黃鴻益 張小蘭

（1.廣東萬(wàn)和熱能科技有限公司 佛山 528300；2.海信家電集團(tuán)股份有限公司 佛山 528300）

前言

目前，家電市場(chǎng)上銷售的燃?xì)鉄崴?、抽油煙機(jī)、空氣凈化器等帶有風(fēng)機(jī)的產(chǎn)品，均需使用到風(fēng)壓開關(guān)這一關(guān)鍵零部件，用于檢測(cè)設(shè)備的進(jìn)排氣裝置是否處于正常工作狀態(tài)。風(fēng)壓開關(guān)是通過(guò)氣體壓強(qiáng)產(chǎn)生的壓力，作用在壓力膜上，使壓力膜產(chǎn)生形變，推動(dòng)微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的通斷檢測(cè)。這種風(fēng)壓檢測(cè)方式，只能輸出數(shù)字信號(hào)0 或1，不能準(zhǔn)確輸出風(fēng)壓大小，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)法根據(jù)風(fēng)壓的大小進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。且微動(dòng)開關(guān)屬于機(jī)械開關(guān)，存在動(dòng)作行程、裝配誤差、觸發(fā)彈簧彈力不一致等原因，導(dǎo)致風(fēng)壓開關(guān)存在個(gè)體差異性大、測(cè)量精度低、故障率高等問(wèn)題[1]。而且由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓相對(duì)較低，燃?xì)鉄崴黠L(fēng)機(jī)產(chǎn)生的最大風(fēng)壓約為200 Pa，而現(xiàn)有的風(fēng)壓傳感器的大部分量程較高約（10 ～300）kPa，無(wú)法滿足小量程的測(cè)量需求[2]。

為此，本文設(shè)計(jì)了一種風(fēng)壓傳感器，在現(xiàn)有風(fēng)壓開關(guān)的基礎(chǔ)上，將微動(dòng)開關(guān)替換為紅外測(cè)距傳感器，通過(guò)使用非接觸的紅外測(cè)距方式檢測(cè)壓力膜的形變量，根據(jù)形變量換算出風(fēng)壓信息，并使用最小二乘法對(duì)傳感器輸出值進(jìn)行溫度補(bǔ)償，有效提高了信號(hào)檢測(cè)精度，同時(shí)降低了傳感器個(gè)體差異和故障率。

1 傳感器的整體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的風(fēng)壓傳感器，其中包括控制板、控制板固定座、傳感器殼體和壓力膜，控制板通過(guò)固定座安裝固定于殼體的外側(cè)。傳感器殼體設(shè)有氣腔、負(fù)壓檢測(cè)口和正壓檢測(cè)口，負(fù)壓檢測(cè)口和正壓檢測(cè)口分別與氣腔連通，傳感器殼體的一端開設(shè)有與氣腔連通的第一通孔，壓力膜的周緣與第一通孔的周緣密封貼合，壓力膜的一面設(shè)有凸塊；控制板上設(shè)有紅外測(cè)距模塊及相應(yīng)的控制電路，紅外測(cè)距模塊測(cè)量凸塊與傳感器之間的距離。

待測(cè)空氣通過(guò)負(fù)壓檢測(cè)口或正壓檢測(cè)口與氣腔連通，控制板控制紅外測(cè)距電路的紅外發(fā)射端發(fā)射紅外線。當(dāng)氣體壓強(qiáng)作用在壓力膜上，壓力膜產(chǎn)生彈性形變，凸塊與紅外發(fā)射端之間距離也隨之發(fā)生變化，凸塊反射的紅外線強(qiáng)度也不同，紅外接收端接收凸塊反射回來(lái)的紅外線，根據(jù)接收紅外線的強(qiáng)度輸出對(duì)相應(yīng)電壓的信號(hào)至控制板單片機(jī)，使用單片機(jī)的AD 轉(zhuǎn)換功能將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成AD 值輸出，進(jìn)而換算出壓力膜的形變量。

壓力膜可以理解為勁度系數(shù)為 K 的彈簧，當(dāng)其壓縮或拉伸的距離（形變量）為Δx時(shí)，所產(chǎn)生的壓力或拉力為：

而氣體壓強(qiáng) P 作用在壓力膜面積 s 的區(qū)域內(nèi)，產(chǎn)生的壓力為：

當(dāng)壓力膜所受的壓力/拉力和風(fēng)壓產(chǎn)生的壓力平衡后，必然滿足：

由此可得：

根據(jù)公式（4），就可以通過(guò)壓力膜的形變量，計(jì)算出風(fēng)壓。

風(fēng)壓傳感器設(shè)有調(diào)節(jié)組件，其中包括調(diào)節(jié)彈簧、調(diào)節(jié)螺釘、調(diào)節(jié)板、及密封帽。殼體另一端的第二通孔與氣腔連通；調(diào)節(jié)板設(shè)于氣腔內(nèi)，且一面設(shè)有調(diào)節(jié)凸頭，調(diào)節(jié)凸頭與壓力膜接觸抵靠；調(diào)節(jié)彈簧一端與調(diào)節(jié)螺釘接觸抵靠，另一端伸入第二通孔與調(diào)節(jié)板的另一面接觸抵靠，調(diào)節(jié)螺釘設(shè)于第二通孔內(nèi)并與殼體的內(nèi)壁螺紋配合以調(diào)整調(diào)節(jié)彈簧的伸縮量；密封帽蓋設(shè)于第二通孔并安裝固定于殼體的外側(cè)避免泄壓；該設(shè)計(jì)的目的是，全部風(fēng)壓傳感器在出廠前，可以通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)螺絲，微調(diào)壓力膜的張緊力來(lái)調(diào)節(jié)紅外傳感器與凸塊的距離，保證風(fēng)壓傳感器的出廠一致性，降低傳感器個(gè)體差異。

2 傳感器控制板設(shè)計(jì)

3.1 紅外測(cè)距對(duì)管選擇

目前市面上的普通的紅外對(duì)管的測(cè)量距離為（2 ～20）cm 的范圍之間，受限于風(fēng)壓傳感器的體積問(wèn)題，無(wú)法使用這種紅外對(duì)管，因此，選擇了測(cè)量范圍為（0.5 ～4）mm 的特殊紅外對(duì)管T4642PTIRM3B。該紅外對(duì)管在保證傳感器測(cè)量精度的同時(shí)，大大縮小了紅外對(duì)管的體積。如圖2 為紅外對(duì)管測(cè)量距離與輸出信號(hào)的關(guān)系曲線。紅外接收管的接收紅外線的有效波長(zhǎng)范圍約為（900 ～1 000）nm，由圖3 可知，當(dāng)波長(zhǎng)約為940 nm 時(shí)，傳感器的靈敏度最高。

圖1 傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)爆炸圖

圖2 傳感器靈敏度曲線

圖3 接收波長(zhǎng)靈敏度曲線

圖4 紅外對(duì)管應(yīng)用電路

2.2 電路設(shè)計(jì)

紅外測(cè)距對(duì)管包含一個(gè)紅外發(fā)射二極管和一個(gè)紅外接收管，其中發(fā)射管發(fā)射紅外光，接收管接收被測(cè)物體表面反射回來(lái)的紅外線。紅外接收管實(shí)際上是一個(gè)光敏三極管，它的電流受外部光照控制，是一種半導(dǎo)體光電器件。光敏三極管是一種相當(dāng)于在三極管的基極和集電極之間接入一只光電二極管的三極管，光電二極管的電流相當(dāng)于三極管的基極電流。

如圖5，VCC 電源輸入經(jīng)過(guò)R1 限流電阻限制電流后，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓二極管輸出穩(wěn)定的2 V 電壓，給紅外對(duì)管中的紅外發(fā)射二極管供電，使其發(fā)射波長(zhǎng)約為940 nm 的紅外光。紅外接收管的集電極連接至VCC 電源輸入，發(fā)射極Out 為傳感器的信號(hào)輸出端，輸出模擬的電壓信號(hào)。將Out 端連接至單片機(jī)的AD 采樣口，通過(guò)單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，即可讀取紅外接收管的輸出電壓，從而計(jì)算出壓力膜的形變量。

圖5 溫度采樣電路

2.3 軟件溫度補(bǔ)償

風(fēng)壓傳感器控制板中設(shè)有溫度采樣電路，用于采集氣腔內(nèi)的溫度，使用熱敏電阻溫度探頭作為溫度傳感器，探頭設(shè)于殼體氣腔內(nèi)，這樣設(shè)置的目的是，壓力膜的材質(zhì)為硅膠，在不同的工作環(huán)境溫度下，其勁度系數(shù) K 會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致通入相同風(fēng)壓的測(cè)試條件下，壓力膜的形變量會(huì)有所不同，導(dǎo)致風(fēng)壓傳感器輸出風(fēng)壓值大小會(huì)出現(xiàn)偏差（即溫度漂移）。

為了消除或者減少這種溫度誤差，可以利用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，最終達(dá)到或接近理論壓力輸出值。在同一溫度下，不同風(fēng)壓的實(shí)際值和傳感器的測(cè)量值之間嚴(yán)格意義上是一種非線性關(guān)系，但是由于這種誤差值相對(duì)不大，可以近似的認(rèn)為是一種線性關(guān)系[4]，即公式（5）。

式中：

x—未校準(zhǔn)的風(fēng)壓值；

y—風(fēng)壓實(shí)際值。

通過(guò)最小二乘法進(jìn)行線性擬合，可以得出參數(shù) m 和n 的值。而在不同的溫度下，所擬合出來(lái)的 m 和 n 的值是隨著溫度的變化而變化的，因此需要找出溫度分別和m 、 n 之間的關(guān)系。為此同樣可以根據(jù)最小二乘法再次進(jìn)行曲線擬合，從而得出溫度分別和 m 、n 之間的函數(shù)關(guān)系。

式中：

T—?dú)馇粌?nèi)的溫度。

單片機(jī)只要測(cè)得氣腔內(nèi)的溫度，代入公式（6）和公式（7）分別求出 m 和 n的值，再測(cè)得紅外接收管的輸出值，代入公式（5），便可求得此時(shí)的風(fēng)壓。

3 應(yīng)用實(shí)例

使用交流風(fēng)機(jī)型燃?xì)鉄崴鬟M(jìn)行測(cè)試，安裝1 米長(zhǎng)排煙管（排煙管無(wú)彎曲），熱水器電源線直接連接到變頻電源上，接通電源。通過(guò)變頻電源調(diào)節(jié)熱水器輸入電壓（通過(guò)調(diào)節(jié)電壓，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定調(diào)節(jié)風(fēng)壓的目的），測(cè)試風(fēng)壓傳感器的測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的測(cè)量值之間的差距，測(cè)試數(shù)據(jù)見表 1 和圖 6。

從表1 及圖6 例中可以看出，各個(gè)傳感器的輸出值與風(fēng)壓實(shí)際值誤差均控制在±2 Pa 以內(nèi)，且各個(gè)傳感器的之間的輸出值無(wú)明顯差異，一致性較高。

表1 5 個(gè)傳感器在不同電壓下的測(cè)試值

圖6 5 個(gè)傳感器在不同電壓下的測(cè)試值

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種風(fēng)壓傳感器的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)使用非接觸式的紅外測(cè)距對(duì)管，檢測(cè)風(fēng)壓傳感器的壓力膜形變量，風(fēng)壓測(cè)量過(guò)程無(wú)需機(jī)械式微動(dòng)開關(guān)，使用非接觸式測(cè)量、能有效地提高信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確度、靈敏度，降低信號(hào)檢測(cè)的故障率，出廠一致性較高，后續(xù)若要改變傳感器量程，可以通過(guò)更換不同勁度系數(shù)的壓力膜，得到不同量程的傳感器。可以應(yīng)用在抽油煙機(jī)、燃?xì)鉄崴?、空氣凈化器等帶有風(fēng)機(jī)的家電產(chǎn)品上，值得推廣與應(yīng)用。