風向風速監(jiān)測儀的光點位置敏感測試系統(tǒng)的設計
風速風向傳感器在海洋、氣象、環(huán)境監(jiān)測、水利、軍事等領域的應用越來越廣泛。與傳統(tǒng)的風速風向記錄儀等測量系統(tǒng)相比，固態(tài)風速傳感器因體積小、無轉(zhuǎn)動結(jié)構、更易維護得到了普遍的應用．根據(jù)傳感器的工作原理可分為熱式和非熱式傳感器，其中利用各種力學舊J、光學、聲學、電磁學等原理的非熱式傳感器由于功耗小、無零點漂移、測試方法多樣而受到人們越來越多的關注。本文設計了一種利用位置敏感檢測器(PSD)來構建的非熱式風速風向傳感器，通過將光點位移與風向和風速的關系標定，實現(xiàn)了風向和風速的同時檢測．與其他非熱式風速風向傳感器相比，該傳感器結(jié)構簡單，測量范圍大，無測試盲點，測試的實時性強，信號處理電路簡單，同時基本不受外界環(huán)境溫度的影響。
基于PSD的風速風向測量系統(tǒng)的結(jié)構及工作原理：測試系統(tǒng)的結(jié)構如圖1所示．利用一個帶激光源發(fā)射裝置并具有一定彈性的圓柱體作為風敏桿，用PSD作為測試芯片．在風速和風向的作用下，風敏桿發(fā)生傾斜，發(fā)射出的激光照射在PSD的某一位置，風速越大，風敏桿傾斜的角度越大，光點偏離PSD中心點的距離也就越遠．所以可以用光點偏離中心點D的距離尺來反應風速的大�。畯膱D中可看出，R=x2+y2，其中X，y為光點位置坐標器。
圖1測試系統(tǒng)結(jié)構和工作原理示意圖
同時風向不同，照射在PSD上的光點位置的x，y的比值也不同，所以風向可用角度口來表示，tan0=∥X因而光點在PSD上的位置，即X，y坐標的變化對應了風速和風向的改變，當測出x，y的值，通過一定的標定就能測出相應的風速和風向。
1 PSD位置檢測原理
光敏位置檢測器是一種基于半導體橫向光電效應的光電檢測器件∞J。是一種能夠連續(xù)檢測光點位置的非分割型光電轉(zhuǎn)換元件．實用的PSD一般采用PIN結(jié)構"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)．當有入射光照射到PSD的光敏面上某一點時，半導體吸收光子后激發(fā)產(chǎn)生光生載流子，在橫向光電場作用下，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而改變．所以可根據(jù)各電極上收集到的電流信號比例來確定光點的位置。PSD也是一種光電流分配器。
(a)結(jié)構
(b)簡化等效圖
1.1一維PSD檢測原理
一維PSD檢測器的等效電路圖如圖2(b)所示．設光點照射在PSD器件光敏層的A點，距中心距離為x，設P層的電阻是均勻的，從A點到PSD兩邊的等效電阻分別為尺，和尺：，負載電阻為尺L，且尺1和尺2遠大于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)描述橫向光電效應的Lucovsky方程最終得
1.2二維PsD檢測原理
采用如圖3所示的二維PSD結(jié)構，其測試原理與一維PSD類似，有一個長寬均為L的正方形感光面，四角有4條對稱的直角電極作為信號輸出，以感光面的中心作為坐標原點．當有光源照射到A點時，會產(chǎn)生大量的光生載流子，在反偏電壓及橫向電場的作用下，進行電荷分配流向4個電極，形成4個輸出電流．4個輸出電流的比例大小反應了光點在光敏面上的二維位置。
在PSD的4個輸出端分別接相同的負載電阻并測負載電阻上的壓降，從而將輸出電流信號的測試轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭妷旱臏y試．則有
2 二維風速風向傳感器系統(tǒng)的設計及測試
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敏桿頂端作為光源，風敏桿的直徑為7min，高度為2.3 mm，激光二極管距PSD的距離為5 mm，最大風速時風敏桿頂端的彎曲撓度為5.5mm．測試系統(tǒng)如圖4所示。
PSD外接4個相同負載的電阻，測試對角輸出負載的壓降差，將測試信號進行處理后顯示與風向和風速的關系．測試系統(tǒng)示意圖如圖5所示。
3風速和風向的測試結(jié)果與分析
3.1風速測試
按照如圖6所示的風向進行風速測試，以3 m／s的級別遞增風速．多次測量，測試數(shù)據(jù)重復性較好．取其中一組數(shù)據(jù)處理后得到的風速測試結(jié)果如圖7所示。
3.2風向測量
風速固定在18m／s，改變風向，測試△鞏和AU，根據(jù)式(6)得到風向的測試曲線，見圖8。
3.3測試結(jié)果分析
從風速的測試曲線可看出，在0～9m／s的小風速情況下，系統(tǒng)靈敏度較低，在中風速及大風速情況下，系統(tǒng)靈敏度較高且較穩(wěn)定，可達到0.15 mV／(m•s-1)，產(chǎn)生這種狀況的原因主要與橡膠風敏桿材料的彈性有關．由于所選橡膠的彈性較低，在低風速情況下反應不夠靈敏，風敏桿彎曲角度小，因此在PSD上光點移動范圍也小。小風速下提高靈敏度可通過外接放大器來實現(xiàn)。從圖中也可看出風速和尺之間并非呈單一的線性關系。這是由于根據(jù)伯努利方程得出的風力產(chǎn)生的風壓與風速之間為非線性關系所致．風速與R之間的函數(shù)關系，可進一步通過對橡膠進行楊氏模量分析得到。
從風向的測試結(jié)果看出測試數(shù)據(jù)與實際風向基本一致，平均誤差小于70。測試誤差的主要來源為：起始時零點位置的調(diào)整還有一定的偏差；彈性風敏桿采用手工加工，在各個方向的彈性均勻性有一定誤差；由于采用橡膠材料制作，彈性風敏桿的回復性還不夠，從而使一個周期測試后產(chǎn)生一定的回滯效應。另外，PSD光敏面上的材料不可能絕對均勻，各個方向的電阻率存在差異，使得測量輸出存在誤差。
4 結(jié)語
本文設計風向風速監(jiān)測儀的傳感系統(tǒng)將風速和風向的信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘�，利用PSD對光點位置的定位實現(xiàn)對風速和風向的檢測。該傳感器在大風速下具有較高且較穩(wěn)定的測試靈敏度，風向的平均測量誤差小于70。該傳感系統(tǒng)具有結(jié)構簡單，測試方便，響應速度快，不受外界環(huán)境溫度影響等特點，通過對測試系統(tǒng)的改進，性能可以進一步提高。
