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(huán)節(jié),因高空環(huán)境相對惡劣,并且濕度不穩(wěn)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(huán)境中易出現(xiàn)結(jié)露,極易導致傳感器在使用的過程中出現(xiàn)失效情況。為此,需要對濕度傳感器結(jié)構(gòu)與材料進行優(yōu)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(jié)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(xiàn)結(jié)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(xiàn)結(jié)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(huán)境中出現(xiàn)結(jié)露情況。

1．1 濕度傳感器加熱器結(jié)構(gòu)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(qū)域,以此能夠確保濕度傳感器測量期間的可靠性與穩(wěn)定性。需要進行濕度傳感器熱傳導模型的構(gòu)建,在高空環(huán)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(fā)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(fā)生改變,會使?jié)穸葌鞲衅髦械碾娙葜狄矔S之產(chǎn)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(huán)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(huán)境中,電容會出現(xiàn)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(guān)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(jié)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(jié)構(gòu)形式有較大關(guān)系,其中外部引線等效電感與引線長度有一定關(guān)系;Rp是并聯(lián)損耗電阻,包括漏電損耗與介質(zhì)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(guān)。

3 地面試驗與結(jié)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(fā)生器進行濕度測量靜態(tài)實驗。濕度傳感器能夠在可在0%RH－100%RH環(huán)境中工作,在此基礎上根據(jù)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(huán)境溫度保持在＋30度,并且在不同溫度點穩(wěn)定20 min,同時在此基礎上對數(shù)據(jù)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(tài)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(nèi),從而能夠使?jié)穸葌鞲衅骶哂休^好的測量特性,能夠消除濕度傳感器表面出現(xiàn)結(jié)露。此外,從測試結(jié)果能夠看出,濕度傳感器在低溫環(huán)境中,需要對傳感器進行加熱,使表面溫度不低于環(huán)境溫度,以此能夠有效改善測量特性。

3．3 時間常數(shù)測試 首先制作密封艙放置于濕度發(fā)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(guān)。發(fā)生器溫度設定為＋30度,密封艙蓋發(fā)生器濕度設定為30%,待濕度穩(wěn)定后將密封艙關(guān)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(shù)。

4 結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)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(tài)下確保測量的穩(wěn)定性,由此表明此種驗證方法具有較高的科學性與有效性。