CN108680611B - 湿度传感器、测量系统、开关控制器及湿度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种湿度传感器、湿度测量系统、湿度开关控制器及湿度测量方法，该湿度传感器包括微控制器、基板、位于基板上的至少一个测量层和导电组件；测量层与导电组件连接。测量层包括至少一个纸基材料层，用于吸湿时带动导电组件发生移动或形变，使得导电组件涉及的电参数发生变化；微控制器与导电组件电连接，用于根据该导电组件涉及的电参数的变化，确定环境的湿度。本发明利用纸基材料在不同湿度下的变形情况，带动导电组件发生移动或形变，使导电组件涉及的电参数基于湿度而变化，微控制器根据导电组件涉及的电参数的变化测量出湿度值，大大降低了湿度传感器整体结构的复杂性，进而减少制造成本，提高制造效率。

Description

湿度传感器、测量系统、开关控制器及湿度测量方法

技术领域

本发明涉及于传感器技术领域，尤其涉及一种湿度传感器、湿度测量系统、湿度开关控制器及湿度测量方法。

背景技术

随着科技的发展与进步，湿度传感器在众多领域都得到了广泛的应用。传统湿度传感器中包括有电阻式、电容式的湿敏元件，其中，湿敏电阻式湿度传感器工作原理在于：在湿度传感器的基片上覆盖一层用感湿材料制成的薄膜，当空气中的水蒸气吸附在薄膜上时，湿敏电阻的电阻率和电阻值都发生变化，根据变化的电阻率和电阻值测量出湿度值。而湿敏电容式湿度传感器工作原理在于：湿敏电容一般是用例如聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等的高分子薄膜电容制成。当环境的湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使湿敏电容的电容值也发生变化，电容值变化量与相对湿度成正比。

但是，本发明的发明人对现有技术进行研究发现如下问题：

1)对于湿敏电阻式湿度传感器，由于在实际使用过程中，感湿材料制成的薄膜上反复附着水蒸气，水蒸气中的杂质在水蒸气蒸发后会存留在薄膜上，影响湿敏电阻式湿度传感器的准确性。

2)对于湿敏电容式湿度传感器，利用高分子薄膜制成的湿敏电容会直接增加湿度传感器的制造成本，加大制造难度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种湿度传感器、测量系统、开关控制器及湿度测量方法，用于解决现有技术中湿度传感器准确性差，制造成本高昂或制造难度大等问题。

针对上述问题，在第一方面中，本发明提出了一种湿度传感器，包括微控制器、基板、位于所述基板上的至少一个测量层和导电组件；

所述测量层与所述导电组件连接；

所述测量层包括至少一个纸基材料层，用于吸湿时带动所述导电组件发生移动或形变，使得所述导电组件涉及的电参数发生变化；

所述微控制器与所述导电组件电连接，用于根据该导电组件涉及的电参数的变化，确定环境的湿度。

在第二方面中，本发明还提出了一种湿度测量系统，包括：本发明第一方面中的湿度传感器，以及重力传感器；

重力传感器与湿度传感器连接，用于确定所述湿度传感器的重力方向；

所述导电组件和所述重力传感器均与所述微控制器电连接；

微控制器，还用于根据所述重力方向，以及所述导电组件涉及的电参数的变化，确定环境的湿度。

在第三方面中，本发明还提出了一种湿度开关控制器，包括：本发明第二方面中的湿度测量系统。

在第四方面中，本发明还提出了一种基于本发明第二方面中的湿度测量系统的湿度测量方法，包括：

获取来自于重力传感器的方向；

根据所述重力传感器的方向确定所述湿度传感器的重力方向；

根据所述重力方向，以及导电组件涉及的电参数的变化，确定环境的湿度。

应用本发明实施例至少能够获得以下有益效果：

由于本发明中的测量层包括至少一个纸基材料层，测量层吸湿时能够带动导电组件发生移动或形变，使得导电组件涉及的电参数(如电阻值)发生变化；利用纸基材料层在不同湿度下的变形情况，带动导电组件发生移动或形变，使得导电组件涉及的电参数发生变化，相当于导电组件涉及的电参数在基于湿度发生变化，微控制器可以基于导电组件涉及的电参数的变化测量出湿度值，这样大大降低了湿度传感器的整体结构的复杂性，进而减少制造成本，提高制造效率。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例测量层中的纸基材料层在未彼此复合且未吸湿情况下的结构示意图；

图2为本发明实施例测量层中的纸基材料层在未彼此复合且吸湿情况下的结构示意图；

图3为本发明实施例测量层中的纸基材料层在彼此复合且未吸湿情况下的结构示意图；

图4为本发明实施例测量层中的纸基材料层在彼此复合且吸湿情况下的结构示意图；

图5a为本发明第一实施例的湿度传感器的结构示意图；

图5b为本发明第二实施例的湿度传感器的结构示意图；

图6为本发明第二实施例的湿度传感器的具体结构示意图；

图7为图6中的湿度传感器在多层级情况下的侧视图；

图8为图7中的湿度传感器的俯视图；

图9a为本发明第一实施例的湿度传感器沿水平方向设置的示意图，其中，测量层和电极设置在基板的顶部；

图9b为本发明第一实施例的湿度传感器沿垂直方向设置的示意图，其中，测量层和电极设置在基板的右侧并且电极设置在测量层的顶部；

图9c为本发明第一实施例的湿度传感器沿垂直方向设置的示意图，其中，测量层和电极设置在基板的左侧并且电极设置在测量层的底部；

图10为本发明实施例的湿度测量系统的结构框图；

图11为本发明实施例的湿度测量方法的流程图。

附图标记介绍如下:

10-测量层中的纸基材料层；1-微控制器；2-测量层；3-基板；4-导电组件；51-电阻引线；52-电极；53-金属薄膜；6-网孔；G1-测量层2的重力方向；G2-导电组件4的重力方向；22-重力传感器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”到另一元件时，它可以直接连接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”可以包括无线连接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

在介绍本发明实施例提供的湿度传感器之前，首先介绍一下本发明实施例涉及的纸基材料层的工作原理。

图1-图4示出了本发明实施例涉及的多个纸基材料层10在不同条件下的工作原理，该纸基材料层10是将微米级或者纳米级纤维素进行不同程度的过滤与热压涂铸，形成不同湿度膨胀系数的纸基薄膜。

图1示出了多个湿度膨胀系数不同的纸基材料层10在未彼此复合(即相邻两个纸基材料层之间未连接)且未吸湿(即未吸收环境中的水蒸气)情况下的结构示意图，附图标记3表示用于放置纸基材料层10的基板；每个纸基材料层的形变不会影响其它纸基材料层的形变；其中，该多个纸基材料层10具有沿水平方向相同的长度。当纸基材料层10处于干燥的环境下(即，纸基材料层10未吸湿的情况下)时，这些纸基材料层10并不会发生形变或移动。

图2示出了多个湿度膨胀系数不同的纸基材料层10在未彼此复合且吸湿情况下的结构示意图，其中，当纸基材料层10处于潮湿的环境下(即纸基材料层10吸湿的情况下)时，每一纸基材料层10会沿水平方向延伸，而延伸的长度与纸基材料层10的湿度膨胀系数成正比。因此，如图2所示，在相同的潮湿环境下，每层纸基材料层10的延伸长度会不同。

图3示出了多个湿度膨胀系数不同的纸基材料层10在彼此复合且未吸湿情况下的结构示意图，其中，将多个纸基材料层10复合在一起，当这些复合在一起的纸基材料层10处于干燥的环境下(即纸基材料层10未吸湿的情况下)时，这些纸基材料层10并不会发生形变或移动。

图4示出了多个湿度膨胀系数不同的纸基材料层10在彼此复合且吸湿情况下的结构示意图，其中，将复合在一起的纸基材料层10的一端(例如，图4中的左侧端)固定在基板3上，由于将多个纸基材料层10复合在一起，且复合在一起的纸基材料层10的另一端(例如，图4中的右侧端)未固定在基板3上，基于图2所示的原理，当处于潮湿的环境下时，每层纸基材料层10的延伸长度会从上到下依次递增，施加在另一端面上的力也会从上到下依次递增，因此，由在最底层上具有最大湿度膨胀系数的纸基材料层10施加在另一端面上的力大于在最顶层上具有最小湿度膨胀系数的纸基材料层10施加在另一端面上的力，这导致了复合在一起的纸基材料层10整体向上弯曲变形。

基于图1-图4的工作原理，在第一方面中，如图5a和图5b所示，本发明实施例提供了一种湿度传感器，包括微控制器1、基板3、位于基板3上的至少一个测量层2和导电组件4，测量层2与导电组件4连接。测量层2包括至少一个纸基材料层10，用于吸湿时带动导电组件4发生移动(如图5a所示)或形变(如图5b所示)，使得导电组件4涉及的电参数发生变化；微控制器1与导电组件4电连接，用于根据该导电组件4涉及的电参数的变化，确定环境的湿度。

本发明实施例由于测量层与导电组件连接，测量层包括至少一个纸基材料层，测量层吸湿时能够带动导电组件发生移动或形变，使得导电组件涉及的电参数(如电阻值)发生变化；利用纸基材料层在不同湿度下的变形情况，带动导电组件发生移动或形变，使得导电组件涉及的电参数发生变化，相当于导电组件涉及的电参数在基于湿度发生变化，微控制器可以基于导电组件涉及的电参数的变化测量出湿度值，大大降低了湿度传感器的整体结构的复杂性，进而减少制造成本，提高制造效率。

在一种具体的实施方式中，测量层2包括层叠且复合在一起的多个纸基材料层10，纸基材料层10根据湿度膨胀系数递增或递减的顺序依次堆叠，具体设置方式如图1-图4所示，但是，显而易见的是，本领域技术人员能够根据实际情况和变形程度，重新排列纸基材料层10的堆叠顺序。本发明实施例测量层2采用多个纸基材料层10复合堆叠的设置方式，吸湿时能够更好的带动导电组件4发生移动或形变，进而使得微控制器1测出的湿度值更加准确。

具体地，本发明实施例中的导电组件4包括电极或包括至少一层金属薄膜，该金属薄膜可以采用压电材料制作，当然，实际设计时，导电组件还可以包括其它类型的导电部件，本发明实施例仅以导电组件包括电极或金属薄膜为例进行介绍。

实施例一：

本发明实施例一中的导电组件4包括电极52，如图5a所示，电极52设置在基板3上，测量层2的一端(如图中的左侧端)固定连接在基板3上，测量层2的另一端与电极52连接；基板3上还设置有电阻引线51，电阻引线51分布在电极52的移动方向上，如图中箭头所示的方向；当测量层2吸湿带动电极52发生移动时，导电组件4涉及的电参数包括电极52与电阻引线51预设端(如电阻引线51在图中的左侧端或右侧端)之间的电阻值。

这样，电极52可以作为一个电路(图中未示出)中的一个电极，基板3上设置的电阻引线51可以作为该电路中的另一个电极。当测量层2吸湿弯曲变形时，会迫使电极52沿图中箭头所示的方向发生移动，使电极52与电阻引线51预设端之间的距离发生变化，进而改变电路中的电阻值，来反映出湿度的变化情况。

具体地，电路中的电阻值的变化是通过以下公式计算出：

R＝ρL/S (1)

其中，R为电路中的电阻值，ρ为电阻引线51的密度，L为电极52与电阻引线51预设端之间的距离，S为电阻引线51的截面积。

如图5a所示，电阻引线51预设端以电阻引线51左侧端为例，当测量层2吸湿带动电极52沿图中箭头指向左侧的方向发生移动时，从公式(1)中可知，此时L的值变小，而L值变小导致电阻值R减小，R的减小能够反映出湿度的变化情况，微控制器能够根据电阻值R的变化，确定出环境的湿度。

优选地，电极52包括碳纳米管、金属电极或者碳电极中的任一种。但是，显而易见的是，本领域技术人员也可以使用其他导电材料制成电极52。

实施例二：

本发明实施例二中的导电组件4包括至少一层金属薄膜53，如图5b所示，测量层2吸湿时带动金属薄膜53发生形变，导电组件4涉及的电参数包括金属薄膜53发生形变后的电阻值。

具体实施时，测量层2可以为单层的纸基材料层，也可以为层叠且复合在一起的多个纸基材料层，如图6所示，金属薄膜53上方的测量层2可以为单层的纸基材料层，金属薄膜53下方的测量层2也可以为单层的纸基材料层，金属薄膜53上下的单层纸基材料层具有不同的湿度膨胀系数；当然，金属薄膜53上方的测量层2还可以为层叠且复合在一起的多个湿度膨胀系数不同的纸基材料层，金属薄膜53下方的测量层2还可以为层叠且复合在一起的多个湿度膨胀系数不同的纸基材料层。

具体地，金属薄膜53的电阻值的变化是通过以下公式计算出：

R1＝ρ1L1/S1 (2)

其中，R1为金属薄膜53的电阻值，ρ1为金属薄膜53的密度，L1为金属薄膜53的长度，S1为金属薄膜53的截面积。

当金属薄膜53受外力作用时，从公式(2)中可以获知，当金属薄膜53的长度L1和截面积S1发生变化时，其电阻值R1也会发生改变。实验表明，在金属薄膜53受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。反之，当金属薄膜53受外力作用而被压缩时，其长度减小伴随着截面积的增加，会导致电阻值减小。由此可知，只要测出金属薄膜53电阻的变化，就可获得测量层2吸湿时带动金属薄膜53的形变情况，进而能够确定出环境的湿度。

为了提高湿度传感器的精准度与可靠性，在一个优选的实施例中，如图7所示，当金属薄膜53包括多层时，测量层2和金属薄膜53依次堆叠设置，且所有的金属薄膜53连接在一起；具体实施时，金属薄膜53可以设置成类似于“S”型，并在该金属薄膜53两端连接电极，该电极可以与微控制器连接，通过微控制器测量金属薄膜53的电阻值的变化，微控制器根据测出的金属薄膜53的电阻值的变化，确定环境的湿度。

为了更进一步地提升湿度传感器的精准度以及敏感性，需要加大湿度传感器与周围环境的接触面积，加快感应灵敏响应速率，如图8所示，测量层2上设置有多个网孔6，网孔6的设置能够增加测量层2与周围环境的接触面积；或金属薄膜53上设置有多个网孔6，网孔6的设置能够增加金属薄膜53与周围环境的接触面积；或测量层2和金属薄膜53上均设置有多个网孔6，网孔6的设置能够增加测量层2和金属薄膜53与周围环境的接触面积。

在实际利用湿度传感器测量湿度值时，发明人发现在不同的应用场景下，例如湿度传感器包括的基板水平放置，测量层位于基板的上方(如图9a所示)或下方(如图5a所示)；或者湿度传感器包括的基板竖直放置，导电组件位于测量层的上方(如图9b所示)或下方(如图9c所示)时，湿度传感器由于重力因素在吸湿后带动导电组件发生的移动或形变存在差异，这就使得湿度传感器在不同的应用场景下得到不同的湿度值，不能精准地测量湿度值。

具体地，如图9a所示，当本发明的湿度传感器包括的基板3水平放置，且测量层2和导电组件4设置在基板3的上方时，测量层2处于潮湿环境时会吸湿发生弯曲，使得与其连接的导电组件4沿图中的箭头方向发生第一位移。但是，如果将本发明的湿度传感器如图9b那样设置，则在相同湿度环境下时，由于测量层2的重力(重力方向G1)和导电组件4的重力(重力方向G2)使得测量层2进一步地弯曲，发生第二位移，第二位移不同于第一位移。同样地，如果将本发明的湿度传感器如图9c那样设置，则在相同湿度环境下时，测量层2发生第三位移，第三位移不同于第一位移和第二位移。

由此可见，本发明的湿度传感器应用在不同场景时，该湿度传感器处于相同湿度环境下，导电组件4会由于测量层2和导电组件4的重力而产生不同程度的移动，进而会产生测量上的偏差。

因此，基于上述技术问题，在本发明实施例第二方面中，本发明实施例还提供了一种湿度测量系统，如图10所示，该湿度测量系统包括本发明在第一方面的湿度传感器，以及重力传感器22；重力传感器22与湿度传感器连接，用于确定湿度传感器的重力方向；导电组件4和重力传感器22均与微控制器1电连接；微控制器1，还用于根据重力方向，以及导电组件4涉及的电参数的变化，确定环境的湿度。

具体地，本发明实施例中的微控制器1具有判断能力和控制能力，主要工作是对重力方向进行判断，并对返回的导电组件4涉及的电参数(如电阻值)对应的电压信号进行检测，判断出对应的湿度情况。

具体地，重力传感器在不同的重力方向工作时反馈出不同的电信号，例如，重力传感器22能够判断重力传感器自身是垂直还是水平放置，并可以将该重力传感器22放在例如基板3上。当重力传感器22自身是垂直时，说明湿度传感器也是垂直的，进而能够判断出湿度传感器的重力方向。

本发明实施例导电组件涉及的电参数以电阻值为例进行介绍，不同的重力方向和湿度情况对应不同的电阻值情况，可以得到标定的传感器表格，该传感器表格供给后面分析调用判断不同场景下的湿度情况。具体地，重力传感器在不同的安置角度会反馈不同的电信号，微控制器通过检测不同的电信号，以及结合电阻值的变化，对比传感器表格从而确定出对应的湿度值。

在一个优选实施例中，微控制器还与存储器以及能够提供电能的电源电连接，存储器可以存储测量结果并将该结构向外输出。

在第三方面中，本发明实施例还提供了一种湿度开关控制器，其包括：本发明实施例在第二方面中的湿度测量系统。

在第四方面中，本发明实施例还提供了一种湿度测量方法，如图11所示，该方法包括：

S401：获取来自于重力传感器的方向；

S402：根据重力传感器的方向确定湿度传感器的重力方向；

S403：根据重力方向，以及导电组件涉及的电参数的变化，确定环境的湿度。

具体地，本发明实施例中的微控制器根据重力方向，以及导电组件涉及的电参数的变化，确定环境的湿度，具体确定方法已在上面进行了介绍，这里不再赘述。

应用本发明实施例所获得的有益效果包括：

1、由于本发明实施例中的测量层包括至少一个纸基材料层，测量层吸湿时能够带动导电组件发生移动或形变，使得导电组件涉及的电参数(如电阻值)发生变化；利用纸基材料层在不同湿度下的变形情况，带动导电组件发生移动或形变，使得导电组件涉及的电参数发生变化，相当于导电组件涉及的电参数在基于湿度发生变化，微控制器可以基于导电组件涉及的电参数的变化测量出湿度值，这样大大降低了湿度传感器的整体结构的复杂性，进而减少制造成本，提高制造效率。

2、由于本发明实施例中的湿度测量系统是通过其在不同位置上的重力方向和导电组件涉及的电参数的变化确定出湿度值，避免了湿度传感器在不同位置时，由于重力因素使导电组件的位移产生差异，从而导致测量结果上的偏差，大大提高了测量的准确性。

以上仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种湿度传感器，其特征在于，包括微控制器、基板、位于所述基板上的至少一个测量层和导电组件；

所述测量层与所述导电组件连接；

所述测量层包括至少一个纸基材料层，用于吸湿时带动所述导电组件发生移动或形变，使得所述导电组件涉及的电参数发生变化；

所述微控制器与所述导电组件电连接，用于根据该导电组件涉及的电参数的变化，确定环境的湿度；

所述导电组件包括电极，所述电极设置在所述基板上，所述测量层的一端固定连接在所述基板上，所述测量层的另一端与所述电极连接；所述基板上还设置有电阻引线，所述电阻引线分布在所述电极的移动方向上；当所述测量层吸湿带动所述电极发生移动时，所述导电组件涉及的电参数包括所述电极与所述电阻引线预设端之间的电阻值；或者，

所述导电组件包括至少一层金属薄膜，所述测量层吸湿时带动所述金属薄膜发生形变，所述导电组件涉及的电参数包括所述金属薄膜发生形变后的电阻值。

2.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述测量层包括层叠且复合在一起的多个纸基材料层，所述纸基材料层根据湿度膨胀系数递增或递减的顺序依次堆叠。

3.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述电极包括碳纳米管、金属电极或者碳电极中的任一种。

4.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，当所述金属薄膜包括多层时，所述测量层和所述金属薄膜依次堆叠设置，且所有的所述金属薄膜连接在一起。

5.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述测量层和/或所述金属薄膜上设置有多个网孔。

6.一种湿度测量系统，其特征在于，包括：

权利要求1-5任意一项所述的湿度传感器，以及重力传感器；

所述重力传感器与所述湿度传感器连接，用于确定所述湿度传感器的重力方向；

所述导电组件和所述重力传感器均与所述微控制器电连接；

所述微控制器，还用于根据所述重力方向，以及所述导电组件涉及的电参数的变化，确定环境的湿度。

7.一种湿度开关控制器，其特征在于，包括：权利要求6所述的湿度测量系统。

8.一种基于权利要求6的湿度测量系统的湿度测量方法，其特征在于，包括：

获取来自于所述重力传感器的方向；

根据所述重力传感器的方向确定所述湿度传感器的重力方向；

根据所述重力方向，以及所述导电组件涉及的电参数的变化，确定环境的湿度。

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