CN108287185A - 一种探空湿度传感器、制备方法、探空湿度测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种探空湿度传感器、制备方法、探空湿度测量系统及测量方法，包括自下而上设置的衬底层、感湿层和过滤层，所述衬底层和感湿层之间设置有恒温层，所述恒温层包括自下而上设置的第一绝缘层、加热板、微流控装置，所述微流控装置包括蛇形管道、第二绝缘层和微流泵，所述蛇形管道设置在第二绝缘层的下表面且蛇形管道的末端连接微流泵，所述蛇形管道内置有液体。解决探空湿度传感器在高空低温等恶劣环境下容易出现结露结冰的现象，同时从根本上消除太阳辐射的影响；进一步的，提高了探空湿度传感器的测量精确度。
Description
技术领域
本发明涉及一种探空湿度传感器、制备方法、探空湿度测量系统及测量方法。
背景技术
随着环境湿度对工农业生产、气象、环保、国防、航空航天等方面的重要性越来越大，人们对环境湿度的测量精度要求也越来越高，尤其是高空气象探测领域中湿度探测受到了人们越来越多的重视。目前国内外的一些探空湿度传感器在技术上仍然存在一些问题，主要的问题是测量精度不够：一方面，由于高空环境恶劣，环境温度非常低，一般处在-90～-15℃，典型温度为-50℃，这使得探空湿度传感器表面在雨天或者入云和出云时容易结露，甚至结冰，从而导致探空湿度传感器不能工作；另一方面，探空的过程中，湿度传感器容易受到太阳辐射的影响，太阳辐射会导致湿度传感器表面的饱和水汽压升高，从而影响湿度传感器的测量精确度，导致测量结果出现偏干误差。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种探空湿度传感器、制备方法、探空湿度测量系统及测量方法，解决探空湿度传感器在高空低温等恶劣环境下容易出现结露结冰的现象，同时从根本上消除太阳辐射的影响；进一步的，提高了探空湿度传感器的测量精确度。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种探空湿度传感器，包括自下而上设置的衬底层、感湿层和过滤层，所述衬底层和感湿层之间设置有恒温层，所述恒温层包括自下而上设置的第一绝缘层、加热板、微流控装置，所述微流控装置包括蛇形管道、第二绝缘层和微流泵，所述蛇形管道设置在第二绝缘层的下表面且蛇形管道的末端连接微流泵，所述蛇形管道内置有液体。
优选，所述加热板为回环形加热板且为铂金属加热板。
优选，所述感湿层包括氧化石墨烯层和叉指电极，所述叉指电极设置在氧化石墨烯层的上表面。
优选，蛇形管道的内部注满水，所述第一绝缘层和第二绝缘层为二氧化硅层。
优选，所述过滤层为过滤网，所述探空湿度传感器还包括相连的温度传感器A和单片机，所述温度传感器A设置在过滤网的上表面，所述单片机与加热板相连。
一种探空湿度测量系统，包括支架和设置在支架上的支架，所述支架顶部设置有湿度传感器、温度传感器B和温度传感器C，所述温度传感器B和温度传感器C分别设置在湿度传感器的两侧，所述湿度传感器、温度传感器B和温度传感器C分别通过通信模块与地面接收系统相连，所述湿度传感器采用上述任意一项所述的探空湿度传感器。
一种探空湿度传感器的制备方法，包括如下步骤：
S1、采用晶体硅作为衬底材料，将衬底材料进行氧化处理，使衬底表面生成一层二氧化硅层，形成第一绝缘层；
S2、在第一绝缘层的表面制备回环形加热板；
S3、制备第二绝缘层，即二氧化硅层；
S4、在第二绝缘层的下表面制备蛇形管道，在蛇形管道的末端连接一个微流泵，并在蛇形管道的内部注满水；
S5、在所述第二绝缘层的上表面制备叉指电极；
S6、对第二绝缘层的上表面继续进行镂空处理；
S7、将感湿材料氧化石墨烯覆盖在第二绝缘层的上表面，其中，感湿材料氧化石墨烯包裹住叉指电极形成感湿层；
S8、在感湿层的上表面采用蒸金工艺制备出多孔的过滤网。
一种探空湿度测量方法，包括如下步骤：
步骤一：温度传感器A实时测量湿度传感器的表面温度T0，并将结果传输给单片机，单片机将T0与预设的温度T进行比较，若T0<T，则单片机提高加热板的加热功率对湿度传感器进行加热；若T0>T,则单片机降低加热板的加热功率对湿度传感器进行加热，使湿度传感器表面的温度维持在T；
步骤二：湿度传感器以采样周期T采对湿度进行采集，得到相对湿度RH0并将结果传输给单片机；
步骤三：根据饱和水汽压和温度的关系曲线，找到T0温度下对应的饱和水气压P0；
步骤四：计算空气中的实际水汽压Pr＝RH0×P0；
步骤五：通过湿度传感器两侧支架架起的温度传感器B和C测得的数据求平均值，得到高空大气的平均温度T1；
步骤六：根据饱和水汽压和温度的关系曲线，找到T1温度下对应的饱和水气压P1；
步骤七：根据相对湿度的公式得到修正后的相对湿度为：
步骤八：单片机将接收到的修正后的相对湿度传输给地面接收系统模块。
本发明的有益效果是：
1、本发明的回环式加热器采用铂金属材料，制备工艺简单易于实现，在加热板的上表面覆盖有采用微流控装置制备的一层可以流动的导热性强的液体薄膜管道，根据液体的流动性可以使得物体加热均匀这一性质，从而排除了感湿层由于受热不均而造成的测量误差，使得测量更加的精确、可靠。
2、本发明的恒温层能够将湿度传感器的温度控制在一个预先设定好的恒定温度，实现了湿度传感器温度的可控性，在高空低温的恶劣环境下，有效的排除了湿度传感器表面易结冰结露的现象，避免了湿度传感器由于表面结冰结露现象而引起的测量误差，同时对湿度传感器起到了一个很好的保护作用，此外，太阳辐射的影响也被完全排除，使得湿度传感器的测量结果更加的精确、可靠。
3、本发明的感湿层采用高分子薄膜氧化石墨烯作为感湿材料，与传统的感湿材料(比如聚酰亚胺)相比，氧化石墨烯湿敏传感器具有更高的灵敏度、响应速度更快、滞后性小且重复性好。
4、本发明的加热电级采用叉指结构，即正负电极板的叉指状电极相对交错设置，感湿材料包裹着叉指电极，使得感湿材料的体积增大，从而增加了有效湿敏电容，减少了寄生电容，提高了湿度传感器的灵敏度。
附图说明
图1是本发明一种探空湿度传感器的结构示意图；
图2是本发明微流控装置的结构示意图；
图3是本发明探空湿度传感器的顶部横截面示意图；
图4是本发明一种探空湿度测量系统的结构示意图；
图5是本发明一种探空湿度测量系统实施例的硬件电路图；
图6是本发明探空湿度测量方法的流程图；
附图的标记含义如下：
1：衬底层；2：第一绝缘层；3：回环形加热板；4：微流控装置；41：蛇形管道；42：第二绝缘层；43：微流泵；5：氧化石墨烯层；6：叉指电极；7：过滤层；8：湿度传感器；9：支架；10：支架底座；11：导线。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1-6所示，一种探空湿度传感器，包括自下而上设置的衬底层、感湿层和过滤层(过滤层可设置为过滤网)，所述衬底层和感湿层之间设置有恒温层，所述恒温层包括自下而上设置的第一绝缘层、加热板、微流控装置，所述微流控装置包括蛇形管道、第二绝缘层和微流泵，所述蛇形管道设置在第二绝缘层的下表面且蛇形管道的末端连接微流泵，所述蛇形管道内置有液体，比如，蛇形管道的内部注满水。
本发明提供了一种高精度的加热式恒温探空湿度传感器，通过将湿度传感器表面温度控制在一个比高空中液体结冰临界点温度高些的恒定温度的方法，提高了探空湿度传感器的测量精确度以及对低温等恶劣环境的适应性，同时也消除了太阳辐射的影响。优选，所述衬底采用晶体硅来制备，所述第一绝缘层以及第二绝缘层采用晶体硅的氧化物二氧化硅来制备，即所述第一绝缘层和第二绝缘层为二氧化硅层。所述感湿层采用高分子薄膜感湿材料氧化石墨烯制备。
优选，加热板为回环形加热板且为铂金属加热板，加热板的一端引出两个电极，通过外接电源供电使得加热板工作实现对湿度传感器的加热，从而将湿度传感器表面的温度控制在一个恒定值。所述感湿层包括氧化石墨烯层和叉指电极，所述叉指电极设置在氧化石墨烯层的上表面。
加热板与单片机相连，在加热板的设计过程中，考虑到加热板不同的结构可能会对传感器的加热效果影响不同，本发明在设计了回环式的加热板后，将该加热板应用到湿度传感器结构中，通过有限元仿真分析，将仿真结果进行分析，发现回环式的加热板结构虽然制造工艺简单，但是传感器中心部分的加热温度不连续，为了解决这一问题，本发明又提出了一种改进措施：
在加热板上面覆盖上一层由微流控装置制备的一层水薄膜，该水薄膜是在第二绝缘层的下表面采用光刻工艺以及磁控溅射方法制备出所述的蛇形管道，蛇形管道的末端连接所述的微流泵，在蛇形管道内部注满液体并在微流泵的作用下不停的循环流动形成的。该水薄膜能够实现管道内液体不停的循环流动，进而利用液体的流动性将不均匀的温度分布实现平均分布，从而使得传感器的均匀加热实现传感器表面温度的均匀分布，解决了由于加热板的形状结构造成的传感器受热不均引起的测量误差。
本发明的恒温层通过将湿度传感器表面温度控制在一个恒定的温度，该温度下能够有效的防止传感器表面结露结冰，有效解决了高空低温环境下、传感器容易结露、结冰以及太阳辐射对湿度传感器测量产生干扰的问题，所述湿度传感器的表面安装有一个温度传感器(即温度传感器A，其设置在过滤网的上表面)，该温度传感器对湿度传感器表面的温度进行实时测量，并将测量结果经过传感器数据采集模块中的硬件电路传送给S3C2440单片机，单片机接收到数据后结合PID算法开始进行PWM调制，通过对加热板两端输出电压占空比的调制，改变加热板的加热功率，从而实现单片机对加热板的控制，使得湿度传感器表面的温度保持在一个预设的恒定值(此为现有技术)，其中利用PID算法得出加热板输出电压占空比与湿度传感器温度变化之间的关系，进而对整个过程操作；在湿度传感器的两侧通过支架分别架起两个温度传感器，用来测量高空中的大气温度，并将测量结果反馈给单片机，通过S3C2440中的饱和水汽压与温度的关系曲线结合相对湿度的计算公式，从而求得高空大气中的实际相对湿度。
一种探空湿度传感器的制备方法，包括如下步骤：
S1、采用晶体硅作为衬底材料，将衬底材料进行氧化处理，使衬底表面生成一层致密的二氧化硅层，形成第一绝缘层；
S2、在第一绝缘层的表面制备回环形加热板；
S3、采用S1的方法制备第二绝缘层，即二氧化硅层；
S4、采用S2的方法，在第二绝缘层的下表面制备蛇形管道，在蛇形管道的末端连接一个微流泵，并在蛇形管道的内部注满水；
S5、在所述第二绝缘层的上表面制备叉指电极；
S6、对第二绝缘层的上表面继续进行镂空处理；
S7、将感湿材料氧化石墨烯覆盖在第二绝缘层的上表面，其中，感湿材料氧化石墨烯包裹住叉指电极形成感湿层；
S8、在感湿层的上表面采用蒸金工艺，利用蒸发镀膜机制备出多孔的过滤网。
优选，采用光刻工艺和磁控溅射的方法制备回环形加热板、蛇形管道和叉指电极，采用腐蚀镂空的方法对第二绝缘层的上表面进行镂空处理。
一种探空湿度测量系统，包括支架底座和设置在支架底座上的支架，所述支架顶部设置有湿度传感器、温度传感器B和温度传感器C，所述温度传感器B和温度传感器C分别设置在湿度传感器的两侧，所述湿度传感器、温度传感器B和温度传感器C分别通过通信模块与地面接收系统相连，所述湿度传感器采用上述任意一项所述的探空湿度传感器。通信模块可以是无线通信模块，也可以采用导线11。
其中，湿度传感器8为高空湿度测量系统的核心部分，温度传感器A用来测量湿度传感器8表面的温度T0，温度传感器A紧贴着湿度传感器的表面放置；温度传感器B和温度传感器C用来测量高空中大气的温度T1；支架9的表面涂有一层绝热材料，该材料能够确保温度传感器B和C所测的温度为准确的高空大气温度，该支架的两端分别架起温度传感器B和C，中间架起湿度传感器8，且温度传感器B和C分别位于湿度传感器的两侧一定距离内；支架底座10能够有效的支撑整个装置；图4中所示的导线11总共有8条，分别为温度传感器A、B、C各两条，湿度传感器8引出两条，该导线从支架内部穿过用来连接系统电路，完成相应的测量工作。
图5是一种硬件结构示意图，主要包括：电源模块、传感器数据检测模块、传感器数据采集模块、通信模块以及地面接收模块。所述电源模块采用12V的直流电源，传感器数据检测模块、传感器数据采集模块以及通信模块分别采用模拟电源、基准电压源和3.3V的数字电源供电；所述传感器数据检测模块包括湿度传感器和温度传感器，各个传感器收集到相应的电信号后，经过信号调理(放大滤波)通过相应的通道分别将模拟信号稳定的传输给高精度的AD7746和AD7793，经过AD7746和AD7793分别将模拟信号转换成数字信号；所述传感器数据采集模块包括高精度的AD7746和AD7793，其中AD7746用来接收湿度传感器发来的信号，AD7793用来接收温度传感器A、B、C发来的信号；所述通信模块包括S3C2440主芯片，LCD液晶显示模块、PID控制模块、脉宽调制电路模块以及与RS232通信接口相连接的GPS模块；所述地面接收模块主要包括GPS网络模块、GPS模块以及与GPS模块相连的PC机。
高空大气环境温度一般处在-90～-15℃，典型温度为-50℃，这使得探空湿度传感器表面在雨天或者入云和出云时容易结露，甚至结冰，从而导致探空湿度传感器不能正常工作。为解决这一问题，本发明能够通过加热板对湿度传感器不停地加热，从而将湿度传感器的表面温度控制在一个恒定的温度。一种探空湿度测量方法，包括如下步骤：
步骤一：温度传感器A实时测量湿度传感器的表面温度T0，并将结果通过传感器数据采集模块传输给单片机，单片机将T0与预设的温度T(优选T＝50℃)进行比较，若T0<T，则单片机提高加热板的加热功率对湿度传感器进行加热(单片机通过脉宽调制(PWM)电路并结合PID模块算法，调整加热板输出电压占空比的大小，提高加热功率)；若T0>T,则单片机降低加热板的加热功率对湿度传感器进行加热(单片机通过脉宽调制(PWM)电路并结合PID模块算法，调整加热板输出电压占空比的大小，降低加热功率)，使湿度传感器表面的温度一直维持在T；本发明结合PID算法利用回环式加热板对湿度传感器进行加热，将温度控制在一个恒定值，从而有效的解决了高空湿度传感器表面容易结露结冰的现象。
步骤二：湿度传感器的温度维持在T的同时，湿度传感器以采样周期T采对湿度进行采集，得到相对湿度RH0并将结果传输给单片机；
步骤三：单片机调出预存的饱和水汽压和温度的关系曲线，根据饱和水汽压和温度的关系曲线，找到T0温度下对应的饱和水气压P0；
步骤四：计算空气中的实际水汽压Pr＝RH0×P0：由相对湿度公式：
得到因此空气中的实际水气压Pr＝RH0×P0；
步骤五：通过湿度传感器两侧支架架起的温度传感器B和C测得的数据求平均值，得到高空大气的平均温度T1；
步骤六：根据饱和水汽压和温度的关系曲线，找到T1温度下对应的饱和水气压P1；
步骤七：单片机对数据进行实时处理，根据相对湿度的公式得到修正后的相对湿度为：
步骤八：单片机将接收到的修正后的相对湿度通过GPS模块以及天线传输给地面接收系统模块，地面接收模块成功接收数据，并将数据传输给PC机。
本发明的有益效果是：
1、本发明的回环式加热器采用铂金属材料，制备工艺简单易于实现，在加热板的上表面覆盖有采用微流控装置制备的一层可以流动的导热性强的液体薄膜管道，根据液体的流动性可以使得物体加热均匀这一性质，从而排除了感湿层由于受热不均而造成的测量误差，使得测量更加的精确、可靠。
2、本发明的恒温层能够将湿度传感器的温度控制在一个预先设定好的恒定温度，实现了湿度传感器温度的可控性，在高空低温的恶劣环境下，有效的排除了湿度传感器表面易结冰结露的现象，避免了湿度传感器由于表面结冰结露现象而引起的测量误差，同时对湿度传感器起到了一个很好的保护作用，此外，太阳辐射的影响也被完全排除，使得湿度传感器的测量结果更加的精确、可靠。
3、本发明的感湿层采用高分子薄膜氧化石墨烯作为感湿材料，与传统的感湿材料(比如聚酰亚胺)相比，氧化石墨烯湿敏传感器具有更高的灵敏度、响应速度更快、滞后性小且重复性好。
4、本发明的加热电级采用叉指结构，即正负电极板的叉指状电极相对交错设置，感湿材料包裹着叉指电极，使得感湿材料的体积增大，从而增加了有效湿敏电容，减少了寄生电容，提高了湿度传感器的灵敏度。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种探空湿度传感器，包括自下而上设置的衬底层(1)、感湿层和过滤层(7)，其特征在于，所述衬底层(1)和感湿层之间设置有恒温层，所述恒温层包括自下而上设置的第一绝缘层(2)、加热板、微流控装置(4)，所述微流控装置(4)包括蛇形管道(41)、第二绝缘层(42)和微流泵(43)，所述蛇形管道(41)设置在第二绝缘层(42)的下表面且蛇形管道(41)的末端连接微流泵(43)，所述蛇形管道(41)内置有液体。
2.根据权利要求1所述的一种探空湿度传感器，其特征在于，所述加热板为回环形加热板(3)且为铂金属加热板。
3.根据权利要求1所述的一种探空湿度传感器，其特征在于，所述感湿层包括氧化石墨烯层(5)和叉指电极(6)，所述叉指电极(6)设置在氧化石墨烯层(5)的上表面。
4.根据权利要求3所述的一种探空湿度传感器，其特征在于，蛇形管道(41)的内部注满水，所述第一绝缘层(2)和第二绝缘层(42)为二氧化硅层。
5.根据权利要求3所述的一种探空湿度传感器，其特征在于，所述过滤层(7)为过滤网，所述探空湿度传感器还包括相连的温度传感器A和单片机，所述温度传感器A设置在过滤网的上表面，所述单片机与加热板相连。
6.一种探空湿度测量系统，包括支架(10)和设置在支架(10)上的支架(9)，所述支架(9)顶部设置有湿度传感器(8)、温度传感器B和温度传感器C，所述温度传感器B和温度传感器C分别设置在湿度传感器(8)的两侧，所述湿度传感器(8)、温度传感器B和温度传感器C分别通过通信模块与地面接收系统相连，其特征在于，所述湿度传感器(8)采用权利要求1-5任意一项所述的探空湿度传感器(8)。
7.一种探空湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、采用晶体硅作为衬底材料，将衬底材料进行氧化处理，使衬底表面生成一层二氧化硅层，形成第一绝缘层(2)；
S2、在第一绝缘层(2)的表面制备回环形加热板(3)；
S3、制备第二绝缘层(42)，即二氧化硅层；
S4、在第二绝缘层(42)的下表面制备蛇形管道(41)，在蛇形管道(41)的末端连接一个微流泵(43)，并在蛇形管道(41)的内部注满水；
S5、在所述第二绝缘层(42)的上表面制备叉指电极(6)；
S6、对第二绝缘层(42)的上表面继续进行镂空处理；
S7、将感湿材料氧化石墨烯覆盖在第二绝缘层(42)的上表面，其中，感湿材料氧化石墨烯包裹住叉指电极(6)形成感湿层；
S8、在感湿层的上表面采用蒸金工艺制备出多孔的过滤网。
8.根据权利要求7所述的一种探空湿度传感器的制备方法，其特征在于，采用光刻工艺和磁控溅射的方法制备回环形加热板(3)、蛇形管道(41)和叉指电极(6)。
9.根据权利要求7所述的一种探空湿度传感器的制备方法，其特征在于，采用腐蚀镂空的方法对第二绝缘层(42)的上表面进行镂空处理。
10.一种探空湿度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：温度传感器A实时测量湿度传感器的表面温度T0，并将结果传输给单片机，单片机将T0与预设的温度T进行比较，若T0<T，则单片机提高加热板的加热功率对湿度传感器进行加热；若T0>T,则单片机降低加热板的加热功率对湿度传感器进行加热，使湿度传感器表面的温度维持在T；
步骤二：湿度传感器以采样周期T采对湿度进行采集，得到相对湿度RH0并将结果传输给单片机；
步骤三：根据饱和水汽压和温度的关系曲线，找到T0温度下对应的饱和水气压P0；
步骤四：计算空气中的实际水汽压Pr＝RH0×P0；
步骤五：通过湿度传感器两侧支架(9)架起的温度传感器B和C测得的数据求平均值，得到高空大气的平均温度T1；
步骤六：根据饱和水汽压和温度的关系曲线，找到T1温度下对应的饱和水气压P1；
步骤七：根据相对湿度的公式得到修正后的相对湿度为：
步骤八：单片机将接收到的修正后的相对湿度传输给地面接收系统模块。
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