探空儀的加熱式濕度傳感器及測量電路分析

東華計量測試研究院 江西 南昌 330029

我國大氣探測科學水平主要是由高空氣象探測水平進行衡量,在此過程中濕度探測是較為重要的環節,因高空環境相對惡劣,并且濕度不穩定,最低溫度在－90度,以此要求濕度傳感器應當具有耐低溫以及抗干擾能力強等特點。電容式濕度傳感器在具備上述特點的基礎上,制作成本也較低,所以是深入研究的一個方向。但是,電容式濕度傳感器由于在高濕環境中易出現結露,極易導致傳感器在使用的過程中出現失效情況。為此,需要對濕度傳感器結構與材料進行優化,以此達到較好的應用效果。

1 濕度傳感器研制

當空氣溫度較高的情況下,水蒸氣含量也相對較多,若空氣溫度相對較低,水蒸氣含量也較低,在此過程中即使水蒸氣較少也會形成一定結露。因此,當濕度傳感器表面溫度不高于空氣溫度的情況下,物體表面會出現結露,若不影響傳感器正常工作,把該表面溫度保持在恒溫,便可有效避免傳感器表面出現結露[1]。為此,研究一種蛇形加熱器的平板夾心電容式濕度傳感器,能夠在不同溫度中對加熱功率進行有效控制,以此確保濕度傳感器表面溫度保持一定恒溫,能夠有效解決傳感器在高濕環境中出現結露情況。

1．1 濕度傳感器加熱器結構分析及設計仿真 因聚酰亞胺感濕特性會隨著溫度變化而改變,因此需要濕度傳感器在有較為均勻的表面溫度,并且加熱期間需要覆蓋感濕區域,以此能夠確保濕度傳感器測量期間的可靠性與穩定性。需要進行濕度傳感器熱傳導模型的構建,在高空環境中傳感器熱量散失主要以熱對流、熱傳導等方式。

1．2 工藝制備方法 濕度傳感器工藝制備方法步驟為:(1)基底制備。傳感器基底主要使用了離子水清洗傳感器基底;(2)絕緣層制備。在氧化基底表面生成較密的SiO2,將其作為第一層;(3)通過光刻工藝進行蛇形加熱電極的有效制備;(4)通過射頻濺射方法進行Al2O3的制備,并將其作為保護層;(5)采用氫氧化鉀溶液鏤空基底;(6)通過勻膠工藝進行感濕層的有效制備;(7)通過蒸發鍍膜機設備進行多孔上電極。

2 濕度傳感器電容測量方法

若高空濕度發生改變,會使濕度傳感器中的電容值也會隨之產生變化,在此過程若能夠精確得到濕度傳感器電容值變化情況,便可得到高空環境濕度變化趨勢。在一些情況下,電容式濕度傳感器可以作為純電容,但是在不同溫度與濕度環境中,電容會出現不同程度的損耗,不能將其忽略。所以,在對濕度傳感器損耗與電感效應進行分析的過程中,不能將濕度傳感器作為純電容。

圖1 濕度傳感器的等效電路圖

其中Rs是電路板引線與極板間引線,與工作頻率成正比關系,由于Rs值一般較小,只有當工作頻率較高的情況下才能對該值測量結果進行有效的考慮;L是濕度傳感器電感與外部引線的等效電感,與結構形式有較大關系,其中外部引線等效電感與引線長度有一定關系;Rp是并聯損耗電阻,包括漏電損耗與介質損耗[2]。

由于第一項會隨著諧振頻率升高而降低,第二項隨著諧振頻率升高而增加,因此可通過上式得出fb,公式如下:

那么濕度傳感器有效電容Ce可得的如下等式:

有上式表明,濕度傳感器電感與外部引線的等效電感會對電容值造成影響,但是濕度傳感器與地間寄生電容、引線寄生電容在低溫下的變化與溫度有關。

3 地面試驗與結果討論

3．1 常溫特性測試 在進行常溫特性測試的過程中,主要使用了雙壓法濕度發生器進行濕度測量靜態實驗。濕度傳感器能夠在可在0%RH－100%RH環境中工作,在此基礎上根據試點選取原則與空間大小選取原則,選擇了不同測試點,分別有10%RH、30%RH、50%RH、70%RH、90%RH,環境溫度保持在＋30度,并且在不同溫度點穩定20 min,同時在此基礎上對數據進行詳細記錄。

3．2 溫度交變特性測試 濕度傳感器在不加熱的情況下,分別在不同溫度中實施靜態實驗,比如－10度、0度、＋10度、20度,在此過程中需要對傳感器加熱功率進行有效控制,以此使傳感器表面溫度保持一定范圍之內,從而能夠使濕度傳感器具有較好的測量特性,能夠消除濕度傳感器表面出現結露。此外,從測試結果能夠看出,濕度傳感器在低溫環境中,需要對傳感器進行加熱,使表面溫度不低于環境溫度,以此能夠有效改善測量特性。

3．3 時間常數測試 首先制作密封艙放置于濕度發生器中,并引出傳感器信號,通過將密封蓋與密封艙連接的氣缸實施有效控制,能夠是密封艙進行有效開關。發生器溫度設定為＋30度,密封艙蓋發生器濕度設定為30%,待濕度穩定后將密封艙關閉。若在某種時刻濕度傳感器濕度值確定,那么該時刻便是濕度傳感器的時間常數。

4 結語

綜上所述,本文在對探空儀的加熱式濕度傳感器進行研究的過程中,提出了一種蛇形加熱器平板夾心電容式濕度傳感器結構與工藝制備方法,并且在此基礎上對測量電路進行了全面設計,同時還進行了地面特性實驗,由實驗結果顯示:濕度傳感器靈敏度為2．3%RH·pF－1,重復性約為1．9%。此外,在對傳感器進行加熱的過程中,能夠使傳感器在低溫的狀態下確保測量的穩定性,由此表明此種驗證方法具有較高的科學性與有效性。