CN102749364A

CN102749364A - 一种海洋气象要素相对湿度传感器

Info

Publication number: CN102749364A
Application number: CN2012102319597A
Authority: CN
Inventors: 漆随平; 王东明; 李小峰; 杨慧; 张志伟; 于宏波
Original assignee: Oceanographic Instrumentation Research Institute Shandong Academy of Sciences
Current assignee: Oceanographic Instrumentation Research Institute Shandong Academy of Sciences
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2012-10-24

Abstract

本发明针对陆地用气象要素相对湿度传感器难以适应海洋高湿、高盐雾、高腐蚀环境的问题，提出一种海洋气象要素相对湿度传感器。采用高精度湿敏元件，通过频率发生电路将空气相对湿度的变化量转换为频率信号；通过频率电压转换电路将频率信号转换为电压信号；线性化调理电路将变化的电压信号进行线性化处理，使电压的变化能够线性化地对应于空气相对湿度的变化.通过特殊结构及可靠性设计，满足了气象要素相对湿度传感器的海洋环境适应性。测试结果表明，本发明海洋气象要素相对湿度传感器测量精度高、线性化好，能够适应于海洋环境。

Description

一种海洋气象要素相对湿度传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，特别地涉及一种海洋气象要素相对湿度传感器。

背景技术

地面气象观测规范中，空气湿度是指地面气象观测规定高度上的空气湿度，测量湿度的仪器或传感器主要有百叶箱干球与湿球温度表、毛发湿度表、通风干湿表、湿度计、湿敏电容湿度传感器。

百叶箱干湿球湿度表是用于测定空气的温度和湿度的仪器。它由两支型号完全一样的温度表组成，气温由干球温度表测定，湿度是根据热力学原理由干球温度表与湿球温度表的温度差值计算得出。温度表是根据水银(酒精)热胀冷缩的特性制成的，分感应球部、毛细管、刻度磁板、外套管四个部分。该方法观测时需要保持视线和水银柱顶端齐平，且要求读数动作要迅速，力求敏捷，容易因观察者对温度表呼吸以及读数停留时间等因素影响温度示度。

毛发湿度表是根据脱脂人发能随空气湿度大小而改变长度的特性，用人发制成的测定空气相对湿度的仪器。湿度计是自动记录相对湿度连续变化的仪器，它由感应部分(脱脂人发)，传动机械(杠杆曲臂)，自记部分(自记钟、纸、笔)组成。这两种传感器的毛发小孔易被沙尘暴及扬尘天气污染而影响其精度，毛发及其部件上附有雾淞、冰或水滴时需要慢慢地干燥从而影响测量精度，空气湿度很大时，如果毛发湿度表的指针常超出刻度范围，测量结果需要订正。这两种湿度测量方法不仅误差大，而且及易损坏。

通风干湿表由干湿球温度表、通风装置、金属套管、双层保护管和上水滴管等组成。其作用、原理与百叶箱干湿球温度表基本相同。主要不同处是：温度表球部装在与风扇相通的管形套管中，利用机械或电动通风装置，使风扇获得一定转速，球部处于≥2.5m/s(电动通风可达3m/s以上)的恒定速度的气流中。由于球部双层金属护管表面镀有镍或铬，是良好的反射体，能防止太阳对仪器的直接辐射。仪器存在如下不足：金属部分极易损伤、通风电机因长期旋转易坏、湿球纱布需保持清洁、气温0℃时该传感器易冻裂。

湿敏电容湿度传感器是用有机高分子膜作介质的一种小型电容器。湿敏电容器上电极是一层多孔金膜，能透过水汽；下电极为一对刀状或梳状电极，引线由下电极引出，基板是玻璃，整个感应器是由两个小电容器串联组成。湿敏电容传感器的头部有保护滤膜，防止感应元件被尘埃污染。每月应拆开传感器头部网罩，若污染严重应更换新的滤膜。禁止手触摸湿敏电容，以免影响正常感应。

海面气象定时连续观测项目主要有云、有效水平能见度、最小水平能见度、天气现象、风、气压、海面空气温度、相对湿度和降水量等。海滨气象观测要素包括风、气压、空气温度、相对湿度、海面有效能见度、降水量、雾等。因此，相对湿度是海面气象要素中的主要要素之一。目前已有的湿度传感器主要集中两类：(1)芯片或敏感器件；(2)基于新敏感器件的相对湿度测量仪器。前者都是一般都是针对相对湿度测量而研制的通用型相对湿度传感器，其输出精度比较低、输出信号仅为与湿度有关的物理量(如电容量)，即使是输出为电压信号，一般均为小信号，需要进一步放大、线性化处理。后者可适用于气象要素相对湿度测量的仪器都是针对陆地环境而研制生产的，正如前述所述，已有陆地用相对湿度传感器难以适应海洋高湿度、高盐度、高腐蚀环境。

发明内容

本发明针对陆地用气象要素相对湿度传感器难以适应海洋高湿、高盐雾、高腐蚀环境的问题，研制了一种海洋气象要素相对湿度传感器，其具体技术方案如下：

一种海洋气象要素相对湿度传感器，其特征在于：包括壳体及其内的硬件电路，所述硬件电路包括依次连接的敏感器件电容、频率输出电路，F/V转换电路，调理处理电路，所述敏感器件电容根据相对湿度的变换输出变换的电容量信号，进而通过所述频率输出电路转换成变化的频率信号，所述F/V转换电路将变化的频率信号转换为变换的电压信号，进而通过所述调理处理电路输出能够线性化对应于空气相对湿度的电压信号。

进一步地，所述频率输出电路包括555振荡器，所述敏感器件电容的输出端一方面连接所述振荡器的高、低电压触发端，另一方面通过串联连接的第一电阻及第二电阻连接电源端，再一方面通过第一电阻连接所述振荡器的放电端，所述振荡器的输出端连接所述F/V转换电路的输入端。

进一步地，所述F/V转换电路包括LM331转换器及运算放大器，该转换器的输入端连接所述振荡器的输出端；控制端一方面通过补偿电容接地，另一方面通过偏置电阻连接直流电源；电流输出端一方面通过基准电阻连接所述运算放大器的反相输入端，另一方面通过反馈电阻连接所述运算放大器的输出端；增益调整端通过调整电阻连所述运算放大器的同相输入端。

进一步地，所述调理处理电路包括一四运放集成器，该四运放集成器的反相输入端一方面通过输入电阻连接所述运算放大器的输出端，另一方面连接一加法基准电压电路，再一方面通过可调电阻电路连接所述四运放集成器的输出端。

进一步地，所述敏感器件电容位于壳体的端部，敏感器件电容外的壳体为一金属膜空气过滤保护套。

进一步地，所述保护套内设有加热电阻，该加热电阻的供电回路开关连接控制器，该控制器根据相对湿度的大小控制所述供电回路的开启与关断。

与现有技术相比，本发明的优点与积极效果如下：本发明满足了气象要素相对湿度传感器的海洋环境适应性，测试结果表明，本发明海洋气象要素相对湿度传感器测量精度高、线性化好，能够适应于海洋环境。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明传感器结构示意图；

图2为图1所示C-C向剖视图；

图3为本发明传感器原理框图；

图4为频率输出电路原理图；

图5为F/V转换电路原理图；

图6为信号调理处理电路原理图；

图7为敏感器件频率/相对湿度变化图；

图1、图2中，1、壳体；2、金属膜空气过滤保护套；3、敏感器件电容；4、加热电阻。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明针对陆地用气象要素相对湿度传感器难以适应海洋高湿、高盐雾、高腐蚀环境的问题，以及根据现有气象要素观测设备采集湿度信号接口状态，要求湿度传感器能够输出0-5V直流信号、RS232串口数据等方式，提出一种海洋气象要素相对湿度传感器。

本发明传感器结构如图1、图2所示，包括壳体1及其内部的硬件电路，所述壳体呈圆柱形，壳体的一端内装有敏感器件电容，电容的外壳体为一金属膜空气过滤保护套，本发明采用铜膜，此保护套可阻止盐雾及其他腐蚀性杂质等大分子物质进入壳内，从而保护敏感器件电容，起到抗烟雾、抗腐蚀等作用；其他硬件电路外的壳体采用金属外壳，有效起到电路保护的作用；传感器的另一端为信号电缆连接件，用以与其他信号传输设备相连。实际使用时，若湿度长期处于临界饱和状态时，敏感器件电容会产生水珠，从而影响其敏感度，为消除上述缺陷，本发明在保护套内设有加热电阻，该加热电阻的供电回路开关连接控制器，该控制器根据相对湿度的大小控制所述供电回路的开启与关断，比如控制器检测到相对湿度处于临界饱和时，启动加热电阻的供电回路，此时加热电阻发热，以将水分蒸发，若相对湿度低于临界饱和，则切断加热电阻的供电回路，从而保证敏感器件表面的干爽。

本发明工作原理框图如图3所示，包括敏感器件电容、频率输出电路，F/V转换电路，调理处理电路，所述敏感器件电容根据相对湿度的变换输出变换的电容量信号，进而通过所述频率输出电路转换成变化的频率信号，所述F/V转换电路将变化的频率信号转换为电压变化量，通过调理处理电路进行信号调整和采集、计算，实现空气相对湿度的测量。

参考图4，所述频率输出电路包括555振荡器，所述敏感器件电容CX选用HS1101型相对湿度敏感器件，其输出端一方面连接所述振荡器的高电压触发端6脚、低电压触发端2脚，另一方面通过串联连接的第一电阻R1及第二电阻R2连接电源端VCC，再一方面通过第一电阻R1连接所述振荡器的放电端7脚，所述振荡器的输出端3脚连接所述F/V转换电路的输入端。如图3所示，敏感器件通过第一电阻R1及第二电阻R2进行充电到阈值，通过第二电阻R2实现放电。若敏感器件电容量为Cx，相对湿度为RH，则充放电时间分别为：t_high＝C_x*(R₁+R₂)*ln2，t_low＝C_x*R₁*ln2，电路输出频率为：

f＝1/(t_high+t_low)＝1/(C_x*(R₂+2*R₁)*ln2)

考虑到敏感器件电容随湿度变化响应的非线性及温度对555内部工作特性的影响，电路实际输出的频率通过湿度55％时频率及湿度值校正后的多项式为：

f_mes＝f_55％(1.1038-1.9368*10^-3*RH+3.0114*10^-6*RH²-3.4403*10^-8*RH³)

需要说明的是本发明频率输出电路也可通过晶体或运放搭建，但其线性度及可靠性劣于上述电路结构。

参考图5，所述F/V转换电路包括LM331转换器及运算放大器U3C，该转换器具有转换精密、线性好等优点，其输入端6脚连接所述振荡器的输出端；控制端5脚一方面通过补偿电容C3接地，另一方面通过偏置电阻R13连接直流电源VCC；电流输出端1脚一方面通过基准电阻R5连接所述运算放大器U3C的反相输入端，另一方面通过反馈电阻R6连接所述运算放大器U3C的输出端；增益调整端2脚通过电阻R7及可变电阻WR1连接所述运算放大器U3C的同相输入端。图4中，输入频率信号与输出电压幅值的关系式为：

V_{OUT} = - F_{OUT} \times 2.09 V \times \frac{R_{5}}{R_{7} + W R_{1}} \times (R_{13} C_{3})

输出电压用ui表示，通过给R5、R7、WR1及R13、C3赋值后，可计算出ui范围为-3.653V-3.0165V。

按照气象数据采集系统要求，电压输出范围为0V-5.0V，本发明选择四运放集成器LM324，设计出将频率信号转换的反斜率负电压信号调整为正斜率正电压信号的调理处理电路，当然可以采用其他分立电路器件搭建，此不一一例举，如图6所示，所述调理处理电路包括一四运放集成器U3A，该四运放集成器U3A的反相输入端一方面通过输入电阻R10连接所述运算放大器U3C的输出端，另一方面连接一加法基准电压电路，再一方面通过可调电阻电路连接所述四运放集成器U3A的输出端，其中，所述加法基准电压电路四运放集成器U3A反相输入端相连的电阻R9，该电阻一方面通过可变电阻R16接直流电源VCC，另一方面通过电阻R20接地；所述可调电阻电路包括串联连接的可变电阻R17及电阻R18。图6中，电压调理电路输出为uo，输入电压为ui，加法基准电压为ub，则电压转换计算公式：

u_{o} = k (u_{b} + u_{i}) = \frac{R 17 + R 18}{R 10} (u_{b} + u_{i}),

式中k为放大倍数，调节可变电阻R17使得运放输出范围为0V-5V。

气象用湿度传感器测量精度及可靠性要求较高，作为湿度敏感器件，首先需要对其一致性进行测试，以测试其性能的同时对其生产调试工艺进行探索。在电路设计中，选择了高精度电阻及宽温范围使用的集成电路，并进行了老化、筛选等处理，然后选择两个湿度敏感器件(分别编号为1#、2#)分别在一个电路板上，进行湿度与频率关系测试，以测试两传感器一致性，测试数据见表1，相应的变化图如图7所示。

表1频率/相对湿度变化趋势测试数据

测试结果表明，该类相对湿度敏感器件的电容量随相对湿度变化跟随线性度不是很好，器件的一致性也不好，且随着湿度减小，电容量变化会因器件的差异增大。根据敏感器件输出频率随相对湿度变化范围及趋势，通过调整电路R16、R17，使相对湿度在0-100％变化时电路输出电压输出范围为0Vˉ5.0V。调整好两个研制的传感器进行封装，并在湿度测试箱中进行测试。测试结果见表2，变化趋势如图7所示。

表2湿度传感器准确性测试结果


											湿度给定值	9.7	20.2	30.1	39.8	50.3	60.1	69.7	80.4	89.9	94.9
电压测量值	0.480	0.990	1.496	2.01	2.55	3.044	3.556	4.084	4.56	4.816
											对应湿度值	9.6	19.8	29.9	40.2	51.0	60.9	71.1	81.7	91.2	96.3
准确度	-0.1	-0.4	-0.2	0.4	0.7	0.8	0.4	1.3	1.3	1.4

测试结果表明，研制传感器湿度测量最大误差为1.4％，远优于气象规范的要求。而且在传感器设计了抗盐雾抗腐蚀结构以及专用的百叶箱，并在船上进行了海试，可以满足舰船等海洋恶劣环境中的气象观测。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域有类似要求的液体、气体的控制，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种海洋气象要素相对湿度传感器，其特征在于：包括壳体及其内的硬件电路，所述硬件电路包括依次连接的敏感器件电容、频率输出电路，F/V 转换电路，调理处理电路，所述敏感器件电容根据相对湿度的变换输出变换的电容量信号，进而通过所述频率输出电路转换成变化的频率信号，所述F/V 转换电路将变化的频率信号转换为变换的电压信号，进而通过所述调理处理电路输出能够线性化对应于空气相对湿度的电压信号。

2.根据权利要求1所述的海洋气象要素相对湿度传感器，其特征在于：所述频率输出电路包括555振荡器，所述敏感器件电容的输出端一方面连接所述振荡器的高、低电压触发端，另一方面通过串联连接的第一电阻及第二电阻连接电源端，再一方面通过第一电阻连接所述振荡器的放电端，所述振荡器的输出端连接所述F/V 转换电路的输入端。

3.根据权利要求1或2所述的海洋气象要素相对湿度传感器，其特征在于：所述F/V 转换电路包括LM331转换器及运算放大器，该转换器的输入端连接所述振荡器的输出端；控制端一方面通过补偿电容接地，另一方面通过偏置电阻连接直流电源；电流输出端一方面通过基准电阻连接所述运算放大器的反相输入端，另一方面通过反馈电阻连接所述运算放大器的输出端；增益调整端通过调整电阻连所述运算放大器的同相输入端。

4.根据权利要求3所述的海洋气象要素相对湿度传感器，其特征在于：所述调理处理电路包括一四运放集成器，该四运放集成器的反相输入端一方面通过输入电阻连接所述运算放大器的输出端，另一方面连接一加法基准电压电路，再一方面通过可调电阻电路连接所述四运放集成器的输出端。

5.根据权利要求1所述的海洋气象要素相对湿度传感器，其特征在于：所述敏感器件电容位于壳体的端部，敏感器件电容外的壳体为一金属膜空气过滤保护套。

6.根据权利要求5所述的海洋气象要素相对湿度传感器，其特征在于：所述保护套内设有加热电阻，该加热电阻的供电回路开关连接控制器，该控制器根据相对湿度的大小控制所述供电回路的开启与关断。

7.根据权利要求4所述的海洋气象要素相对湿度传感器，其特征在于：所述敏感器件电容位于壳体的端部，敏感器件电容外的壳体为一金属膜空气过滤保护套。

8.根据权利要求7所述的海洋气象要素相对湿度传感器，其特征在于：所述保护套内设有加热电阻，该加热电阻的供电回路开关连接控制器，该控制器根据相对湿度的大小控制所述供电回路的开启与关断。