CN113109516B - 一种湿度传感器响应与恢复时间测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种湿度传感器响应与恢复时间测量装置及方法，测量装置包括外箱体、内箱体、湿度发生装置及湿度补偿装置，内箱体内设置有驱动组件和测试支架，内箱体的侧壁上开设有天窗，驱动组件带动测试支架从天窗进出内箱体和外箱体；湿度发生装置通过管路分别与内箱体和外箱体连通，在管路上设置控制开关的电磁阀，湿度补偿装置通过带湿度补偿的PI D算法输出调制的PWM，调节电磁阀的开断频率，湿度补偿装置在测试支架进出内、外箱体时，对内、外箱体的湿度进行实时补偿控制；在测量方法中，采用上述装置完成测量后，还结合了响应时间补偿公式，得到理想化的响应与恢复时间。
Description
技术领域
本发明涉及传感器检测设备技术领域，尤其是指一种湿度传感器响应与恢复时间测量装置及方法。
背景技术
湿度传感器是一种基于敏感元件将环境湿度信息转化为电信号的检测装置，广泛应用于工业生产、农业种植、医疗监控、食品贮藏等环节的湿度监控。随着物联网等产业的迅猛发展，湿度传感器作为需求量最大的底层传感元件之一，全球年消费量逐年攀升。响应与恢复时间是湿度传感器的一项重要指标参数，在一些特殊应用领域，如医疗设备中的呼吸实时监测应用中，被检测湿度通常快速变化，通常要求湿度传感器的响应与恢复与恢复时间在5秒以内，因此为了检验生产的湿度传感器响应与恢复时间是否达标，就必须精确测量湿度传感器的响应与恢复时间。
湿度传感器的响应与恢复时间定义为在一定温度下，当相对湿度发生跃变一定量时，湿敏元件电参量达到稳态变化量的规定比例(常用63％和90％)所需的时间，也可称为时间常数，它反映了湿度传感器对于湿度变化时反应速度的快慢程度。随着湿度传感器研发技术的进步，部分商用湿度传感器响应与恢复时间已低于8秒。传统的温湿度试验箱因为内部空间较大，湿度控制装置无法在极短的时间内完成箱内环境相对湿度的跃变，此外，还有手动将湿度传感器迅速取出实现湿度跃变的响应与恢复时间测试方法，该方法操作过程难以统一且引入的噪声会产生测量误差。因此，自动、精确地测量湿度传感器响应与恢复时间成为了研发和生产中亟需解决的问题。
现有的湿度传感器响应与恢复时间测量的设备使用真空泵等装置利用测试仓内外压差作用，将湿度发生器产生的高湿度气体迅速转移到测试仓内，实现了湿度传感器的响应与恢复时间测试。在这种测试方法中，测试仓内湿度的阶跃是通过两头电磁阀控制的，由于低湿环境由真空泵运行后使测试仓真空干燥实现，因此该设备只能实现测试仓内低湿到高湿的阶跃，即无法测量湿度传感器的恢复时间，其次，湿度发生器产生的高湿气体在压力差下被吸入测试仓内时，水分子会被相应稀释，测试仓内相对湿度会有一定程度的降低，没有配置相关的补偿算法功能，因此无法实现相应时间的精确测量。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中湿度传感器响应与恢复时间测量装置无法满足响应时间测试的需求的问题，提供一种湿度传感器响应与恢复时间测量装置及方法，该装置能够提供标准化的湿度阶跃变化，并且在湿度阶跃变化的同时对湿度阶跃变化的两边进行湿度补偿；该方法能够对湿度阶跃变化时造成的误差进行响应时间补偿，从而能够实现湿度传感器响应与恢复时间的高精度、理想化的测量。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种湿度传感器响应与恢复时间测量装置，包括外箱体、内箱体、湿度发生装置及湿度补偿装置，所述内箱体设置在外箱体内，所述内箱体内设置有驱动组件和用于放置待测传感器的测试支架，所述内箱体的侧壁上开设有天窗，所述驱动组件带动测试支架从所述天窗进出所述内箱体和外箱体；所述湿度发生装置通过管路分别与内箱体和外箱体连通，在所述管路上设置控制开关的电磁阀，所述湿度补偿装置通过带湿度补偿的PID算法输出调制的PWM，调节电磁阀的开断频率，所述湿度补偿装置在测试支架进出内、外箱体时，对内、外箱体的湿度进行实时补偿控制；所述内箱体和外箱体内均设置有湿度检测传感器，比较内、外箱体的所述湿度检测传感器的差值确定内、外箱体的湿度阶跃。
在本发明的一个实施例中，所述湿度发生装置包括干气体发生单元和湿气体发生单元，所述干气体发生单元和湿气体发生单元均通过不同的管路分别与内箱体和外箱体连通，能够对内、外箱体进行独立的湿度控制，创造低湿到高湿或高湿到低湿的响应与恢复时间测量条件。
在本发明的一个实施例中，所述测试支架包括密封盖、密封样品台和用于连接密封盖、密封样品台的支撑架，当测试支架位于所述内箱体内部时，所述密封盖封堵所述天窗，使所述内箱体处于密封状态；当测试支架位于所述内箱体外部时，所述密封样品台封堵所述天窗，同样使所述内箱体处于密封状态。
在本发明的一个实施例中，所述测试支架的密封盖和密封样品台外周设置有硅胶密封条，在响应与恢复时间测量过程中能够与天窗紧密接触，保证内、外箱体的气体隔离。
在本发明的一个实施例中，所述外箱体内还设置有温度调节组件和温度检测传感器，所述温度调节组件包括制冷单元、制热单元，所述温度调节组件为湿度传感器响应与恢复时间测量提供不同的测试温度。
在本发明的一个实施例中，所述外箱体的一侧设置有推拉门，所述推拉门的一端铰接在所述外箱体上，所述推拉门的另一端通过弹簧锁锁合在外箱体上。
在本发明的一个实施例中，所述推拉门上设置有观察窗。
在本发明的一个实施例中，所述外箱体外还设置有可视化单元和输入单元。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种湿度传感器响应与恢复时间测量方法，使用上述湿度传感器响应与恢复时间测量装置，设置外箱体和内箱体不同的湿度条件，将待测传感器放置在测试支架上，通过驱动组件带动测试支架进出内箱体和外箱体，从而提供湿度阶跃条件；持续采集待测湿度传感器的输出值，按照响应与恢复时间的定义，计算得到待测湿度传感器的响应与恢复时间；采集内、外箱体湿度差、测试温度、驱动杆升降速度得到响应时间补偿公式；将响应时间补偿公式与计算得到的响应与恢复时间结合，得到理想化的响应与恢复时间。
在本发明的一个实施例中，所述响应时间补偿公式为：
其中，ΔTs为需补偿的响应与恢复时间，Ka为实验室测得补偿系数，Kt为腔体的体积系数，XRH为内外腔体的湿度差异，T为腔体温度，Vs为驱动杆的升降速度。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的湿度传感器响应与恢复时间测量装置，利用驱动组件实现测试支架通过天窗在内、外箱体中的快速移动，形成湿度传感器测试环境的湿度阶跃，能够满足高性能湿度传感器的响应与恢复时间测量；采用湿度发生装置通过管路分别与内箱体和外箱体连通及设置电磁阀控制管路的开关，可以独立控制内外箱体中的湿度；设置湿度补偿装置，能够运行带湿度补偿的PID算法，输出调制的PWM，调节电磁阀的开断频率，在驱动组件带动待测传感器进出内、外箱体时，内、外箱体处于连通状态，通过湿度补偿装置能够对内、外箱体的湿度进行补偿，保证内、外箱体的湿度的稳定性。
本发明所述的湿度传感器响应与恢复时间测量方法，使用上述湿度传感器响应与恢复时间测量装置，提供湿度阶跃条件；并且结合内、外箱体湿度差、测试温度、驱动杆升降速度得到响应时间补偿公式，拟合计算出减小误差的响应与恢复时间结果，得到理想化的响应与恢复时间，满足高精度湿度传感器响应与恢复时间的自动化测量需求。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明的湿度传感器响应与恢复时间测量装置的内部结构示意图；
图2是本发明的湿度传感器响应与恢复时间测量装置的外部结构示意图；
图3是本发明的湿度传感器响应与恢复时间测量方法的流程图。
说明书附图标记说明：1、外箱体；2、内箱体；3、湿度发生装置；4、电磁阀；501、制冷单元；502、制热单元；6、风扇；7、温度检测传感器；8、湿度检测传感器；9、测试支架；901、密封盖；902、密封样品台；903、支撑架；10、驱动组件；11、湿度补偿装置；12、推拉门；13、观察窗；14、可视化单元；15、输入单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地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。
实施例一
参照图1所示，本发明的一种湿度传感器响应与恢复时间测量装置，包括外箱体1、内箱体2、湿度发生装置3及湿度补偿装置11，所述内箱体2设置在外箱体1内，所述内箱体2内设置有驱动组件10和用于放置待测传感器的测试支架9，所述内箱体2的侧壁上开设有天窗，所述驱动组件10带动测试支架9从所述天窗进出所述内箱体2和外箱体1；所述湿度发生装置3通过管路分别与内箱体2和外箱体1连通，在所述管路上设置控制开关的电磁阀4，所述湿度补偿装置11与电磁阀4电连接，所述湿度补偿装置11通过带湿度补偿的PID算法输出调制的PWM，调节电磁阀4的开断频率，所述湿度补偿装置11在测试支架9进出内、外箱体时，对内、外箱体的湿度进行实时补偿控制；所述内箱体2和外箱体1内均设置有湿度检测传感器8，比较内、外箱体的所述湿度检测传感器8的差值，确定内、外箱体的湿度阶跃，本实施例中，利用驱动组,10实现测试支架9通过天窗在内、外箱体中的快速移动，形成湿度传感器测试环境的湿度阶跃，能够满足高性能湿度传感器的响应与恢复时间测量；采用湿度发生装置3通过管路分别与内箱体2和外箱体1连通及设置电磁阀4控制管路的开关，可以独立控制内、外箱体中的湿度；设置湿度补偿装置11，能够运行带湿度补偿的PID算法，输出调制的PWM，调节电磁阀4的开断频率，在驱动组件10带动待测传感器进出内、外箱体时，内、外箱体处于连通状态，通过湿度补偿装置11能够对内、外箱体的湿度进行补偿，保证内、外箱体的湿度的稳定性。
具体地，所述湿度发生装置3包括干气体发生单元和湿气体发生单元，分别能够对空间进行干燥和加湿处理，所述干气体发生单元和湿气体发生单元均通过不同的管路分别与内箱体2和外箱体1连通，参照图1所示，所述湿度发生装置3与内、外箱体之间一共有四条管路，每条管路上均设置有电磁阀4，通过电磁阀4能够控制每条管路的单独开关，能够对内、外箱体进行独立的湿度控制，创造低湿到高湿或高湿到低湿的响应与恢复时间测量条件。
具体地，所述电磁阀4通过湿度补偿装置11控制开关，所述湿度补偿装置11能够运行带湿度补偿的PID算法，具体地，PID是工业控制上的一种控制算法，其中P表示比例，I表示积分，D表示微分，以湿度控制的PID程序为例：P(比例)表示在湿度设定值上下多少度的范围内做比例动作，当湿度越高，功率越小，湿度越低，功率就越大，功率到底为多大，就看湿度偏差值和比例区间的大小按反比关系计算；I(积分)也是一种比例，是湿度偏差值的累积值与设定的一个值之间的反比关系；D(微分)是湿度变化快慢跟功率的比值，即当你觉得湿度上升的太快时，就降低功率，以阻止湿度上升过快，反之当湿度下降太快时，就加大功率以阻止湿度下降太快，本实施例中，带湿度补偿的PID算法数学模型为：
Humi_out＝Kp·Uerror+Ki·Uinr+Kd·Uder
Uerror＝(Uset-Umea-KvTs)，
其中Kv为湿度的变化速率，Ts是湿度检测传感器的响应与恢复时间。其余变量与常量的意义为，Humi_out是PID算法的输出，该电压直接控制PWM的调制。其中Uerror为带补偿的误差变量，Uinr为积分算法，Uder为微分算法。Kp，Ki与Kd分别是P，I，D算法部分的系数。
本实施例中，为了保证测试支架9进出内箱体后的密封性，参照图1所示，所述测试支架9包括密封盖901、密封样品台902和用于连接密封盖901、密封样品台902的支撑架903，当测试支架9位于所述内箱体2内部时，所述密封盖901封堵所述天窗，使所述内箱体2处于密封状态；当测试支架9位于所述内箱体2外部时，所述密封样品台902封堵所述天窗，同样使所述内箱体2处于密封状态。
具体的，所述测试支架9的密封盖901和密封样品台902外周设置有硅胶密封条，在响应与恢复时间测量过程中能够与天窗紧密接触，保证内、外箱体的气体隔离。
具体地，所述驱动组件10包括安装在内箱体2内的驱动源和由驱动源带动与测试支架9连接的驱动杆，所述驱动组件10能以最快60mm/s的速度将处于内箱体2中的待测湿度传感器驱动上升至外箱体1中，该过程迅速且平稳，减少了测量中的振动和噪声。
本实施例中，为了能够实现在不同温度下，对湿度传感器响应与恢复时间的测量，在所述外箱体1内还设置有温度调节组件和温度检测传感器7，所述温度调节组件包括制冷单元501、制热单元502，所述温度调节组件为湿度传感器响应与恢复时间测量提供不同的测试温度，具体地，所述制冷单元501包括降低外箱体1温度的半导体制冷片及半导体制冷片水冷装置，所述制热单元502包括用于提升外箱体1中温度的陶瓷加热片。
具体地，为了提高外箱体1内温度的控制精度，所述外箱体1内壁上设置有保温棉和铝箔，所述保温棉和铝箔能够防止外箱体1内的热量散失。为了提高外箱体1内温度的分布均匀性，所述外箱体1内设置有用于实现空气循环的风扇6，所述风扇6能够加速内部气体流通。
参照图2所示，所述外箱体1的一侧设置有推拉门12，所述推拉门12的一端铰接在所述外箱体1上，所述推拉门12的另一端通过弹簧锁锁合在外箱体1上，所述推拉门12上设置有观察窗13，通过观察窗13能够实时监测外箱体1内的待检测传感器的状态。
具体地，所述外箱体1上还设置有可视化单元14和输入单元15，所述可视化单元14为LCD屏幕，能够显示外箱体1和内箱体2的温度、湿度；所述输入单元15能够输入调节温度调节组件、湿度发生装置3的预设值。
实施例二
参照图3所示，本发明的一种湿度传感器响应与恢复时间测量方法，使用上述湿度传感器响应与恢复时间测量装置，包括如下步骤：
(1)开启测量装置，测试支架通过天窗上升至内箱体外，将待测湿度传感器置于测试支架内，与采集记录设备相连。
(2)设置测试温度，使内外箱体的温度达目标值并稳定。
(3)设置外箱体和内箱体的目标湿度，即湿度阶跃条件，将测试支架退回内箱体中，密封盖封堵天窗，使内部箱体处于密封状态。
(4)内、外箱体温度和湿度稳定后，测试支架通过天窗上升至内部箱体外，密封样品台封堵天窗，同样使所述内、外箱体处于密封状态，实现湿度传感器测试环境的湿度阶跃。
(5)采集记录设备从驱动组件开始推动测试支架上升起，持续采集湿度传感器在湿度阶跃时的输出信号，并且采集内、外箱体湿度差、测试温度、驱动杆升降速度。
(6)根据持续采集的湿度传感器在湿度阶跃时的输出信号计算得到待测湿度传感器的响应与恢复时间，根据内、外箱体湿度差、测试温度、驱动杆升降速度建立响应时间补偿公式，将响应时间补偿公式与计算得到的响应与恢复时间结合，得到理想化的响应与恢复时间。
具体地，湿度阶跃的理想程度受驱动杆升降速度、内外箱体容量、湿度阶跃目标值以及环境温度等多个参数的影响，所述响应时间补偿公式为：
其中，ΔTs为需补偿的响应与恢复时间，Ka为实验室测得补偿系数，Kt为腔体的体积系数，XRH为内外腔体的湿度差异，T为腔体温度，Vs为驱动杆的升降速度。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种湿度传感器响应与恢复时间测量方法，其特征在于：所述测量方法使用湿度传感器响应与恢复时间测量装置，所述湿度传感器响应与恢复时间测量装置包括外箱体、内箱体、湿度发生装置及湿度补偿装置，所述内箱体设置在外箱体内，所述内箱体内设置有驱动组件和用于放置待测传感器的测试支架，所述内箱体的侧壁上开设有天窗，所述驱动组件带动测试支架从所述天窗进出所述内箱体和外箱体；
设置外箱体和内箱体不同的湿度条件，将待测传感器放置在测试支架上，通过驱动组件带动测试支架进出内箱体和外箱体，从而提供湿度阶跃条件；持续采集待测湿度传感器的输出值，按照响应与恢复时间的定义，计算得到待测湿度传感器的响应与恢复时间；采集内、外箱体湿度差、测试温度、驱动杆升降速度得到响应时间补偿公式，所述响应时间补偿公式为：
其中，ΔTs为需补偿的响应与恢复时间，Ka为实验室测得补偿系数，Kt为腔体的体积系数，XRH为内外腔体的湿度差异，T为腔体温度，Vs为驱动杆的升降速度；
将响应时间补偿公式与计算得到的响应与恢复时间结合，得到理想化的响应与恢复时间。
2.根据权利要求1所述的湿度传感器响应与恢复时间测量方法，其特征在于：所述湿度发生装置包括干气体发生单元和湿气体发生单元，所述干气体发生单元和湿气体发生单元均通过不同的管路分别与内箱体和外箱体连通，能够对内、外箱体进行独立的湿度控制，创造低湿到高湿或高湿到低湿的响应与恢复时间测量条件。
3.根据权利要求1所述的湿度传感器响应与恢复时间测量方法，其特征在于：所述测试支架包括密封盖、密封样品台和用于连接密封盖、密封样品台的支撑架，当测试支架位于所述内箱体内部时，所述密封盖封堵所述天窗，使所述内箱体处于密封状态；当测试支架位于所述内箱体外部时，所述密封样品台封堵所述天窗，同样使所述内箱体处于密封状态。
4.根据权利要求3所述的湿度传感器响应与恢复时间测量方法，其特征在于：所述测试支架的密封盖和密封样品台外周设置有硅胶密封条，在响应与恢复时间测量过程中能够与天窗紧密接触，保证内、外箱体的气体隔离。
5.根据权利要求1所述的湿度传感器响应与恢复时间测量方法，其特征在于：所述外箱体内还设置有温度调节组件和温度检测传感器，所述温度调节组件包括制冷单元、制热单元，所述温度调节组件为湿度传感器响应与恢复时间测量提供不同的测试温度。
6.根据权利要求1所述的湿度传感器响应与恢复时间测量方法，其特征在于：所述外箱体的一侧设置有推拉门，所述推拉门的一端铰接在所述外箱体上，所述推拉门的另一端通过弹簧锁锁合在外箱体上。
7.根据权利要求6所述的湿度传感器响应与恢复时间测量方法，其特征在于：所述推拉门上设置有观察窗。
8.根据权利要求1所述的湿度传感器响应与恢复时间测量方法，其特征在于：所述外箱体外还设置有可视化单元和输入单元。
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