热式风速仪探头制备及控制电路设计研究

摘要

热式风速仪是一种基于热平衡原理测量流体流速、温度、密度等参数的仪器。目前热式风速仪多采用恒温工作模式，其测速范围一般在300m/s以内，无法满足高超声速下的流场测量要求。本文开展热式风速仪探头制备及控制电路设计研究，旨在为自主研制面向高超声速流场测量的高性能热式风速仪奠定基础。
　　本文首先设计并制备了热式风速仪的热线、热膜传感器及探头系统，并对其进行试验分析。结果表明，所制备的传感器在具备通电发热的同时其阻值对流场风速敏感，可以满足热式风速仪的使用要求。设计并制备了恒温式、恒压式热式风速仪探头控制电路。针对恒温式测量系统对过热比电阻温度敏感的问题，设计了过热比电阻温度控制系统；通过对惠斯通桥路、热线及反馈回路参数的计算分析，提出过热比、偏置电压和增益的具体调节方法，从而避免因测量范围和测量精度调整不当而进入不稳定工作区。针对恒压式测量系统，设计了时间常数的原位测量电路以及T型桥补偿网络，以提高系统的测量带宽。利用Labview及PersonalDaq3000模块开发了热式风速仪测量系统的数据采集及控制软件。该软件主要包括数据采集、恒温式热式风速仪增益及工作状态切换、热线及热膜参数测量、偏置电压求取及给定、过热比电阻温度控制等模块，能满足恒温式、恒压式热式风速仪的测量试验要求。开展了热式风速仪测量系统的标定试验研究。试验结果表明：所制备的恒温式、恒压式热式风速仪在40~200m/s的流速范围内，测量误差均小于3％。恒温式热式风速仪可通过调整增益及过热比的方法满足大范围或高精度的不同测量要求；通过提高恒压式热式风速仪传感器功率，其测量范围可拓展到300m/s。

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缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文内容及结构安排

第二章 热式风速仪探头系统制备

2.1 热线传感器制备

2.2热膜传感器制备

2.3 探头及支架制备

2.4 探头系统初步测试

2.5 本章小结

第三章 恒温式热式风速仪探头控制电路设计

3.1 恒温式热式风速仪探头控制电路基本工作原理

3.2 探头及恒温式探头控制电路特性分析

3.3 传感器加热电流与流场速度关系计算

3.4 过热比、增益及桥路比的优化配置

3.5恒温式风速仪探头控制电路设计及参数配置

3.6 过热比电阻温度控制

3.7 本章小结

第四章 恒压式热式风速仪探头控制电路设计

4.1 恒压式热式风速仪探头控制电路工作原理

4.2 探头及恒压式探头控制电路特性分析

4.3 恒压式热式风速仪探头控制电路设计及参数配置

4.4 传感器时间常数原位测量

4.5 T型桥补偿网络设计及CVA带宽分析

4.6 恒压式热式风速仪探头控制电路实物

4.7 本章小结

第五章 热式风速仪采集及控制软件设计

5.1 信号采集与控制软件总体结构

5.2 热式风速仪数据采集模块

5.3 恒温式热式风速仪增益及工作状态切换模块

5.4 传感器参数测量、偏置电压求取及给定模块

5.5 数据保存、回放及处理模块

5.6 本章小结

第六章 热式风速仪标定试验与分析

6.1风速标定系统搭建

6.2 热式风速仪标定步骤及试验项目设计

6.3 热式风速仪测量系统动态标定

6.4 恒温式热式风速仪稳态标定试验

6.5 恒压式热式风速仪标定试验

6. 6全范围Sigmoidal函数拟合及验证

6.7 恒温/恒压式热式风速仪测量结果的对比分析

6.8 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文