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热敏式风速仪（也称为热线/热膜风速仪）是一种基于热交换原理测量流体（主要是气体）速度的仪器。它以其高灵敏度、快速响应和对低风速测量的优异性能而著称，特别适合测量湍流、脉动气流或微小空间内的风速。

工作原理

核心思想：利用加热的敏感元件在气流中散热量与风速之间的关系来测量风速。

  1. 敏感元件：
    • 通常是一根非常细的金属丝（热线，如铂丝、钨丝）或沉积在绝缘基片上的金属薄膜（热膜）。
    • 这个元件具有正温度系数特性（电阻随温度升高而增大）。
  2. 加热与热平衡：
    • 敏感元件通过电流被加热到高于环境流体温度的一个设定值（通常在100°C到300°C甚至更高）。
    • 当没有气流时，元件通过自然对流和辐射达到热平衡状态，温度稳定，电阻稳定。
    • 当有气流流过元件时，强制对流散热增强，导致元件温度下降（从而电阻减小）。
  3. 测量模式：
    仪器主要有两种工作模式来维持热平衡并测量风速：
    • 恒温式：
      • 这是最常用、性能最优的模式。
      • 电路设计的目标是保持敏感元件的温度（从而电阻）恒定不变。
      • 当气流增大导致散热增强、元件温度降低（电阻减小）时，反馈控制电路会瞬间增大通过元件的加热电流，以补偿额外的热量损失，使元件温度迅速回升到设定值。
      • 风速与维持恒温所需的加热电流（或加热电压）的平方之间存在特定的函数关系（通常需要校准）。
      • 优点： 响应速度极快（可达微秒级），频率响应好，非常适合测量快速变化的气流（如湍流）。
    • 恒流式：
      • 电路保持通过敏感元件的电流恒定不变。
      • 当气流增大导致散热增强时，元件温度会下降，其电阻也随之减小。
      • 测量的是元件两端电压的变化（因为电流I恒定，电阻R变化导致电压V=I*R变化）。
      • 风速与元件电阻（或电压）的变化存在函数关系（同样需要校准）。
      • 优点： 电路相对简单。
      • 缺点： 响应速度较慢（因为元件温度变化需要时间），热惯性影响较大，不适合测量快速脉动气流。
  4. 信号处理与输出：
    • 电路检测并处理维持恒温所需的电流/电压变化（恒温式）或元件两端的电压变化（恒流式）。
    • 这些电信号经过放大、线性化处理（根据校准曲线将非线性关系转化为线性输出）和温度补偿（补偿环境温度变化的影响）。
    • 最终输出与风速成比例的电信号（如模拟电压、电流）或直接显示风速值（数字式）。

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