【摘 要】
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湿度检测具有重要的研究意义和应用价值。在高空气象探测领域,探空仪是获取高空湿度数据的有效手段之一。由于高空气象环境恶劣,温度可能低至-90℃,湿度变化从0%RH至100%RH,并且在
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湿度检测具有重要的研究意义和应用价值。在高空气象探测领域,探空仪是获取高空湿度数据的有效手段之一。由于高空气象环境恶劣,温度可能低至-90℃,湿度变化从0%RH至100%RH,并且在穿越云层时湿度变化急剧,这就要求探空仪携带的湿度传感器能够耐低温、响应速度快、抗干扰能力强。此外,探空仪属于一次性使用的仪器,因此传感器还必须满足低成本的要求。 在实验室前期研究的基础上,本文选用叉指-三明治结构的电容式湿度传感器作为研究对象。叉指-三明治结构在传统叉指电容结构的基础上增加了一层金膜,这一结构能够有效增大传感器的有效电容和灵敏度,提高传感器的性能。此外,传感器中集成加热结构,可以对传感器的感湿区域进行加热。在传感器的封装方面,考虑到实际应用中必须减少湿度测量的滞后效应以及降低封装成本,本文选择简易的封装形式,将湿度传感器的感湿区域直接暴露在空气中,与空气充分接触。 在敏感电容测试系统方面,选择Pcap02芯片作为电容检测芯片,单片机C8051F350作为控制芯片,Pcap02将检测得到的电容数据通过IIC通信程序发送给C8051F350单片机,在单片机内进行处理过后将数据输出显示。此外,为了改善传感器在高空低温环境下的回滞特性和响应时间特性,对测试系统进一步改进,加入加热控制模块,借助MAX4618芯片搭建加热选通电路,实现了电容式湿度传感器的加热控制和交替测量。为了达到较好的加热效果,对传感器的加热策略进行了分析和比较,最终确定采用两个传感器交替加热的加热方案。 为了验证测试系统的功能,对传感器的灵敏度、回滞特性、响应时间等进行测量。实验结果表明,在不进行加热的情况下,随着环境温度的降低,传感器的灵敏度和线性度均降低,回滞增大;对传感器进行加热操作,灵敏度和线性度均有所上升,回滞特性改善,在低温下改善效果更明显。在响应时间的测试实验中,不加热情况下,传感器的响应时间为84s,加热情况下,传感器的响应时间缩短为23s,加热对响应特性的改善效果比较显著。
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