【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及气体流量的，尤其涉及一种具有动态补偿功能的热式气体流量传感器。
技术介绍
1、气体流量是工业生产过程、科学研究和各种经济核算的必要参数，气体流量的测量在工业生产中占有重要的地位。近些年来，精细化工业和医学生物分析的发展对气体流量测量和控制的要求越来越高，传统的流量测量装置很难满足要求。
2、随着微电子工艺和mems技术的成熟，生物医学和临床诊断上的仪器以及分析方法的小型化引起人们极大的关注。由于体积的微型化减少了试剂的消耗，缩短了反应的时间，同时使高通量、大规模的检测成为可能。微流控芯片的研究，不仅促进了mems技术和微电子技术的发展以及在众多领域的应用，并将进一步促进以缩微芯片实验室为核心的生物芯片技术的深入研究和广泛应用。
3、流体流速或流量的测量十分复杂，其主要原因有二:首先，流体本身就是一门科学，其次，流体的许多特性可以被用来测量其流速或流量。热式流量传感器就是使用了流体的传热学特性来对流量进行测量的。
4、1914年，king对在流动空气中的细加热丝进行了研究，给出了传热与流速之间的关系,即著名的金氏定律(king's law)。此后众多的学者对此进行了研究，截止至1978年，至少有2500篇相关文献发表。1943年，weske等人为热式传感器引入了恒温度控制电路，提高了传感器的控制精度。1955年，薄膜式热式传感器被制成。1968年，直角形的热式传感器被制成，可以测量紊流对传感器的影响。
5、1974年，第一个微型热式流速传感器由putten等人制成，此后
6、目前微型热式流量传感器已经发展成基于3种基本工作原理的传感器系列，敏感元件从最初的p型扩散电阻发展到今天的薄膜型p型多晶硅/n型多晶硅热电堆，使用的电路结构也由最初的惠斯通电桥发展到今天的包括adc在内的复杂电路，采用的工艺从最初的双极型工艺发展到今天的cmos-mems工艺，器件功能也从单一的测流体-维流速和流向到今天的三维单芯片的多功能化(测流速、流向、温度、压力等)。同时，传感器与信号处理电路的集成也得到很大的发展，实现了微型化、智能化、数字化，大大提高了整体性能。
7、气体流量是工业生产过程中的一项重要参数，准确测量气体流量在能源充分利用、保证产品质量和提高生产效率等方面都起到重要作用。热式流量传感器是在早期风速仪基础上发展起来的，由于它具有以下特点：①能测量极低流速的微小气流；②无可动部件，可靠性高；③压力损失非常小、几乎可以忽略；④直接测量质量流量，无需外加压力、温度修正；⑤电信号输出，输出值较大；⑥量程比极高；⑦复现性能好；⑧价格便宜，并便于安装。现如今流量传感器已经被广泛应用到汽车工业、航空航天、医疗设备、能源测量等工业领域。随着微机械加工技术的日臻成熟，热式气体流量传感器的探头生产加工技术也得到了长足的发展，使传感器对工作环境的适应性进一步加强，但这些生产技术的改进仍旧无法消除温度改变带来的测量误差。
8、在实际情况中，环境中的温度、气压与气流流速均会对流量传感器造成影响，使传感器信号发生漂移，因此测量值与实际值容易存在较大误差。
9、例如申请号为201520563877.1的技术涉及气体传感器
，特别涉及一种热式气体流量传感器，通过在铝基底上进行阳极氧化处理，形成多孔阳极氧化铝结构，代替现有的基于mems技术的热式气体质量流量传感器所采用的腔室工艺的硅衬底，微观多孔结构的阳极氧化铝具有较低的导热系数和较高的机械性能，可以在实现隔热性的同时具备抗振动的性能，在恶劣工况下工作仍然能够稳定的对气体流量进行测量，阳极氧化铝的微观多孔结构对气流的强度、方向和温度都有极强的适应性，因而该技术提供了一种高响应性、高精度且高稳定性的热式气体传感器。另外，通过在阳极氧化铝层上通过沉积刻蚀的方式形成所需的加热和采集电极能够实现驱动电路的简化，能够提高可靠性。但是该技术并未考虑传感器信号的漂移，容易产生误差。
10、申请号为202210534963 .4的专利技术公开了一种多量程的热式气体流量传感器结构的设计以及信号处理方法。包括带背部刻蚀空腔的单晶硅衬底、悬浮支撑膜、中心加热器、上游测量热敏元件组、下游测量热敏元件组和信号处理电路。上游测量热敏元件组和下游测量热敏元件组对称的放置在中心加热器两端，上游测量热敏元件包括上游第一测量元件和上游第二测量元件，下游测量热敏元件包括下游第一测量元件和下游第二测量元件，中心加热器和所有测量元件的热端放置在的悬浮支撑膜之上，测量元件的冷端放在悬浮支撑膜之外。该专利技术通过在单晶硅衬底上制备不同长度的测量元件，形成具有多量程检测功能的流量传感器，并且进一步的搭配外围控制电路，完成单芯片量程的切换。但是该专利技术并未考虑环境中的气流、压力和温度对传感器本身存在较大影响。
技术实现思路
1、针对现有热式气体流量传感器装置存在较大误差的技术问题，本专利技术提出一种具有动态补偿功能的热式气体流量传感器，利用神经网络对传感器数据进行补偿计算，避免传感器漂移造成测量数据存在较大误差。
2、为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种具有动态补偿功能的热式气体流量传感器，包括绑定板、mems芯片和信号调理电路，mems芯片和信号调理电路相连接，信号调理电路与电源相连接，信号调理电路与上位机相连接，mems芯片和信号调理电路均设置在绑定板顶部，mems芯片与信号调理电路固定连接，mems芯片包括流量测量单元、压力测量单元和温度测量单元，流量测量单元、压力测量单元和温度测量单元均与信号调理电路相连接，信号调理电路内设置有带有补偿算法的神经网络。
3、所述信号调理电路包括调理电路、微控制器、电源变换模块、信号输出电路、存储器和驱动电路，信号输出电路、存储器和调理电路均与微控制器相连接，驱动电路和调理电路均与流量测量单元、压力测量单元和温度测量单元相连接，电源变换模块与驱动电路相连接，信号输出电路与上位机相连接，电源与电源变换模块相连接，带有补偿算法的神经网络设置在微控制器中。
4、所述调理电路包括电路ⅰ、电路ⅱ和电路ⅲ，电路ⅰ、电路ⅱ和电路ⅲ分别与流量测量单元、压力测量单元和温度测量单元相连接，电路ⅲ与上位机相连接。
5、所述电路ⅰ、电路ⅱ和电路ⅲ均包括依次连接的差分放大电路、低通滤波器和adc电路，差分放大电路与mems芯片相连接，adc电路与微控制器相连接，电路ⅲ中低通滤波器的输出端与上位机相连接。
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【技术保护点】
1.一种具有动态补偿功能的热式气体流量传感器，其特征在于，包括绑定板（4）、MEMS芯片（10）和信号调理电路（15），MEMS芯片（10）和信号调理电路（15）相连接，信号调理电路（15）与电源相连接，信号调理电路（15）与上位机相连接，MEMS芯片（10）和信号调理电路（15）均设置在绑定板（4）顶部，MEMS芯片（10）与信号调理电路（15）固定连接，MEMS芯片（10）包括流量测量单元（2）、压力测量单元（1）和温度测量单元（3），流量测量单元（2）、压力测量单元（1）和温度测量单元（3）均与信号调理电路（15）相连接，信号调理电路（15）内设置有带有补偿算法的神经网络。
2.根据权利要求1所述的具有动态补偿功能的热式气体流量传感器，其特征在于，所述信号调理电路（15）包括调理电路、微控制器、电源变换模块（8）、信号输出电路、存储器（14）和驱动电路（9），信号输出电路、存储器（14）和调理电路均与微控制器相连接，驱动电路（9）和调理电路均与流量测量单元（2）、压力测量单元（1）和温度测量单元（3）相连接，电源变换模块（8）与驱动电路（9）相连接，信号输出电路
3.根据权利要求2所述的具有动态补偿功能的热式气体流量传感器，其特征在于，所述调理电路包括电路Ⅰ、电路Ⅱ和电路Ⅲ，电路Ⅰ、电路Ⅱ和电路Ⅲ分别与流量测量单元（2）、压力测量单元（1）和温度测量单元（3）相连接，电路Ⅲ与上位机相连接。
4.根据权利要求3所述的具有动态补偿功能的热式气体流量传感器，其特征在于，所述电路Ⅰ、电路Ⅱ和电路Ⅲ均包括依次连接的差分放大电路、低通滤波器和ADC电路，差分放大电路与MEMS芯片（10）相连接，ADC电路与微控制器相连接，电路Ⅲ中低通滤波器的输出端与上位机相连接。
5.根据权利要求4所述的具有动态补偿功能的热式气体流量传感器，其特征在于，所述信号输出电路包括缓冲器（13）和DAC模块（12），缓冲器（13）和DAC模块（12）均与上位机相连接，缓冲器（13）和DAC模块（12）均与微控制器相连接。
6.根据权利要求2-5中任意一项所述的具有动态补偿功能的热式气体流量传感器，其特征在于，所述流量测量单元（2）包括流量测量电路和流量传感器，流量测量电路和流量传感器相连接，压力测量单元（1）包括测压单元供电电路和压力传感器，测压单元供电电路和压力传感器相连接，温度测量单元（3）包括测温单元供电电路和温度传感器，测温单元供电电路和温度传感器相连接，测压单元供电电路、测温单元供电电路和流量测量电路均与驱动电路（9）和增益电路相连接。
7.根据权利要求6所述的具有动态补偿功能的热式气体流量传感器，其特征在于，所述存储器（14）为EEPROM，微控制器为MCU芯片（11）。
8.根据权利要求7所述的具有动态补偿功能的热式气体流量传感器，其特征在于，使用方法为：电源变换模块（8）将外部输入的电压转化为适合电路的电压，驱动电路（9）输出电信号驱动测压单元供电电路、测温单元供电电路和流量测量电路，使MEMS芯片（10）上的流量传感器、测温传感器和测压传感器开始收集环境中的介质流量信息、温度信息和压力信息；介质流量信息、温度信息和压力信息分别进入信号调理电路（15）的电路Ⅰ、电路Ⅱ和电路Ⅲ，经过差分放大电路放大，通过低通滤波器滤除信号中的高频噪声后由ADC模块将模拟信号转化为数字信号输入MCU芯片（11）中，利用MCU芯片（11）内带有补偿算法的神经网络对收集到的流量信息、温度信息和压力信息进行分析，神经网络根据补偿算法进行计算得到动态补偿后的标准输出量，并将标准输出量通过MCU芯片（11）传输至上位机，实现对热式气体流量传感器的动态补偿。
9.根据权利要求8所述的具有动态补偿功能的热式气体流量传感器，其特征在于，所述带有补偿算法的神经网络包括输入层、隐含层和输出层，流量信息、温度信息和压力信息通过输入层进入神经网络，输出层输出补偿算法。
10.根据权利要求8或9所述的具有动态补偿功能的热式气体流量传感器，其特征在于，得到带有补偿算法的神经网络的方法为：
...【技术特征摘要】
1.一种具有动态补偿功能的热式气体流量传感器，其特征在于，包括绑定板（4）、mems芯片（10）和信号调理电路（15），mems芯片（10）和信号调理电路（15）相连接，信号调理电路（15）与电源相连接，信号调理电路（15）与上位机相连接，mems芯片（10）和信号调理电路（15）均设置在绑定板（4）顶部，mems芯片（10）与信号调理电路（15）固定连接，mems芯片（10）包括流量测量单元（2）、压力测量单元（1）和温度测量单元（3），流量测量单元（2）、压力测量单元（1）和温度测量单元（3）均与信号调理电路（15）相连接，信号调理电路（15）内设置有带有补偿算法的神经网络。
2.根据权利要求1所述的具有动态补偿功能的热式气体流量传感器，其特征在于，所述信号调理电路（15）包括调理电路、微控制器、电源变换模块（8）、信号输出电路、存储器（14）和驱动电路（9），信号输出电路、存储器（14）和调理电路均与微控制器相连接，驱动电路（9）和调理电路均与流量测量单元（2）、压力测量单元（1）和温度测量单元（3）相连接，电源变换模块（8）与驱动电路（9）相连接，信号输出电路与上位机相连接，电源与电源变换模块（8）相连接，带有补偿算法的神经网络设置在微控制器中。
3.根据权利要求2所述的具有动态补偿功能的热式气体流量传感器，其特征在于，所述调理电路包括电路ⅰ、电路ⅱ和电路ⅲ，电路ⅰ、电路ⅱ和电路ⅲ分别与流量测量单元（2）、压力测量单元（1）和温度测量单元（3）相连接，电路ⅲ与上位机相连接。
4.根据权利要求3所述的具有动态补偿功能的热式气体流量传感器，其特征在于，所述电路ⅰ、电路ⅱ和电路ⅲ均包括依次连接的差分放大电路、低通滤波器和adc电路，差分放大电路与mems芯片（10）相连接，adc电路与微控制器相连接，电路ⅲ中低通滤波器的输出端与上位机相连接。
5.根据权利要求4所述的具有动态补偿功能的热式气体流量传感器，其特征在于，所述信号输出电路包括缓冲器（13）和dac模块（12），缓冲器（13）和dac模块（12）均与上位...
【专利技术属性】
技术研发人员：范宏强，高胜国，古瑞琴，李威，黄理君，张古衡，
申请(专利权)人：郑州炜盛电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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