CN212301396U - 耐高温智能湿度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型及传感器的技术领域，尤其涉及一种耐高温智能湿度传感器。第一氧化锆电解质层的上端设有第一泵电极、下端设有第二泵电极和第三泵电极；第二氧化锆电解质层上包括设有的用于氧浓度或水蒸气测量采样的第一测量腔和用于氧浓度或水蒸气测量采样的第二测量腔，在第一测量腔的两侧设有作为待测气氛扩散通道的第一扩散障碍层，在第二测量腔的两侧设有作为待测气氛扩散通道的第二扩散障碍层；第三氧化锆基层内设有用于加热氧化锆陶瓷感应元件的加热器。实现了对氧浓度和湿度的同时测量并集成了智能控制器，简化了湿度传感器结构并提高了对氧浓度和湿度的检测精度。

Description

耐高温智能湿度传感器

技术领域

本实用新型及一种传感器，尤其涉及一种耐高温智能湿度传感器。

背景技术

随着世界经济飞速发展，现代化工业一直是经济发展的主要动力。环境污染问题一直以来是世界各国普遍关注的焦点，全球变暖、大气污染时时刻刻威胁着人类的生成环境。工业污染愈加严重，工艺三废（废气、废水、废渣）一直是工业污染整治的重点，湿度传感器在工业生产工艺过程和尾气处理系统中得到广泛应用。

目前电厂和供热锅炉烟气排放的控制指标主要有三项：二氧化硫、氮氧化物和颗粒物（原称为烟尘，实际是可过滤颗粒物）。现在控制二氧化硫排放的主要技术措施是湿法脱硫，即通过石灰浆液喷淋烟气进行脱硫。这项技术在国内的应用过程中取消了烟气升温设备（GGH），使得湿度很大的烟气低温低空排放，可凝结颗粒物富集，导致雾霾大爆发。另一方面，电厂推行超低排放，即对湿法脱硫排出的白色烟雾进行进一步的治理，采用湿电除尘等技术，进一步降低二氧化硫和（可过滤）颗粒物的排放，可以有效地降低二氧化，但是排放的烟气湿度大，可凝结颗粒物增加，而这部分颗粒物（气溶胶）正是雾霾形成的核心。目前控制氮氧化物排放的技术主要是选择性催化还原技术（SCR）法，即通过利用氨气，将一氧化氮等还原为对大气没有多少影响的氮气和水。但在处理过程中，未参与还原反应的氨气通过粉煤灰、脱硫废水、雾滴等被携带排出烟道，排至大气，造成大气中的氨含量升高。使二氧化硫、氮氧化物氧化生成的酸性产物转为硫酸铵、硝酸铵气溶胶，加速气态污染物向颗粒物转化。供热锅炉大部分还没实现超低排放，但脱硫、脱硝技术与电厂基本一致，大部分采用湿法脱硫和 SCR法脱硝，它们的烟气里含有更多的湿气和可凝结颗粒物。由此可见在电厂和供热锅炉的烟气处理过程烟气的湿度是影响最终的污染物排放的关键因素之一。

同时湿度传感器也广泛应用于互联网领域，智能农业，工业生产等领域。例如湿度传感器中心机房的温湿度传感器成为机房环境综合监测系统；在温室大棚、在土壤中设置了多层的湿度传感器，结合计算机与网络、物联网、无线通信等技术，实现现代农业生产的精细管理、远程控制和灾变预警等功能的集成技术系统。木柴生产过程中，热处理之后进入干燥阶段需要控制干燥窑的内的温湿度，加工完成后存储仓库需要进行环境温度监测与控制。

目前在湿度测试领域大部分湿敏元件还只能在普通温度环境下使用。而在特殊情况下如印染行业在纱锭烘干中，温度能达到120℃或更高温度；在食品行业中，食物的烘烤温度能达到80-200℃左右；耐高温材料，如陶瓷过滤器的烘干等能达到200℃以上；在工业烟气处理过程中温度也能达到300℃以上。目前普通的高分子湿度传感器是很难测量的，因为高分子电容式湿度传感器通常都是在绝缘的基片诸如玻璃、陶瓷、硅等材料上，用丝网漏印或真空镀膜工艺做出电极，再用浸渍或其它办法将感湿胶涂覆在电极上做成电容元件。湿敏元件在不同相对湿度的大气环境中，因感湿膜吸附水分子而使电容值呈现规律性变化，在设计和制作工艺中很难做到到感湿特性全湿程线性。同时温度变化所引起的介质几何尺寸的变化将影响C值。另一方面湿敏电容的温度特性受多种因素支配，在不同的湿度范围温漂不同；在不同的温区呈不同的温度系数；不同的感湿材料温度特性不同。普通的高温分子湿度传感器，精度和使用寿命易受温度影响，应用温度范围有限。

基于固体电解质氧化锆的湿度传感器，由于其材料耐高温（最高可达1000℃）、输出信号线性信好、成本低、性能稳等特点能够很好满足上高低温环境下的应用要求。基于固体电解质氧化锆的材料的传感器应用范围广泛包括氧传感器、氮氧传感器。

专利号为CN201810139637，实用新型名称为一种氮氧传感器陶瓷感应元件结构，其功能为同时检测氧浓度和氮氧浓度，陶瓷感应芯片结构设计上采用8个电极，两个腔室。在工作原理上，第一测量腔室、第二测量腔室相互关联耦合，不能相互替换。主泵单元、副泵单元、测量泵单元工作过程中相互耦合，不能相互替代；三个泵单元控制电路、三个泵电流检测电路，功能控制逻辑上不能互换、相互关联。所实现的目的是使NOx在第二腔室分解。

专利号CN201911009729，实用新型名称为一种智能氮氧传感器控制器，是在CN201810139637所描述的氮氧传感器陶瓷感应元件结构的基础上设计的一种信号检测控制器，同样的，其在工作原理上匹配第一测量腔室、第二测量腔室相互关联耦合特性以及所描述的主泵单元、副泵单元、测量泵单元相互关联耦合特性。

实用新型内容

本实用新型旨在解决上述缺陷，提供一种耐高温智能湿度传感器。

为了克服背景技术中存在的缺陷，本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：这种耐高温智能湿度传感器包括第一氧化锆电解质层、第二氧化锆电解质层和第三氧化锆基层，第二氧化锆电解质层置于第一氧化锆电解质层和第三氧化锆基层之间，

所述第一氧化锆电解质层的上端设有第一泵电极、下端设有第二泵电极和第三泵电极；

所述第二氧化锆电解质层上包括设有的用于氧浓度或水蒸气测量采样的第一测量腔和用于氧浓度或水蒸气测量采样的第二测量腔，在第一测量腔的两侧设有作为待测气氛扩散通道的第一扩散障碍层，在第二测量腔的两侧设有作为待测气氛扩散通道的第二扩散障碍层；

所述第三氧化锆基层内设有用于加热氧化锆陶瓷感应元件的加热器。

根据本实用新型的另一个实施例，进一步包括所述第一氧化锆电解质层、第二氧化锆电解质层和第三氧化锆基层由参杂钇稳定性的氧化锆组成。

根据本实用新型的另一个实施例，进一步包括所述加热器包括加热部分和引线部分，引线部分连接加热器电极接线端子区域，加热器电极接线端子区域包括加热器Tmp接线端子、加热器H-接线端子和加热器H+接线端子。

根据本实用新型的另一个实施例，进一步包括所述第一泵电极通过引线连接泵电极接线端子区域内的第一泵电极接线端子。

根据本实用新型的另一个实施例，进一步包括所述第二泵电极通过引线连接泵电极接线端子区域内的第二泵电极接线端子。

根据本实用新型的另一个实施例，进一步包括所述第三泵电极通过引线连接泵电极接线端子区域内的第三泵电极接线端子。

本实用新型的有益效果是：这种耐高温智能湿度传感器采用差分运算放大器、一阶RC滤波器等，可靠性高，且成本低。

进一步，还包括与所述微控制器单元连接的CAN通信接口电路，用于与外部进行通信。

通过设置CAN通信接电路，可实现将微控制器单元的计算结果（包括氧浓度O2%值及湿度值）发送至需求方，实用性高。

进一步，温度控制信号为PWM脉宽调制信号。

采用PWM脉宽调制信号，加热器电阻测量电路以PWM信号低电平作为控制信号驱动产生测量电流，使加热器驱动与加热器内阻测量在同一个PWM周期内进行，从而保证了内阻测量的实时有效。

进一步，第一、二泵电流检测电路分别具体用于：

通过第二泵电极将待测电流引入第一采样电阻，采用三运放结构的仪表运算放大电路，通过该仪表运算放大电路中两个运算放大电路的正相端取所述第一采样电阻两端压差，该压差经仪表运算放大电路放大后采用一阶RC滤波器滤波并通过A/D端口送入微控制器单元。

通过第三泵电极将待测电流引入第二采样电阻，采用三运放结构的仪表运算放大电路，通过该仪表运算放大电路中两个运算放大电路的正相端取所述第二采样电阻两端压差，该压差经仪表运算放大电路放大后采用一阶RC滤波器滤波并通过A/D端口送入微控制器单元。

对于各泵电流检测电路在采样环节使用较高阻值、低温漂的高精度电阻，保证准确的反映电流信号，同时尽量降低温度波动对转化带来的影响；采样后先送入差分低通滤波器滤除在放大器输入端的射频干扰，这种干扰会造成直流失调误差，使得放大后的电压和理论值相比会有一定的波动，差分低通滤波器添加在信号的输入端处，可以尽可能的隔绝这种射频干扰，增加了后级电路的抗干扰能力；放大环节采用三运放结构的仪表运算放大器，提高了放大级输入阻抗和共模抑制比，实现了高倍数低误差的信号放大。这种放大电路具有低失调、低输出误差、高信噪比、高共模抑制比、高增益等特点，极大提高了微弱信号放大的准确性。

D/A模块，分别与第一、二泵电压控制电路以及湿度传感器中第一、二、三泵电极连接，用于接收微控制器单元通过SPI传输的各泵电压控制信号，并对每个电压控制信号D/A转换后，通过对应泵电压控制电路和所述第一、二、三泵电极向对应泵施加控制电压。

微控制器单元还用于加热器电阻，第一、二泵电流检测电路检测的电流信号进行运算处理，得到氧浓度O₂%值及湿度信号并存储。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1为本实用新型耐高温湿度传感器的结构示意图；

图2为本实用新型耐高温湿度传感器的第二氧化锆电解质层结构示意图；

图3为本实用新型耐高温湿度传感器的第三氧化锆基层结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种耐高温智能湿度传感器控制器的示意框图；

图5为本实用新型实施例提供的加热器驱动电路示意图；

图6为本实用新型实施例提供的一种耐高温智能湿度传感器控制器的结构图；

图7为本实用新型实施例提供的加热器电阻测量电路中的电流生成电路示意图；

图8为本实用新型实施例提供的泵电流检测电路示意图。

其中：1、第一泵电极，2、第二泵电极，3、第三泵电极，4、加热器，5、第一测量腔，6、第二测量腔，7、第二泵电极接线端子，8、第一泵电极接线端子，9、第三泵电极接线端子，10、加热器H⁺接线端子，11、加热器T_mp接线端子，12、加热器H^-接线端子，13、泵电极接线端子区域14、加热器电极接线端子区域，15、第一氧化锆电解质层，16、第二氧化锆电解质层，17、第三氧化锆基层，18、第一扩散障碍层，19、第二扩散障碍层。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种耐高温智能湿度传感器的结构包括第一泵电极1，第二泵电极2，第三泵电极3，加热器4，第一测量腔5，第二测量腔6，第二泵电极接线端子7，第一泵电极接线端子8，第三泵电极接线端子9，加热器H+接线端子10，加热器Tmp接线端子11，加热器H-接线端子12，泵电极接线端子区域13加热器电极接线端子区域14，第一氧化锆电解质层15，第二氧化锆电解质层16，第三氧化锆基层17，第一扩散障碍层18和第二扩散障碍层19。

具体结构如图1所示，包括第一氧化锆电解质层15、第二氧化锆电解质层16和第三氧化锆基层17，第二氧化锆电解质层16置于第一氧化锆电解质层15和第三氧化锆基层17之间，

第一氧化锆电解质层15的上端设有第一泵电极1、下端设有第二泵电极2和第三泵电极3；

第二氧化锆电解质层16上包括设有的用于氧浓度或水蒸气测量采样的第一测量腔5和用于氧浓度或水蒸气测量采样的第二测量腔6，在第一测量腔5的两侧设有作为待测气氛扩散通道的第一扩散障碍层18，在第二测量腔6的两侧设有作为待测气氛扩散通道的第二扩散障碍层19；

第三氧化锆基层17内设有用于加热氧化锆陶瓷感应元件的加热器4。

第一氧化锆电解质层15、第二氧化锆电解质层16和第三氧化锆基层17由参杂钇稳定性的氧化锆组组成。

加热器4包括加热部分和引线部分，引线部分连接加热器电极接线端子区域14，加热器电极接线端子区域14包括加热器Tmp接线端子11、加热器H-接线端子12和加热器H+接线端子10。

第一泵电极1通过引线连接泵电极接线端子区域13内的第一泵电极接线端子8。

第二泵电极2通过引线连接泵电极接线端子区域13内的第二泵电极接线端子7。

第三泵电极3通过引线连接泵电极接线端子区域13内的第三泵电极接线端子9。

第一泵电极1作为第一、二泵单元的公共正极，与第二泵电极2和第一氧化锆电解质层15形成第一泵单元，作为氧浓度测量的泵氧单元,待测气氛经由第一扩散障碍层18扩散至第一测量腔5，氧气在第二泵电极2被催化分解成氧离子在泵电压作用下氧离子穿透第一氧化锆电解质层15，到达公共正极被还原成氧气，在第一泵电压控制电路23和第一泵电流检测电路21外回路中形成极限电流；第一泵电极1与第三泵电极3以及第一氧化锆电解质层16形成第二泵单元，作为湿度测量的泵氧单元, 待测气氛经由第二扩散障碍层19扩散至第二测量腔6，水蒸气在第三泵电极2被催化分解氢气和氧气，同时氧气被催化分解成氧离子在泵电压作用下氧离子穿透第一氧化锆电解质层15，到达公共正极被还原成氧气，在第二泵单元控制电路23和第二泵电流检测电路22外回路中形成极限电流；其中第一泵电极1、第二泵电极2、第三泵电极3均为金属Pt电极；结构如图1所示。第一测量腔5、第二测量腔6、第一扩散障碍层18、第二扩散障碍层19均设置在第二氧化锆电解质层16，如图2所示。加热器4嵌入在第三氧化锆基层17，接收加热驱动电路32输出的加热电压加热陶瓷感应元件至工作温度780℃，结构如图3所示。

需要说明是；在湿度传感器中，第一和第二泵单元的公共电极既可以是正极也可以是负极，同时第一泵单元和第二泵单元既可作为氧浓度测量的泵氧单元又可作为湿度测量的泵氧单元。第一、二扩散障碍层以及第一、二测量腔尺寸不受限制。

湿度传感器通过传感器控制器控制，传感器控制器如图4所示，包括：加热器电阻测量电路45，微控制器单元31，加热驱动电路32，第一、二泵电流检测电路包括第一泵电流检测电路21、第二泵电流检测电路22，以及第一、二泵电压控制电路包括第一泵电压控制电路23、第二泵电压控制电路24。其中，

加热器电阻测量电路，用于通过D/A端口接收微控制器单元产生的电流信号并施加给加热器电阻测量回路，测量该回路中的回路电流以及湿度传感器中的加热器H+端和Tmp端电压并通过A/D端口输送至微控制器单元；微控制器单元，用于基于所述回路电流和所述加热器H+端和Tmp端电压，计算加热器电阻并将其与预设温度下阻值作对比，生成温度控制信号；加热驱动电路，用于基于所述温度控制信号，向加热器输送功率；第一、二泵电流检测电路分别用于采用三运放结构的仪表运算放大器接收对应泵电流信号并放大，通过差分低通滤波器，对放大处理后的电流信号滤波并通过A/D端口传至微控制器单元，微控制器单元还用于设置对应泵单元电压控制信号；第一、二泵电压控制电路分别用于通过D/A模块接收所述电压控制信号，并基于电压控制信号，控制对应泵单元的泵电压。

需要说明的是，传感器中的加热器等效为加热器电阻测量回路中的电阻，如图3所示，图中RL代表引线电阻，RH代表加热器电阻，RT代表引线电阻，R代表H+端到H-端的电阻，通过测量H+端与H-端之间的电压以及Tmp端与H-端之间的电压，根据计算，可准确求得RH大小。

如图4所示，微控制器单元MCU31包括A/D转换模块30、数据处理模块29、D/A端口28和S通信模块；A/D转换模块30用于接收并转换内阻测量信号、第一模拟电压信号（即第一泵电流测量信号）及第二模拟电压信号（即第二泵电流测量信号）；数据处理模块29用于根据A/D转换模块30转换后的信号进行运算处理，得到加热驱动信号、氧浓度O2%值及以及湿度信号。通信模块一方面通过SPI运算单元26与外部D/A模块41通信，D/A模块41采用D/A芯片写入控制信号，控制其输出，另一方面通过CAN通信接口电路42发送氧浓度O2%值及以及湿度信号、状态信号以及故障诊断信号至主设备。

如图4中标号37是外部接的总电源的正极，38是负极；VCC1给加热器驱动电路供电，电压为24V，VCC2给泵电压控制电路、泵电流检测电路等供电，电压为5V，VCC3给MCU供电，电压为3.3V；标号39和40是CAN通信的两根信号线，接到外部。

湿度传感器通过图4的控制器实现了传感器加热器电阻检测以及加热闭环控制的分时复用电路，采用加热器电阻测量电路，首先给电阻测量回路施加电流，然后通过测得回路上的压差，以通过微控制器单元计算得到电阻值，通过电阻值与温度的关系，进行加热控制，有效提高了传感器的冷启动性能以及使用寿命和抗热震性能。在此基础上，稳定传感器的工作温度，之后，通过两个独立的泵电压控制电路与泵电流检测电路，实现对各泵单元的电压控制及各泵电流的检测，并将送至微控制器单元；微控制器单元对采集的加热器的电阻测量信号、泵电流检测信号进行运算处理，输出加热控制信号、泵电压控制信号，实现对传感器氧气及水蒸气分解氧气的泵出过程控制。针对泵电流的微信号特性，引入了高增益、高共模抑制比的仪表运放电路，并搭配差分低通滤波器作为输出级，有效滤除放大过程中的噪音信号，实现了纳安级到毫安级泵电流的精确检测，从而极大提高了氧浓度和湿度的检测精度，检测精度均可达到0.02%（体积分数）。因此，该控制器能够控制传感器完成待测气氛中氧浓度和湿度的快速精确测量。

优选的，加热驱动电路如图5所示，具体用于：基于温度控制信号，通过调节功率MOS管的开关，以控制加热功率的输出。

加热器电阻测量电路包括：电流产生电路，电流检测电路，H+端电压检测电路，以及Tmp端电压检测电路。其中，

电流产生电路用于通过D/A端口接收微控制器单元产生的模拟电压信号，并将该模拟电压信号转换为基准电流施加给电阻测量回路；电流检测电路用于采样、放大基准电流并发送至微控制器单元，以标定基准电流的大小；H+端电压检测电路和Tmp端电压检测电路用于分别检测电阻测量回路中加热器正极端H+与测量端Tmp的电压并发送至微控制器单元，以根据基准电流和所有所述电压，计算实时加热器电阻，其连接方式是通过图3中的H+接线端子10连接以及图3中的Tmp接线端子11连接。

加热器电阻测量电路，一方面以PWM信号低电平作为控制信号驱动产生测量电流，使加热器驱动与加热器内阻测量在同一个PWM周期内进行，从而保证了内阻测量的实时有效；另一方面，较大的测量电流，使得加热器内阻两端的压降较大，从而提高了内阻测量的精度。

如图6所示，电流产生电路通过信号线与D/A端口28连接，接收由微控制器单元31产生的模拟电压；该电压经运算放大器33-1加载到电阻33-5两端，同时运算放大器33-1的输出端连接至三极管33-2的基极使得三极管导通，提供流入电阻33-5的电流，则流入电阻33-5的电流大小可由D/A端口28的输出电压值与电阻33-5求得，若D/A端口的输出电压值为

，则所产生的测量电流大小为

电流经由接线端子11通入加热器电阻测量回路中，作为电阻测量的基准电流。

电流检测模块34用于采样放大检测所述测量电流产生模块所产生的电阻测量基准电流，从而精确标定测量基准电流的大小；具体的，测量电流流经采样电阻34-1，取采样电阻两端压差，送入运算放大器34-2的正负输入端，运算放大器与电阻组成双端输入单端输出的差分运算放大电路，电阻包括图6中的标识的电阻34-3、电阻34-4、电阻34-5、电阻34-6，则所述差分运算放大电路放大倍数为

运算放大器34-2输出端则通过信号线连接至微控制器单元31的A/D端口30-2，由A/D转换模块转换后在微控制器中完成计算；

加热器端电压检测模块，包括H+端电压检测电路35、Tmp端电压检测电路36，用于检测所述加热器电阻测量回路中加热器正极端H+与测量端端Tmp的电压，从而根据所述测量基准电流计算实时加热器电阻阻值。具体的，加热器正极端H+通过H+接线端子11连接至运算放大器35-1，运算放大器与电阻35-3、电阻35-4、电阻35-5、电阻35-6构成差分运算放大器，则所述差分运算放大电路放大倍数为

；放大后的对地输出电压值经由电阻35-2与电容35-7组成的一阶RC滤波器滤波后送入微控制器单元31的A/D端口30-3，由A/D转换模块转换后在微控制器中完成计算；测量端Tmp通过Tmp接线端子连接至运算放大器36-1，运算放大器与电阻36-3、电阻36-4、电阻36-5、电阻36-6构成差分运算放大器，则所述差分运算放大电路放大倍数为

放大后的对地输出电压值经由电阻36-2与电容36-7组成的一阶RC滤波器滤波后送入微控制器单元31的A/D端口30-5，由A/D转换后在微控制器中完成计算。

优选的，电流产生模块33通过信号线与D/A端口28连接，接收由微控制器单元产生的模拟电压；该电压经运算放大器33-1加载到电阻33-5两端，且运算放大器33-1的输出端连接至三极管33-2的基极使得三极管导通，提供流入电阻33-5的电流，电流大小由D/A输出与电阻33-5阻值设定决定；所述电流经由H+接线端子11通入加热器电阻测量回路中，作为电阻测量的基准电流，例如如图6所示的结构，具体如图7所示。

电流检测模块34用于采样放大检测测量电流产生模块33所产生的电阻测量基准电流，从而精确标定测量基准电流的大小；具体的，测量电流流经采样电阻34-1，取采样电阻34-1两端压差，送入运算放大器34-2的正负输入端，运算放大器34-2与电阻34-3、电阻34-4、电阻34-5、电阻34-6组成双端输入单端输出的差分运算放大器，进行信号放大；运算放大器34-2输出端则通过信号线连接至微控制器单元的A/D端口30-2，由A/D转换模块转换后在微控制器中完成计算。

加热器端电压检测模块35和加热器端电压检测模块36用于检测加热器电阻测量回路中加热器正极端H+与测量端Tmp的电压，从而根据测量基准电流计算实时加热器电阻阻值；具体的，加热器正极端H+通过信号线连接至运算放大器35-1，运算放大器35-1与电阻35-3、电阻35-4、电阻35-5、电阻35-6构成差分运算放大器，放大后的对地输出电压值经由电阻35-2与电容35-7组成的一阶RC滤波器滤波后送入微控制器单元的A/D端口块30-3，由A/D转换模块转换后在微控制器中完成计算；Tmp接线端子通过信号线连接至运算放大器36-1，运算放大器36-1与电阻36-3、电阻36-4、电阻36-5、电阻36-6构成差分运算放大器，放大后的对地输出电压值经由电阻36-2与电容36-7组成的一阶RC滤波器滤波后送入微控制器单元的A/D端口30-5，由A/D转换模块转换后在微控制器中完成计算。

优选的，如图4和图6所示，控制器还包括与微控制器单元连接的CAN通信接口电路，用于与外部进行通信。

优选的，上述温度控制信号为PWM脉宽调制信号。

加热器驱动电路以脉宽调制信号PWM作为温度控制信号。具体的，通过实时测量加热器内阻与设定温度下加热器内阻阻值对比，取其偏差量e作为被控对象，进行PID运算，输出PWM信号的占空比控制功率MOS管的导通时间，从而间接调控加热器的输出功率。

优选的，第一、二泵电流检测电路分别具体用于：经第二泵电极和第三泵电极将待测泵电流引入第一和第二采样电阻，采用三运放结构的仪表运算放大电路，通过该仪表运算放大电路中两个运算放大电路的正相端取第一和第二采样电阻两端压差，该压差经仪表运算放大电路放大后采用一阶RC滤波器滤波并通过A/D端口送入微控制器单元。

如图6所示，对于第一泵电流检测电路21，待测泵电流信号通过第一泵泵单元负极接线端子8流入，由采样电阻21-4采样，分别取采样电阻两端电压作为运算放大器21-1与运算放大器21-2的正相输入，运算放大器21-1、运算放大器21-2、运算放大器21-3构成三运放结构的仪表运算放大电路，仪表运算放大电路具有高增益、低失调、高共模抑制比的特点，可以有效避免小信号放大中失调、共模噪声问题；放大后的对地输出电压值经由电阻21-12与电容21-13组成的一阶RC滤波器滤波后送入微控制器单元的A/D端口30-1，A/D转换后在微控制器中完成计算。

对于第二泵电流检测电路，待测泵电流信号通过第二泵单元负极接线端子9流入，由采样电阻22-4采样，分别取采样电阻两端电压作为运算放大器22-1与运算放大器22-2的正相输入，运算放大器22-1、运算放大器22-2、运算放大器22-3构成三运放结构的仪表运算放大电路，放大后的对地输出电压值经由电阻22-12与电容22-13组成的一阶RC滤波器滤波后送入微控制器单元的A/D端口30-4，A/D转换后在微控制器中完成计算。

例如，具体的泵电流检测电路如图8所示。

对于各泵电流检测电路，在采样环节使用较高阻值100Ω、低温漂的高精度为0.1%精度的电阻，保证准确的反映电流信号，同时尽量降低温度波动对转化带来的影响；采样后先送入差分低通滤波器滤除在放大器输入端的射频干扰，这种干扰会造成直流失调误差，使得放大后的电压和理论值相比会有一定的波动，差分低通滤波器添加在信号的输入端处，可以尽可能的隔绝这种射频干扰，增加了后级电路的抗干扰能力；放大环节采用三运放结构的仪表运算放大器，提高了放大级输入阻抗和共模抑制比，实现了高倍数低误差的信号放大。这种设计的放大电路具有低失调、低输出误差、高信噪比、高共模抑制比、高增益等特点，极大提高了微弱信号放大的准确性。

优选的，上述D/A模块41，分别与第一、二泵电压控制电路以及湿度传感器中第一、二、三泵电极连接，用于接收微控制器单元通过SPI传输的各泵电压控制信号，并对每个电压控制信号D/A转换后，通过对应泵电压控制电路和所述公共阳极板向对应泵单元施加控制电压。

优选的，微控制器单元还用于：分别设置第一和第二泵单元泵电压控制信号；则第一、二泵电压控制电路分别具体用于：D/A模块通过接线端子8输出公共电极电压设置值到第一泵电极1，采用运算放大器的负相端接收D/A模块发送的泵电压控制信号并通过该运算放大器放大后输至对应泵的负极，以实现泵单元泵氧驱动功能。

具体的，第一泵电压控制电路23输出第一泵的泵电压控制信号；控制信号写入D/A模块41产生泵控制电压，控制电压经由信号线连接至运算放大器23-1的负相端，运算放大器作为缓冲器使用，用于泵控制电压的信号隔离和阻抗匹配，其输出端与湿度传感器的第一泵单元负极接线端子7连接，通过泵控制电压调节将第一测量腔室5的氧气泵出到外界。

第二泵电压控制电路24输出第二泵的泵电压控制信号；控制信号写入D/A模块24产生泵控制电压，控制电压经由信号线连接至运算放大器24-1的负相端，运算放大器作为缓冲器使用，用于泵控制电压的信号隔离和阻抗匹配，其输出端与湿度传感器实体的第一泵单元负极接线端子9连接，通过泵控制电压调节将第二测量腔室6的氧气以及水蒸气分解的氧气泵出到外界。

优选的，微控制器单元还用于：根据加热器电阻、第一、二泵电流检测电路检测的电流信号进行运算处理，得到氧浓度O2%值及湿度信号并存储。

本实施例实现传感器加热器电阻检测以及加热闭环控制的同步分时进行，能有效提高传感器的冷启动性能以及使用寿命和抗热振性能。其次，该控制器能够梯度设置泵电压加载，降低高泵氧电压对氧化锆陶瓷感应芯片的损害。另外，泵电流检测能实现纳安级至毫安级电流的精确检测，同时在同一个陶瓷感应芯片上同时实现了氧浓度和湿度的同步检测。总体来说，本实施例基于分立元器件能够完整实现加热控制、泵单元控制、泵电流检测等三个方面功能以及性能的提升，同时提高加热控制的准确性，并延长传感器的使用寿命，实现泵单元的快速响应、泵电流的高精度检测。

本实用新型所提出的湿度传感器系统实现了湿度传感器的加热器电阻的精确测量，提高了传感器的温度控制精度，降低了环境温度对测量精度的影响。同时实现了对氧浓度和湿度的同时测量并集成了智能控制器，简化了湿度传感器结构并提高了对氧浓度和湿度的检测精度。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种耐高温智能湿度传感器，包括第一氧化锆电解质层（15）、第二氧化锆电解质层（16）和第三氧化锆基层（17），第二氧化锆电解质层（16）置于第一氧化锆电解质层（15）和第三氧化锆基层（17）之间，其特征在于：

所述第一氧化锆电解质层（15）的上端设有第一泵电极（1）、下端设有第二泵电极（2）和第三泵电极（3）；

所述第二氧化锆电解质层（16）上包括设有的用于氧浓度或水蒸气测量采样的第一测量腔（5）和用于氧浓度或水蒸气测量采样的第二测量腔（6），在第一测量腔（5）的两侧设有作为待测气氛扩散通道的第一扩散障碍层（18），在第二测量腔（6）的两侧设有作为待测气氛扩散通道的第二扩散障碍层（19）；

所述第三氧化锆基层（17）内设有用于加热氧化锆陶瓷感应元件的加热器（4）。

2.如权利要求1所述的耐高温智能湿度传感器，其特征在于：所述第一氧化锆电解质层（15）、第二氧化锆电解质层（16）和第三氧化锆基层（17）由参杂钇稳定性的氧化锆组成。

3.如权利要求1所述的耐高温智能湿度传感器，其特征在于：所述加热器（4）包括加热部分和引线部分，引线部分连接加热器电极接线端子区域（14），加热器电极接线端子区域（14）包括加热器T_mp接线端子（11）、加热器H^-接线端子（12）和加热器H⁺接线端子（10）。

4.如权利要求1所述的耐高温智能湿度传感器，其特征在于：所述第一泵电极（1）通过引线连接泵电极接线端子区域（13）内的第一泵电极接线端子（8）。

5.如权利要求1所述的耐高温智能湿度传感器，其特征在于：所述第二泵电极（2）通过引线连接泵电极接线端子区域（13）内的第二泵电极接线端子（7）。

6.如权利要求1所述的耐高温智能湿度传感器，其特征在于：所述第三泵电极（3）通过引线连接泵电极接线端子区域（13）内的第三泵电极接线端子（9）。

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