家用电器风压传感器的优化设计

黄鸿益 张小兰

（1.广东万和热能科技有限公司 佛山 528300；2.海信家电集团股份有限公司 佛山 528300）

前言

目前，家电市场上销售的燃气热水器、抽油烟机、空气净化器等带有风机的产品，均需使用到风压开关这一关键零部件，用于检测设备的进排气装置是否处于正常工作状态。风压开关是通过气体压强产生的压力，作用在压力膜上，使压力膜产生形变，推动微动开关动作以实现信号的通断检测。这种风压检测方式，只能输出数字信号0 或1，不能准确输出风压大小，风机的转速无法根据风压的大小进行反馈调节。且微动开关属于机械开关，存在动作行程、装配误差、触发弹簧弹力不一致等原因，导致风压开关存在个体差异性大、测量精度低、故障率高等问题[1]。而且由风机产生的风压相对较低，燃气热水器风机产生的最大风压约为200 Pa，而现有的风压传感器的大部分量程较高约（10 ～300）kPa，无法满足小量程的测量需求[2]。

为此，本文设计了一种风压传感器，在现有风压开关的基础上，将微动开关替换为红外测距传感器，通过使用非接触的红外测距方式检测压力膜的形变量，根据形变量换算出风压信息，并使用最小二乘法对传感器输出值进行温度补偿，有效提高了信号检测精度，同时降低了传感器个体差异和故障率。

1 传感器的整体结构

本文设计的风压传感器，其中包括控制板、控制板固定座、传感器壳体和压力膜，控制板通过固定座安装固定于壳体的外侧。传感器壳体设有气腔、负压检测口和正压检测口，负压检测口和正压检测口分别与气腔连通，传感器壳体的一端开设有与气腔连通的第一通孔，压力膜的周缘与第一通孔的周缘密封贴合，压力膜的一面设有凸块；控制板上设有红外测距模块及相应的控制电路，红外测距模块测量凸块与传感器之间的距离。

待测空气通过负压检测口或正压检测口与气腔连通，控制板控制红外测距电路的红外发射端发射红外线。当气体压强作用在压力膜上，压力膜产生弹性形变，凸块与红外发射端之间距离也随之发生变化，凸块反射的红外线强度也不同，红外接收端接收凸块反射回来的红外线，根据接收红外线的强度输出对相应电压的信号至控制板单片机，使用单片机的AD 转换功能将电压信号转换成AD 值输出，进而换算出压力膜的形变量。

压力膜可以理解为劲度系数为 K 的弹簧，当其压缩或拉伸的距离（形变量）为Δx时，所产生的压力或拉力为：

而气体压强 P 作用在压力膜面积 s 的区域内，产生的压力为：

当压力膜所受的压力/拉力和风压产生的压力平衡后，必然满足：

由此可得：

根据公式（4），就可以通过压力膜的形变量，计算出风压。

风压传感器设有调节组件，其中包括调节弹簧、调节螺钉、调节板、及密封帽。壳体另一端的第二通孔与气腔连通；调节板设于气腔内，且一面设有调节凸头，调节凸头与压力膜接触抵靠；调节弹簧一端与调节螺钉接触抵靠，另一端伸入第二通孔与调节板的另一面接触抵靠，调节螺钉设于第二通孔内并与壳体的内壁螺纹配合以调整调节弹簧的伸缩量；密封帽盖设于第二通孔并安装固定于壳体的外侧避免泄压；该设计的目的是，全部风压传感器在出厂前，可以通过调整调节螺丝，微调压力膜的张紧力来调节红外传感器与凸块的距离，保证风压传感器的出厂一致性，降低传感器个体差异。

2 传感器控制板设计

3.1 红外测距对管选择

目前市面上的普通的红外对管的测量距离为（2 ～20）cm 的范围之间，受限于风压传感器的体积问题，无法使用这种红外对管，因此，选择了测量范围为（0.5 ～4）mm 的特殊红外对管T4642PTIRM3B。该红外对管在保证传感器测量精度的同时，大大缩小了红外对管的体积。如图2 为红外对管测量距离与输出信号的关系曲线。红外接收管的接收红外线的有效波长范围约为（900 ～1 000）nm，由图3 可知，当波长约为940 nm 时，传感器的灵敏度最高。

图1 传感器内部结构爆炸图

图2 传感器灵敏度曲线

图3 接收波长灵敏度曲线

图4 红外对管应用电路

2.2 电路设计

红外测距对管包含一个红外发射二极管和一个红外接收管，其中发射管发射红外光，接收管接收被测物体表面反射回来的红外线。红外接收管实际上是一个光敏三极管，它的电流受外部光照控制，是一种半导体光电器件。光敏三极管是一种相当于在三极管的基极和集电极之间接入一只光电二极管的三极管，光电二极管的电流相当于三极管的基极电流。

如图5，VCC 电源输入经过R1 限流电阻限制电流后，经过稳压二极管输出稳定的2 V 电压，给红外对管中的红外发射二极管供电，使其发射波长约为940 nm 的红外光。红外接收管的集电极连接至VCC 电源输入，发射极Out 为传感器的信号输出端，输出模拟的电压信号。将Out 端连接至单片机的AD 采样口，通过单片机的模数转换功能，即可读取红外接收管的输出电压，从而计算出压力膜的形变量。

图5 温度采样电路

2.3 软件温度补偿

风压传感器控制板中设有温度采样电路，用于采集气腔内的温度，使用热敏电阻温度探头作为温度传感器，探头设于壳体气腔内，这样设置的目的是，压力膜的材质为硅胶，在不同的工作环境温度下，其劲度系数 K 会发生变化，导致通入相同风压的测试条件下，压力膜的形变量会有所不同，导致风压传感器输出风压值大小会出现偏差（即温度漂移）。

为了消除或者减少这种温度误差，可以利用最小二乘法进行曲线拟合，最终达到或接近理论压力输出值。在同一温度下，不同风压的实际值和传感器的测量值之间严格意义上是一种非线性关系，但是由于这种误差值相对不大，可以近似的认为是一种线性关系[4]，即公式（5）。

式中：

x—未校准的风压值；

y—风压实际值。

通过最小二乘法进行线性拟合，可以得出参数 m 和n 的值。而在不同的温度下，所拟合出来的 m 和 n 的值是随着温度的变化而变化的，因此需要找出温度分别和m 、 n 之间的关系。为此同样可以根据最小二乘法再次进行曲线拟合，从而得出温度分别和 m 、n 之间的函数关系。

式中：

T—气腔内的温度。

单片机只要测得气腔内的温度，代入公式（6）和公式（7）分别求出 m 和 n的值，再测得红外接收管的输出值，代入公式（5），便可求得此时的风压。

3 应用实例

使用交流风机型燃气热水器进行测试，安装1 米长排烟管（排烟管无弯曲），热水器电源线直接连接到变频电源上，接通电源。通过变频电源调节热水器输入电压（通过调节电压，实现稳定调节风压的目的），测试风压传感器的测量值与标准设备的测量值之间的差距，测试数据见表 1 和图 6。

从表1 及图6 例中可以看出，各个传感器的输出值与风压实际值误差均控制在±2 Pa 以内，且各个传感器的之间的输出值无明显差异，一致性较高。

表1 5 个传感器在不同电压下的测试值

图6 5 个传感器在不同电压下的测试值

4 结语

本文提出了一种风压传感器的设计方法，通过使用非接触式的红外测距对管，检测风压传感器的压力膜形变量，风压测量过程无需机械式微动开关，使用非接触式测量、能有效地提高信号检测的准确度、灵敏度，降低信号检测的故障率，出厂一致性较高，后续若要改变传感器量程，可以通过更换不同劲度系数的压力膜，得到不同量程的传感器。可以应用在抽油烟机、燃气热水器、空气净化器等带有风机的家电产品上，值得推广与应用。