風(fēng)向風(fēng)速監(jiān)測(cè)儀的光點(diǎn)位置敏感測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
風(fēng)速風(fēng)向傳感器在海洋、氣象、環(huán)境監(jiān)測(cè)、水利、軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。與傳統(tǒng)的風(fēng)速風(fēng)向記錄儀等測(cè)量系統(tǒng)相比，固態(tài)風(fēng)速傳感器因體積小、無轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)、更易維護(hù)得到了普遍的應(yīng)用．根據(jù)傳感器的工作原理可分為熱式和非熱式傳感器，其中利用各種力學(xué)舊J、光學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)等原理的非熱式傳感器由于功耗小、無零點(diǎn)漂移、測(cè)試方法多樣而受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。本文設(shè)計(jì)了一種利用位置敏感檢測(cè)器(PSD)來構(gòu)建的非熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，通過將光點(diǎn)位移與風(fēng)向和風(fēng)速的關(guān)系標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)向和風(fēng)速的同時(shí)檢測(cè)．與其他非熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器相比，該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍大，無測(cè)試盲點(diǎn)，測(cè)試的實(shí)時(shí)性強(qiáng)，信號(hào)處理電路簡(jiǎn)單，同時(shí)基本不受外界環(huán)境溫度的影響。
基于PSD的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理：測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示．利用一個(gè)帶激光源發(fā)射裝置并具有一定彈性的圓柱體作為風(fēng)敏桿，用PSD作為測(cè)試芯片．在風(fēng)速和風(fēng)向的作用下，風(fēng)敏桿發(fā)生傾斜，發(fā)射出的激光照射在PSD的某一位置，風(fēng)速越大，風(fēng)敏桿傾斜的角度越大，光點(diǎn)偏離PSD中心點(diǎn)的距離也就越遠(yuǎn)．所以可以用光點(diǎn)偏離中心點(diǎn)D的距離尺來反應(yīng)風(fēng)速的大小．從圖中可看出，R=x2+y2，其中X，y為光點(diǎn)位置坐標(biāo)器。
圖1測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖
同時(shí)風(fēng)向不同，照射在PSD上的光點(diǎn)位置的x，y的比值也不同，所以風(fēng)向可用角度口來表示，tan0=∥X因而光點(diǎn)在PSD上的位置，即X，y坐標(biāo)的變化對(duì)應(yīng)了風(fēng)速和風(fēng)向的改變，當(dāng)測(cè)出x，y的值，通過一定的標(biāo)定就能測(cè)出相應(yīng)的風(fēng)速和風(fēng)向。
1 PSD位置檢測(cè)原理
光敏位置檢測(cè)器是一種基于半導(dǎo)體橫向光電效應(yīng)的光電檢測(cè)器件∞J。是一種能夠連續(xù)檢測(cè)光點(diǎn)位置的非分割型光電轉(zhuǎn)換元件．實(shí)用的PSD一般采用PIN結(jié)構(gòu)"1(見圖2(a))，表面為P層感光面，兩邊各有一輸出電極，中間是1層，底板為高摻雜的N層，接反偏電壓協(xié)．當(dāng)有入射光照射到PSD的光敏面上某一點(diǎn)時(shí)，半導(dǎo)體吸收光子后激發(fā)產(chǎn)生光生載流子，在橫向光電場(chǎng)作用下，載流子流向兩端的輸出電，形成輸出電流。且比例將隨光源位置的移動(dòng)而改變．所以可根據(jù)各電極上收集到的電流信號(hào)比例來確定光點(diǎn)的位置。PSD也是一種光電流分配器。
(a)結(jié)構(gòu)
(b)簡(jiǎn)化等效圖
1.1一維PSD檢測(cè)原理
一維PSD檢測(cè)器的等效電路圖如圖2(b)所示．設(shè)光點(diǎn)照射在PSD器件光敏層的A點(diǎn)，距中心距離為x，設(shè)P層的電阻是均勻的，從A點(diǎn)到PSD兩邊的等效電阻分別為尺，和尺：，負(fù)載電阻為尺L，且尺1和尺2遠(yuǎn)大于RL，兩極間的距離為2L，流過兩極的電流分別為，。和，2，總的光生電流為厶．根據(jù)描述橫向光電效應(yīng)的Lucovsky方程最終得
1.2二維PsD檢測(cè)原理
采用如圖3所示的二維PSD結(jié)構(gòu)，其測(cè)試原理與一維PSD類似，有一個(gè)長(zhǎng)寬均為L(zhǎng)的正方形感光面，四角有4條對(duì)稱的直角電極作為信號(hào)輸出，以感光面的中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)．當(dāng)有光源照射到A點(diǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的光生載流子，在反偏電壓及橫向電場(chǎng)的作用下，進(jìn)行電荷分配流向4個(gè)電極，形成4個(gè)輸出電流．4個(gè)輸出電流的比例大小反應(yīng)了光點(diǎn)在光敏面上的二維位置。
在PSD的4個(gè)輸出端分別接相同的負(fù)載電阻并測(cè)負(fù)載電阻上的壓降，從而將輸出電流信號(hào)的測(cè)試轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭妷旱臏y(cè)試．則有
2 二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及測(cè)試
本系統(tǒng)采用的二維PSD的有效光敏面積為15mmx15mm，漏電流為200肚，將紅光激光二極管固定在圓柱形橡膠風(fēng)敏桿頂端作為光源，風(fēng)敏桿的直徑為7min，高度為2.3 mm，激光二極管距PSD的距離為5 mm，最大風(fēng)速時(shí)風(fēng)敏桿頂端的彎曲撓度為5.5mm．測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示。
PSD外接4個(gè)相同負(fù)載的電阻，測(cè)試對(duì)角輸出負(fù)載的壓降差，將測(cè)試信號(hào)進(jìn)行處理后顯示與風(fēng)向和風(fēng)速的關(guān)系．測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖5所示。
3風(fēng)速和風(fēng)向的測(cè)試結(jié)果與分析
3.1風(fēng)速測(cè)試
按照如圖6所示的風(fēng)向進(jìn)行風(fēng)速測(cè)試，以3 m／s的級(jí)別遞增風(fēng)速．多次測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)重復(fù)性較好．取其中一組數(shù)據(jù)處理后得到的風(fēng)速測(cè)試結(jié)果如圖7所示。
3.2風(fēng)向測(cè)量
風(fēng)速固定在18m／s，改變風(fēng)向，測(cè)試△鞏和AU，根據(jù)式(6)得到風(fēng)向的測(cè)試曲線，見圖8。
3.3測(cè)試結(jié)果分析
從風(fēng)速的測(cè)試曲線可看出，在0～9m／s的小風(fēng)速情況下，系統(tǒng)靈敏度較低，在中風(fēng)速及大風(fēng)速情況下，系統(tǒng)靈敏度較高且較穩(wěn)定，可達(dá)到0.15 mV／(m•s-1)，產(chǎn)生這種狀況的原因主要與橡膠風(fēng)敏桿材料的彈性有關(guān)．由于所選橡膠的彈性較低，在低風(fēng)速情況下反應(yīng)不夠靈敏，風(fēng)敏桿彎曲角度小，因此在PSD上光點(diǎn)移動(dòng)范圍也小。小風(fēng)速下提高靈敏度可通過外接放大器來實(shí)現(xiàn)。從圖中也可看出風(fēng)速和尺之間并非呈單一的線性關(guān)系。這是由于根據(jù)伯努利方程得出的風(fēng)力產(chǎn)生的風(fēng)壓與風(fēng)速之間為非線性關(guān)系所致．風(fēng)速與R之間的函數(shù)關(guān)系，可進(jìn)一步通過對(duì)橡膠進(jìn)行楊氏模量分析得到。
從風(fēng)向的測(cè)試結(jié)果看出測(cè)試數(shù)據(jù)與實(shí)際風(fēng)向基本一致，平均誤差小于70。測(cè)試誤差的主要來源為：起始時(shí)零點(diǎn)位置的調(diào)整還有一定的偏差；彈性風(fēng)敏桿采用手工加工，在各個(gè)方向的彈性均勻性有一定誤差；由于采用橡膠材料制作，彈性風(fēng)敏桿的回復(fù)性還不夠，從而使一個(gè)周期測(cè)試后產(chǎn)生一定的回滯效應(yīng)。另外，PSD光敏面上的材料不可能絕對(duì)均勻，各個(gè)方向的電阻率存在差異，使得測(cè)量輸出存在誤差。
4 結(jié)語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)風(fēng)向風(fēng)速監(jiān)測(cè)儀的傳感系統(tǒng)將風(fēng)速和風(fēng)向的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，利用PSD對(duì)光點(diǎn)位置的定位實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速和風(fēng)向的檢測(cè)。該傳感器在大風(fēng)速下具有較高且較穩(wěn)定的測(cè)試靈敏度，風(fēng)向的平均測(cè)量誤差小于70。該傳感系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)試方便，響應(yīng)速度快，不受外界環(huán)境溫度影響等特點(diǎn)，通過對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的改進(jìn)，性能可以進(jìn)一步提高。
