热式流速传感器调研报告书.docx
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热式流速传感器调研报告书
热式流速传感器技术调研报告
学院：
制造科学与工程学院
姓名：
谢焯俊
学号：
2014141411221
上课时间：
周二下午7-9小节
摘要：
本文系统介绍了出现于20世纪20年代并发展至今的热式流速测量法以及相应的多种传感器原理、结构、制造工艺、应用、控制、性能、发展历程、现状和趋势，并对此类流速传感器现存问题开展了简单的讨论。
关键词：
流速流向测量热线/膜式流速传感器热导式流速传感器热脉冲式流速传感器
长期以来，流体流速、流量的监测一直是人类工业生产与科学技术发展过程中非常重要的领域之一。
流速传感器，是一种能够探测流体流动速率（部分可同时探测速度矢量）的装置，现流体流速传感器已经被广泛地应用在：
1）汽车工业，用于检测进入发动机的空气量，为汽车发动机提供准确的喷油量，充分发挥发动机效能降低环境污染节约燃油[1][2]。
2）航天工业，用于风洞试验中检测航天器的空气动力学特性从而指导工程师调整航天器的气动布局等空气动力结构，实现航天器设计的优化，同时也应用于航天推进器的燃油供给控制，实现了推进器效能的优化[3]。
3）燃气控制，用于电厂锅炉空气给入量与煤的比例控制，民用、工业现场的天然气、液化气、煤气、烷类等可燃气体的流量监控，燃汽轮机氢气质量流量监控等[4]。
4）医疗监控，用于呼吸功能测量，为呼吸疾病的诊断和治疗提供医学依据[5][6]。
5）工业监控，应用于化学、石化、食品等流程工业实验性装置，如液化气流量监测，高压泵流量控制反馈，药液配比系统定流量配比控制，直接液化气态计量后气化供给工业流程或商业销售[4]。
6）建筑环境监控，用于空调室内空气质量与通风节能的最优化控制[4]。
7）科学研究，应用于流体力学，水力学，空气动力学，气象科学，环境保护学以及生态学等科学研究中充当了一种先进
的科学仪器[3][7][8][9]。
可见，流速传感器在许多涉及流体的领域都发挥了非常重要的作用。
在人类对流体状态两千多年的探索[10]中也逐步形成了多种测量流体流动速度的优秀方法。
不同测量方式用到的传感器也有多种形式，如机械式风速传感器（风杯、螺旋桨）、皮托管风速仪（动静压）、热式流速传感器、超声波测速仪、多普勒测速仪、粒子成像测速仪等，不同的传感器有各自的适用场合和流速范围[11]。
热式测速法则利用了流体热传导以及强迫对流冷却的方式实现了热学量与流体速度的相互转化，实现了通过控制与测量与温度有关的物理量来间接地测量流体的流速。
热式测速传感器经过百年的发展已经在一定的流速范围内趋于成熟，在发展的过程中出现了三种主要的热式传感器类型，分别是[12]:
1）热线式（冷却）流速传感器.
2）热导（热膜）式流速传感器.
3）热脉冲式（time-of-flight）流速传感器.
与此同时，基于这三种基本原理开发的具有流速矢量检测功能的新型热式流速传感器也在不断发展中。
鉴于热式流速传感器普遍具有精度高（0.1mm/s）、反应迅速（1.5ms）、结构简单紧凑且无运动部件、抗振动、耐高温、体积小（mm量级）、重量轻、可高度集成化IC、CMOS、MEMS工艺可用等优点，现已被广泛应用到上述应用中，同时也成为了各国研究人员研究的热点。
本文将详细介绍以上三种热式流速传感器的原理、结构、性能、制造工艺、发展历程与未来趋势，同时对目前热式传感器存在的问题开展简单的讨论。
一、流体的一些特性
1、流体的粘滞性与边界层效应
当液体处在运动状态时，若液体质点之间存在着相对运动，则质点间要产生内摩擦力抵抗其相对运动，这种性质称为液体的粘滞性。
[30]
通常用流体速度相同的层与层之间的切应力大小来描述流体的粘滞力大小，如下切应力（粘滞力）公式：
其中，η为随流体种类不同而不同的比例系数，称为动力粘度。
两流层间流速增加与其距离的比值
又称为流速梯度。
图1-1（层流绕无攻角壁面流动时的流速分布）
粘滞力普遍存在于常规流体中。
由于流体的这种粘滞性，可以解释上图现象，即紧贴固体壁面的流体流速为零，其他流层的流速随着该层流体距离固体壁面法向距离的增大而增大，最终恢复到自由来流的流速大小。
边界层是高雷诺数绕流中紧贴物面的
粘性力不可忽略的流动薄层，通常认为是从壁面开始，沿法线方向至速度与自由流速度U相等（严格地说是等于0.990U或0.995U）的位置之间的流层，边界层又称流动边界层、附面层。
2、雷诺数、层流与湍流
1883年，雷诺（Reynolds）曾用试验揭示了实际液体运动存在的两种型态即层流和湍流（也称紊流）的不同本质。
图1-2（雷诺实验装置）
图1-3（雷诺实验结果区分层流与湍流）
雷诺实验的结果，发现临界流速与液体的密度，动力粘度及管径都有密切关系，并提出液体型态可用下列量纲一的数来判断：
Re即为雷诺数。
运动粘度
。
判断流体型态，以下临界雷诺数Recr为标准：
实际雷诺数大于下临界雷诺数时就是湍流，小于下临界雷诺数时一定是层流（下临界雷诺数Recr为流体从湍流转变为层流临界点处的雷诺数，与之对应的上临界雷诺数Recr’则是流体从层流转变为湍流临界点处的雷诺数，通常Recr’>Recr且Recr’极不稳定）。
[30]
图1-4（不同雷诺数下流体中圆柱体尾流的湍流型态）
湍流的基本特征是许许多多大小不等的涡体相互混掺着前进，它们的位置、型态、流速都在时刻不断地变化着[30]。
图1-5（相同雷诺数，不同攻角下的翼面湍流）
由于湍流广泛存在于各种流体中，对工程设计与实践都有不可忽略的巨大影响，同时湍流又具有极大的不确定性，给相关的数学建模与数学分析带来了很大的困难，因此对湍流的研究一直是流体力学领域中的重点和难点，人们一直在探寻一种能够全面描述湍流现象的流体力学模型，而在其中热式传感器发挥了不可忽视的重要作用。
二、热式流速传感器的发展
20世纪初期，英国人首先完成了热线用于流场测量的原理性实验，随后McGill大学的L.V.King提出了无限长线和流体之间的热对流理论，他研究了热线散失的热量Qd与流体速度v，以及热线与流体之间的温度差△T=（Tw-Tf）（通常为20℃到80℃）几个量之间的关系，给出了具体的表达式
式中ρ为流体密度，A、B为特定系数，它们实际上反映了热线式风速传感器本身的热学特性和被测流体热学特性的影响，在传感器的设计过程中需要通过对传感器原型进行标准流速实验来测定A、B的值。
因为热线的发热功率为
，根据基本的能量守恒定律可知
，最终可以得到热线测流速的原理方程：
King表达式被大家普遍采纳，从此多国研究人员开始对热线进行实验性研究[4]。
最早发明的热式气体质量流量传感器是热线式气体流量传感器，利用放在流场中具有加热电流的细金属丝与流体发生强迫对流冷却来测量流体的流速、流量，因具有连续测量的特点使其在很长一段时间内具有难以替代的优势。
图2-1（热线式探头的核心是红圈内的超细金属丝）
但由于热线式气体流量传感器受多个参量的影响，存在着交叉灵敏度，这影响它的稳定性以及灵敏度，同时热线式传感器测量的流量与其输出电信号的对应关系是非线性的，要进行补偿。
到了近几十年，由于电子技术的飞速发展，各种补偿技术不断提高，使热线式流量传感器的精度大大提高，测量范围扩大，目前已在低速、亚声速、跨声速和低超声速流场测量中得到了广泛应用。
虽然如此，热线式传感器仍旧存在许多问题，首先热线的一致性很差，难以进行批量生产；其次，当测低速流体时，热紊乱很大，严重影响其低速测量精度；热线的抗污染腐蚀能力差，价格高，易损坏；利用热线测量流速时会有较大的电子噪声，导致它的相应速度下降等等的因素限制了它的进一步发展。
为克服热线探头以上的种种缺陷，Ling等人于1956年引入了热膜探头作为湍流研究的工具。
而在1992年，MarkSheplak采用铱作为热膜材料、蓝宝石作为衬底研制出了“狗骨头”型热膜式锲型衬底热膜探头原型。
图2-2（初期热膜式探头结构）
图2-3（“狗骨头”式热膜传感器结构，pad是热平板，测量时流体流速与sensor平行）
伴随着微电子加工技术发展以及MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystem）技术的兴起，热膜式气体质量流量传感器成为新的研究焦点。
热膜式气体质量流量传感器作为热线式气体质量流量传感器的改进产品，采用硅微机械加工技术制成，具有体积小、成本低、稳定性好、兼容性强、精确度高、功耗低、响应时间短等特点[13]。
而到了现在，热式传感器已经发展到了相当成熟的阶段，同时基于热对流原理的流速传感器新技术也仍在不断涌现。
荷兰Delft大学提出了基于分时Sigma2delta调制技术的热风向风速传感器完全基于标准的IC工艺，加工技术和传感器测量工作时全部使用CMOS技术，高度集成化提高了传感器的机械强度以及电路集成能力。
瑞士苏黎世ETH物理电子学实验室也进行了另外一种形式的研究，他们的传感器基于标准CMOS工艺，可以测量0-38m/s的风速，整个功耗只有2mW。
密西根大学应用多个传感器集成的方法，对热风速计进行了探讨，并对这一类传感器的发展产生了重大的影响。
韩国KyungpookNationalUniversity基于MEMS工艺研制了悬浮膜的热膜式风速传感器，传感器测量的最大风速可达到25m/s[11]。
Itoetal.通过在铂电阻丝上加装碳纳米管提高了铂丝与流体之间的导热率，实现了传感器灵敏度的提高[14]。
日本FumioYOSHINO等人，利用由3根热线构成的三维热线式测速探头对湍流开展了系统的研究[8]。
目前风速传感器主要朝高度集成化、智能化、多功能化、数字化、网络化、自适应化发展[11]。
三、热线（冷却）式流速传感器
图3-1（热线式流速传感器原理——热耗散）
热线式（Hot-wire）流速传感器，又称冷却式流速传感器，泛指利用对流冷却原理测速的传感器。
图3-2（热线式流速传感器原理）
此类流速传感器的核心部件是一根放置于流场中通有加热电流的细金属丝，当相对温度较低的流体绕金属丝流动时通过热传导与强迫对流迫使金属丝降温冷却，利用电路检测金属丝的电阻、电压降、电流从而控制金属丝的发热功率、热电阻（间接控制温度）、电压降、电流大小等电学量，利用不同流速下对应的电学量大小来反映流速大小。
图3-3（最简单的热线流速传感器探头）
制作热线、热膜使用的材料通常为具有电阻温度系数很高的铂、钨、铂铑合金，将上述金属拉制成非常细（1-10um）而短（0.2-3mm）的金属丝，在其上再溅射一层极薄（0.5-2um）的石英膜绝缘保护层，最后将该金属丝固定于两根纤细的镍合金支杆端点处悬空拉直，热线式传感器的核心部件就完成了[4][15]。
图3-4（用镍电阻丝盘绕布置成桥式布局的热线、膜式流速传感器在标准流场中进行标定）[16]
还有的则用一片很薄（厚度<0.1um）的金属薄膜或铂丝筛网替代金属丝，并只在一个面上与流经该表面的流体接触同样能够达到冷却测速的效果，这就构成了广义上的热膜式（Hot-film）传感器[4]。
图3-5（Hot-film传感器表面的对流冷却）
利用IC或MEMS工艺，可将热线式流速传感器集成在很小的一块硅晶片上，制成具有很高灵敏度与反应速度的热式流速传感器。
图3-6（MEMS工艺制作的铂丝热线式流速传感器）
Baileyetal.成功制作了一个纳米级的Pt热线式流速传感器，其尺寸仅有100nmx2umx60um（如图3-6）[16]。
图3-7（Malley等利用MEMS工艺所制作的热膜式流量计）[17]
热线式流速传感器除普通的单线式外，还可以是组合的双线式或三线式，用以测量各个方向的速度分量。
从热线输出的电信号，经放大、补偿和数字化后输入计算机，可提高测量精度，自动完成数据后处理过程，扩大测速功能，如同时完成瞬时值和时均值、合速度和分速度、湍流度和其他湍流参数的测量。
图3-8（多线热线探头可应用于不同场合中）
热线传感器与其他流速传感器相比，具有探头体积小，对流场干扰小；响应快，能测量非定常流速；能测量很低的流速等优点。
在低速情况下热线传感器测量的流速分辨率可达0.01m/s，因此可以用于测量各种风速，尤其在低风速测量中有着不可替代的作用。
而在高速（v>0.2Ma）流场中，热线式通过改变其测量电路的控制模式也可以具有较好的测量效果，但是由于卡门涡街的存在，传感器的热线将发生振动、应力变化等问题、绕流流场性质将发变化，对测量造成很大的影响。
现各国研究人员主要在开发新型焊接技术以及提高热线的自然频率等方面入手探寻解决此类高速流场问题的新方法[13]。
图3-9（卡门涡街——流体绕过非流线形物体时，物体尾流左右两侧产生的成对的、交替排列的、旋转方向相反的具有周期性的反对称涡旋）
在电路控制方面，线热膜式流速传感器的主流工作模式分为三种：
恒温差型风速仪CTA（ConstantTemperatureAnemometry）、恒流型风速仪CCA（ConstantCurrentAnemometry）、恒压型风速仪CVA（ConstantVoltageAnemometry）（又有说CCA与CVA都为恒功率风速仪CPA），三类模式均利用平衡电桥电桥对上述金属丝电学量的微小变化进行监控，以实现不同的控制方案，得到相应的测量结果[13][14][15]。
图3-10（CCA控制响应曲线示意图）
图3-11（CTA与CVA控制响应曲线示意图）
此外，还有一种老式的热线式流速传感器——旁热式传感器。
图3-12（旁热式控制原理图）
它利用热电偶对流体温度与以恒定功率发热的定阻金属丝的温度进行测量，利用温度差换算出流体速度的大小，由于其结构较复杂，此类热线传感器现在运用得很少了[18]。
这里提到的三种主流的控制方案（CTA、CCA、CVA）均有各自的特点，在这里逐一介绍。
1）CCA控制电路
图3-13（恒流型热式流速传感器控制电路）
如图，CCA电路的主要组成部分为，惠斯通电桥＋线性补偿网络，其中Rw为热线探头，电路使得Iw保持不变，当风速U变化时，电阻Rw改变，其两端电压也随之发生变化。
根据对发热功率等于热耗散功率的原理运用king公式即可得出热线的工作温度Tw，从而实现风速的测量[13]。
CCA电路结构简单，在热滞后得到补偿的条件下，其传输方程独立于过热比，具有噪声修复能力，在极低的过热比条件下，频带和温度灵敏度高，因此CCA在高速可压缩流中得到了很好的应用，但由于CCA电路工作于开环方式，必须根据工作点的不同手动调节补偿网络来获得高的通频带，过程繁琐费时[13]。
此外，由于探针的温度在不断变化，测量流速时探针的温度敏感性与流体的特性也需要纳入考虑范围，这将导致传感器灵敏度难以保证，同时传感器的反应速度也会因为探针本身存在热容量而受到限制[14]。
而CCA的开环控制也导致了金属丝在低速情况下易因温度过高而烧坏[15]。
2）CTA控制电路
图3-14（恒温差式流速传感器控制电路）
图3-15（另一种使用了二极管的CTA电路，因Df具有稳定的压降，使得电桥的稳定性及灵敏度得到提高）[14]
CCA开环的结构对其带来了不少缺陷，而CTA与CCA最大的不同就是在CCA的基础上加入了一个运算放大器反馈网络。
如图3-15所示，热线/热膜的温度Tw（阻值Rw）保持不变，利用热平衡原理，当风速v变化时，电流Iw改变，因此两端电压也随之发生变化。
其中Rw通过设定热线工作过热比确定。
其反馈流程可表示为：
由于该反馈网络的存在，CTA式控制具有主动快速调节的能力，使得传感器的热滞后效应很小,频率响应很宽,反应快速,而恒流风速计则不具备上述特点，因此CTA控制在目前市面上大部分的热线式流速仪中得到了广泛的应用。
图3-16（某种CTA热膜式流速仪的测速拟合曲线）
然而当将CTA应用在高速流场中时情况却有不同，由于流体速度过高（v>0.2Ma）CTA式控制的传输方程将收到过热比影响，在低过热比情况下，频率响应衰减严重、总温灵敏度过低，本质上不适合与温度相关的湍流场测量；频响随热线雷诺数的降低而变差；不具有噪声修复能力；在高频状态下，寄生电路易使整个系统振荡。
但其传输方程易于线性化，频响调节简便，通过反馈回路可以实现自动补偿。
目前,国内外广泛应用的热线热膜测试系统都是基于CTA模式设计的。
在低过热比条件下只针对总温进行测量时，CCA能获得更高的精度；在高过热比下只针对质量流量测量时，CTA则更快速、更适合[13]。
3）CVA控制电路
图3-17（恒流型热式流速传感器控制电路）
经过几十年的发展，CCA和CTA在高超声速流场测量中已经得到应用，但是在带宽、灵敏度和信噪比方面,还存在不足。
为此，1991年Sarma提出了CVA控制原理，其原理电路如图3-17所示。
T型电阻网络中的可实现高增益反馈,有效地减少了高增益放大器的噪声。
可通过实时测量电路中的Eo和Ew来确定热线的工作电阻。
其反馈流程可表示为：
试验研究表明：
CVA时间常数小；噪声抑制能力强；在较大过热比范围内频率带宽高、不受过热比和雷诺数影响。
这些特性决定了CVA更适合于高超声速流场测量，并已得到很好应用[13]。
综上所述：
在高速流测量中，与CCA和CTA相比，CVA在时间常数、频带及噪声抑制能力等方面更具优势，是高超声速流场测量的理想选择。
而在低速情况下，CTA则具有不可替代的优势。
四、热导（热膜）式流速传感器
图4-1（热导式流速传感器原理——热传导）
热导流速传感器，因通常制作成薄片状镶嵌于平板上因此又称热膜式流速传感器，泛指利用热传导效应对流体进行测速的传感器。
[16]
该类传感器利用流体掠过固体平面时产生的热边界层（图4-2）进行热传递以在传感器的测速面上方流体薄层中形成不均匀分布的温度（图4-3）。
随后利用热电偶组成的热电堆[19][20]或者热敏电阻测量两固定点之间的温差实现流速的测量。
图4-2（流体流经发热平面时的热边界层）
图4-3（热边界层中的温度场）
若发热丝与基板直接接触将会导致发热丝的热量从基板处流失，这不仅会降低热膜传感器的响应速度还会破坏传感器的线性。
利用流体温度场测速的热导传感器为了解决上述问题，在发热体与传感器基板之间采取多种隔热措施[21]。
而热导式传感器又根据测量元件的不同分成了两大类，热电堆式和电阻式。
现先介绍热电堆式热膜传感器。
图4-4（MEMS热导/膜式流速传感器结构图俯视）
图4-5（MEMS热膜式流速传感器核心结构）
如图4-4与图4-5所示是经典的热电堆式热导传感器结构，其中白色箭头表示流速方向。
整个结构镶嵌在一块大的硅晶片上，而中间的深色部分（A）则是另一种具有多孔泡沫结构的硅晶片，充当隔热层，其热导率仅有基板硅晶片的1/100。
在其中部上方布设了一根中央发热丝，在发热丝的两侧对称排布了两组热电堆（B），即平行串联的多个热电偶以倍增单个热电偶的输出电压，如图4-6[6]所示，同时在基板上还设置了一个参考电阻丝用于检测环境温度并与加热丝电阻进行对比（B）。
带有数字的方块是该传感器的金属引脚，用于与外部电路进行电气连接。
其中1/2/3/4分别为两组热电堆的信号输出端，5/6为加热电阻丝的电流输入端，7/8为参考电阻丝的输出端（C）[21]。
图4-6（热电堆是多个热电偶的串联）[6]
热电堆的热端置于隔热层上方使其温度与隔热层上方流体（被加热）的温度相同，冷端则跨越出隔热硅片直接与基板的硅片接触使其温度基本与来流（环境）温度相同，当流体被加丝加热后流经两旁的热电堆热端由此形成温度差，由于热电效应最终实现与流速相关的热电压信号输出[19][20]。
图4-7（MEMS热膜式传感器的SEM照片）
中间的发热丝采用CTA控制方案[7]，保证发热丝与流体具有恒定的温度差，其热电堆输出电压关于流速的响应曲线如图所示：
图4-8（上下游热电堆输出电压响应曲线）
可见上游热电堆输出电压随流速增大而升高，而下流热电堆输出电压随流速增大而降低，两者求差可得整体的输出响应曲线：
图4-9（热膜式流速传感器输出电压响应曲线1）
图4-10（热膜式流速传感器输出电压响应曲线2）
可见热膜式流速传感器在低速情况下输出电压的线性度非常高且具有双向敏感度。
此外，此类热膜式传感器利用MEMS工艺制作，体积以及热容都非常小，又由于隔热硅晶片的存在，赋予了它很高的响应速度，如图4-11所示，
图4-11（示波器显示当加热电流从1mA-6mA跃变时热电堆输出电压的响应曲线，单次跃变1mA，时间间隔15ms）
热电堆电压的正负跳变时间为1.8ms和1.9ms，而每一级跳变的时间间隔为15ms，最终换算出响应时间常数则低至1.5ms.可见，对于流速传感器来说这是一个极高的响应速度，因此热膜式传感器非常适用于高精度与存在不稳定流的流量测控场合[21]。
而对于另外一种热膜式流速传感器，即采用热敏电阻进行温度测量的电阻式热膜传感器其结构则有所不同。
一般为了减少加热电阻在纵向的热传导，提高测量精度，在硅片的正面做一层SiO2，在硅片背面腐蚀出一个硅杯结构，如图4-12所示[22]。
也有的传感器采用在发热丝与测温热敏电阻之间的基板上刻蚀出空隙，直接切断两者之间的热传递路径，如图4-13[22]与图4-14[17]所示。
图4-12（在硅基板背后刻蚀出杯状结构）
图4-13（刻蚀空隙直接切断传热途径）
图4-14（IC工艺刻蚀的传感器，深色部分为空隙）
热膜式流速传感器的结构理论上可以有五种结构，如图4-15所示。
图4-15（电阻式热膜流速传感器结构）
a）只有加热电阻，类似于热线式气体质量流量传感器，主要计算热耗散与流速的关系。
它的气体流向是双向的。
b）中有一个加热电阻和一个测温电阻，主要用测温电阻来反映流速。
它的气体流向是单向的。
c）中加热电阻两侧放置了阻值相等，且与加热电阻等距离的测温电阻，是一个对称结构，因此它的气体流向是双向的。
d）是在（c）的基础上，在气体流入方向上放置了一个环境测温电阻，它与加热电阻和外电路的两个固定电阻构成测量电桥，通过一个PID（比例+积分+微分，是一种控制技术中常用的控制算法）比较控制电路来保证加热电阻与流体的温差，它的气体流向是单向的。
e）是（c）的改进结构，只将电阻的四个角与底面接触，形成梁式结构，尽量减少热纵向传导。
由于采用膜工艺，这类结构工艺实现比较困难，将会在高度精密测量方面发挥很大的作用。
这种结构的产品尚在
积极的研制过程中。
从（a）到（d），是一个结构不断改进，性
能不断提高的过程。
测温电阻与外电路的固定阻值的电阻形成惠斯登测量电桥。
当流体流动时，电桥失去平衡,输出一个直流电压信号。
当被测介质的比热恒定时，其输出的直流电压信号就与被测介质的质量流量成比例关系[23]。
这里重点介绍比较常用的（c）类结构电阻式热膜传感器。
同样的，经有限元分析可模拟其温度场如图4-16到19所示[22]。
图4-16（静态温度场）
图4-17（静态温度场）
可见当流速为0时温度场对称分布，两测温电阻处温度相同，温差为0，惠斯通电桥处于平衡状体，输出信号电压为零。
图4-18（流速为2m/s时的温度场）
图4-19（流速为2m/s时的温度场）
当流速不为零是可见两测温电阻间的温度出现了明显的差异，此时输出信号不为零
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