的微型化设计。

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(编辑：张巧芸)

Low speed and turbulence measurements based on composite hot-film technology

Song Weiwei*, Han Jie, Chen Tianyi, Zhou Ping

(Facility Design and Instrumentation Institute， China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang Sichuan 621000， China)

The paper studies the composite hot-film test method used to measure the air velocity and turbulence at low speed. The output sensitivity of the air velocity measurement is generally low in wind tunnel tests. In order to improve the sensitivity of the hot-film sensitive probe when the velocity is very slow, the temperature difference between the hot-film and the airflow is enhanced. The velocity and turbulence of the low speed airflow can be accurately measured even when it is under 2m/s. In order to correct the output of the hot-film sensitive probe influenced by the gas temperature, the methods of temperature compensation and compensation circuit are studied. A special circuit is designed to obtain the accurate control of temperature difference. By matching the structune, size and components of the hot film reasonably, the hot film sensitive probe is miniaturized. Using the MEMS technology, good frequency response of the probe is achieved by reducing the size of the thermal resistances and measurement resistances. Test results show that the composite hot-film sensitive probe can satisfy the requirement of the low speed and turbulence measurement.

hot-film；sensitive probe；temperature compensation；turbulent intensity；dynamic characteristics

1672-9897(2015)04-0070-05

10.11729/syltlx20140134

2014-11-26 ;

2015-02-27

SongWW，HanJ，ChenTY,etal.Lowspeedandturbulencemeasurementsbasedoncompositehot-filmtechnology.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(4): 70-74. 宋巍巍, 韩 杰, 陈天毅, 等. 基于复合热膜技术的低风速及湍流测量. 实验流体力学, 2015, 29(4): 70-74.

TH815

A

宋巍巍(1972-)，女，辽宁丹东人，高级工程师。研究方向：风洞自动化测试技术。通信地址：四川省绵阳市二环路南段6号(621000)。E-mail:songvv@mail.ustc.edu.cn

*通信作者 E-mail: songvv@mail.ustc.edu.cn