探空仪的加热式湿度传感器及测量电路分析

东华计量测试研究院 江西 南昌 330029

我国大气探测科学水平主要是由高空气象探测水平进行衡量,在此过程中湿度探测是较为重要的环节,因高空环境相对恶劣,并且湿度不稳定,最低温度在－90度,以此要求湿度传感器应当具有耐低温以及抗干扰能力强等特点。电容式湿度传感器在具备上述特点的基础上,制作成本也较低,所以是深入研究的一个方向。但是,电容式湿度传感器由于在高湿环境中易出现结露,极易导致传感器在使用的过程中出现失效情况。为此,需要对湿度传感器结构与材料进行优化,以此达到较好的应用效果。

1 湿度传感器研制

当空气温度较高的情况下,水蒸气含量也相对较多,若空气温度相对较低,水蒸气含量也较低,在此过程中即使水蒸气较少也会形成一定结露。因此,当湿度传感器表面温度不高于空气温度的情况下,物体表面会出现结露,若不影响传感器正常工作,把该表面温度保持在恒温,便可有效避免传感器表面出现结露[1]。为此,研究一种蛇形加热器的平板夹心电容式湿度传感器,能够在不同温度中对加热功率进行有效控制,以此确保湿度传感器表面温度保持一定恒温,能够有效解决传感器在高湿环境中出现结露情况。

1．1 湿度传感器加热器结构分析及设计仿真 因聚酰亚胺感湿特性会随着温度变化而改变,因此需要湿度传感器在有较为均匀的表面温度,并且加热期间需要覆盖感湿区域,以此能够确保湿度传感器测量期间的可靠性与稳定性。需要进行湿度传感器热传导模型的构建,在高空环境中传感器热量散失主要以热对流、热传导等方式。

1．2 工艺制备方法 湿度传感器工艺制备方法步骤为:(1)基底制备。传感器基底主要使用了离子水清洗传感器基底;(2)绝缘层制备。在氧化基底表面生成较密的SiO2,将其作为第一层;(3)通过光刻工艺进行蛇形加热电极的有效制备;(4)通过射频溅射方法进行Al2O3的制备,并将其作为保护层;(5)采用氢氧化钾溶液镂空基底;(6)通过匀胶工艺进行感湿层的有效制备;(7)通过蒸发镀膜机设备进行多孔上电极。

2 湿度传感器电容测量方法

若高空湿度发生改变,会使湿度传感器中的电容值也会随之产生变化,在此过程若能够精确得到湿度传感器电容值变化情况,便可得到高空环境湿度变化趋势。在一些情况下,电容式湿度传感器可以作为纯电容,但是在不同温度与湿度环境中,电容会出现不同程度的损耗,不能将其忽略。所以,在对湿度传感器损耗与电感效应进行分析的过程中,不能将湿度传感器作为纯电容。

图1 湿度传感器的等效电路图

其中Rs是电路板引线与极板间引线,与工作频率成正比关系,由于Rs值一般较小,只有当工作频率较高的情况下才能对该值测量结果进行有效的考虑;L是湿度传感器电感与外部引线的等效电感,与结构形式有较大关系,其中外部引线等效电感与引线长度有一定关系;Rp是并联损耗电阻,包括漏电损耗与介质损耗[2]。

由于第一项会随着谐振频率升高而降低,第二项随着谐振频率升高而增加,因此可通过上式得出fb,公式如下:

那么湿度传感器有效电容Ce可得的如下等式:

有上式表明,湿度传感器电感与外部引线的等效电感会对电容值造成影响,但是湿度传感器与地间寄生电容、引线寄生电容在低温下的变化与温度有关。

3 地面试验与结果讨论

3．1 常温特性测试 在进行常温特性测试的过程中,主要使用了双压法湿度发生器进行湿度测量静态实验。湿度传感器能够在可在0%RH－100%RH环境中工作,在此基础上根据试点选取原则与空间大小选取原则,选择了不同测试点,分别有10%RH、30%RH、50%RH、70%RH、90%RH,环境温度保持在＋30度,并且在不同温度点稳定20 min,同时在此基础上对数据进行详细记录。

3．2 温度交变特性测试 湿度传感器在不加热的情况下,分别在不同温度中实施静态实验,比如－10度、0度、＋10度、20度,在此过程中需要对传感器加热功率进行有效控制,以此使传感器表面温度保持一定范围之内,从而能够使湿度传感器具有较好的测量特性,能够消除湿度传感器表面出现结露。此外,从测试结果能够看出,湿度传感器在低温环境中,需要对传感器进行加热,使表面温度不低于环境温度,以此能够有效改善测量特性。

3．3 时间常数测试 首先制作密封舱放置于湿度发生器中,并引出传感器信号,通过将密封盖与密封舱连接的气缸实施有效控制,能够是密封舱进行有效开关。发生器温度设定为＋30度,密封舱盖发生器湿度设定为30%,待湿度稳定后将密封舱关闭。若在某种时刻湿度传感器湿度值确定,那么该时刻便是湿度传感器的时间常数。

4 结语

综上所述,本文在对探空仪的加热式湿度传感器进行研究的过程中,提出了一种蛇形加热器平板夹心电容式湿度传感器结构与工艺制备方法,并且在此基础上对测量电路进行了全面设计,同时还进行了地面特性实验,由实验结果显示:湿度传感器灵敏度为2．3%RH·pF－1,重复性约为1．9%。此外,在对传感器进行加热的过程中,能够使传感器在低温的状态下确保测量的稳定性,由此表明此种验证方法具有较高的科学性与有效性。