热式智能传感器的设计

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1、智能热式流量传感器的设计胡学海、古天祥电子科技大学自动化学院摘要：本文比较详细的研究了利用高精度片上采集系统设计智能流量传感器的原理及软硬件结构。文中研究了对传感器输出特性曲线进行了线性化补偿、对传感器工作介质进行压力、温度补偿中的关键技术，实现了数字补偿、标度变换、数字滤波、和输出线性化。本文最后分析了实验数据和相应的不确定度。关键字：智能流量传感器、线性化处理、标度变换、数字补偿TheDesignOfIntelligentThermo-FlowingSensorHuXueHai、GuTianXiangAbstract：I

2、nthispaper,itiscarriedouttheresearchonthedesignprincipleofakindofintelligentflowingsensorandit’sstructureofsoftwareandhardware.Ononehandoutputcharacteristiccurvedlineofthesensorisdiscussedtolinearcompensation,ontheotherhand,mediapressureandtemperaturcompensationisa

3、nalysedinthepaper.Itbringaboutdigitalcompensation,standardscalecharge,digitalfilterandoutputlinearization.Moreover,datesofexperimentanderrorofrelativeundefinitudeisanalyed.Keywords：intelligentflowingsensor,linearization,Scalecharge,digitalcompensation中图分类号：TP212.61

4、引言热式气体质量流量传感器是一种重要的气体质量流量传感器。它在航空、航天、能源、医学、汽车工业等各方面都有广泛的应用。国内热式气体质量流量传感器的研究起步较晚，大多数型号还未实现国产化，如汽车电喷系统用气体质量流量传感器，按200万台计算，每年就要耗费国家上亿外汇。该传感器现存的主要问题是：特性曲线非线性；受温度、压力、气体浓度等因素的影响，传统方法难以补偿，因而测量精度较低、线性化差。我们利用微处理机和传感器技术相结合，设计的智能热式气体流量传感器具有线性化处理、标度变换、数字滤波、数字补偿等功能，和数字通讯接口，从而提高

5、了测量精度、易组网联机。该研究成果已成功的应用于国防军事尖端领域。试验表明，本方案和传统方案相比，不仅提高了精度近一倍、还提高了响应速度、可靠性等指标，并使传感器向多功能网络化发展。2基本原理本传感器的工作是基于托马斯流量计原理。如图1所示，将加热器置于被测流体管道中，流体流过时，热源前部温度低于后部温度，保持温度差△t不变，测量功率P，就可以测量出流体的流量，对应计算公式为：q=G×Cp×△t=α×P(1)式中：△t：热源前后测量点的温差，℃G：质量流量，kg/sq：加热器每秒加入流体的热量，WCp：流体比定压热容，J/k

6、g·KP：加热功率，Wα：换热系数R1R2V+V-气体管道热敏电阻1加热器热敏电阻2图1热式流量计的工作原理由于换热系数α和被测流体有关，传感器的特性曲线非线性，流体的温度、压力、气体浓度等因素对流量测量的影响，难以用理论确定，只能依靠试验确定，传统方法采用模拟电路来实现线性化处理及补偿，误差大，难以在线调整，严重影响了测量精度，其精度一般只能达到5%左右。本传感器的精度指标要求为2.5%，传统方案难以满足要求。1传感器的设计3.1硬件设计单片机系统A/D采样信号调理电路敏感电桥被测量模拟输出D/A热源信息接口环境温度测量总

7、线特征码图2智能热式气体流量传感器的硬件结构图本传感器硬件结构如图2。为提高传感器的一致性，可靠性、降低成本，将热源和敏感电桥集成为一体化流量敏感头，利用半导体工艺在单晶硅膜片上采用氧化、腐蚀、扩散、激光修正等方法，直接在硅片上制作。根据计算，选用10位A/D，其误差比要求指标高一个数量级，可满足需要。考虑可靠性高、综合成本低、精度高、调试方便、抗干扰能力强，选用一片ADI公司的ADuC812高精度数据采集片上系统芯片实现A/D、D/A、单片机系统的全部功能。ADuC812包含8通道12-bitSARA/D，无噪声≥14位，

8、速度10KHz；2通道12位D/A，速度15uS；8KE2PROM程序存储器；640字节FlashROM数据存储器；工业标准8052核；精密基准电压源；时钟频率最高16MHz。环境温度测量选用AD公司的半导体数字温度传感器TMP03，PWM输出，工作范围-55℃~+150℃，最大误差1.5