微型快速响应湿敏元件动态性能测试方法及系统研究

摘要

随着智能化的发展，交通、医疗、建筑、环境、气象、工业等领域对湿度的测量和控制也提出了更高要求。作为湿度传感器的主要感湿部件，湿敏元件不但须具有优良的静态湿敏特性，而且应具有快速响应的动态特性。近年来，随着工业生产水平的发展和湿敏元件研究的深入，湿度元件的静态湿敏特性得到了较大改善，但动态湿敏特性发展缓慢，已不能满足如燃料汽车、呼吸系统疾病诊治等领域的要求。
　　湿敏元件动态响应特性发展缓慢的影响因素是多方面的，而湿敏元件动态特性测试系统和测试方法的不完善是其中重要的原因。目前成果显示，部分湿敏元件动态特性测试系统因存在结构复杂、价格昂贵等因素难于推广，其余测试系统存在湿度不稳定、平衡时间太长、切换速度慢及测试过程单一等缺陷。基于定温度和压力下饱和盐溶液封闭气空间湿度恒定的原理，饱和盐溶液湿度发生法具有湿度稳定、成本低廉、设备简单、破坏后易恢复、复现性好的优点，并得到了国际公认，但也存在气空间湿度气体分层以及平衡所需时间长的缺陷。
　　基于以上分析，本课题展开了以下研究，首先，通过对比分析湿度发生方法及系统的特点，最终选择饱和盐溶液法进行湿度发生系统的设计和搭建，并对其湿气分层现象进行了测试;其次，针对饱和盐溶液湿度发生器气空间湿气分层的现象引入混气装置，同时，对饱和盐溶液进行搅拌，以改善饱和盐溶液的溶解均匀性，并对饱和盐溶液湿度发生器湿气分层现象进行了测试;第三，设计了湿敏元件测试腔的湿度切换系统及控制测量系统，使其湿敏元件测试腔内湿度可实现瞬间跃变，同时，升湿测试和降湿测试的逆变过程简单易行;第四，确定了以气泵和风机代替“气泵+混气扇”驱动气体循环的两种简单、可行、精确、低廉的系统方案和测试方法，按照两种方案制作加工了湿敏元件动态湿敏性能测试系统平台;第五，通过对湿敏元件的测试，得到了本课题研究湿敏元件动态测试系统的主要性能。
　　通过本文研究，得出了以下结论:
　　(1)翼型混气扇慢速混气时可以避免饱和盐湿度发生系统湿度固定点分层现象，最佳的取气位置在上部空间Hc=6 cm偏离壁面的位置。
　　(2)间歇式搅拌调解平衡法可以使饱和盐更快的建立稳定的湿度固定点。
　　(3)湿度切换装置的设计可以解决切换速度慢、不可逆测试及不同响应时间湿敏元件动态测试的问题，湿敏元件动态测试系统的响应时间小于211.345 ms，测试系统重复性小于7.3％，测试系统的不确定性小于1.46％。风机代替“气泵+混气扇”作为驱动气体循环的测试系统更加简单、低廉，但在准确度和稳定性方面需要进一步完善、改进。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 湿敏元件及测试系统发展动态

1．2．1 湿敏元件动态特性的研究与发展

1．2．2 湿敏元件测试系统的研究与发展

1．2．3 湿敏元件测试系统现存的主要问题

1．3 课题研究主要内容

2 湿敏元件及湿度标定

2．1 湿度的表示方法

2．2 湿敏元件

2．2．1 湿敏元件的湿敏特性指标

2．2．2 湿敏元件的分类

2．2．3 平行板电容型湿敏元件感湿机理

2．3 湿度标定

2．3．1 湿度标定原则

2．3．2 几种湿度标定方法

2．4 本章小结

3 快速响应湿敏元件动态特性测试系统方案确定

3．1 实验原理

3．2 湿度发生系统的设计

3．2．1 饱和盐的确定

3．2．2 湿度发生装置的设计

3．3 湿度切换系统设计

3．4 温度对测试系统的重要性

3．5 湿敏元件动态性能测试方案

3．6 测试系统的制作加工及实验测试方法

3．6．1 湿度发生系统

3．6．2 湿度切换系统

3．6．3 控制测量系统

3．6．4 恒温系统

3．7 实验装置及方法

3．7．1 静态实验测试装置及方法

3．7．2 动态实验测试装置及方法

3．8 本章小结

4 静态测试数据及分析

4．1 饱和盐湿度发生器湿度固定点空间稳定性

4．2 搅拌对湿度发生系统的影响

4．2．1 混气扇叶对湿度发生系统的影响

4．2．2 转速对湿度发生系统的影响

4．3 间歇式搅拌调解平衡法

4．4 饱和盐湿度发生器稳定性

4．5 本章小结

5 动态性能实验测试及分析

5．1 动态性能分析方法

5．1．1 动态特性曲线

5．1．2 响应时间

5．2 测试系统性能标定

5．2．1 系统的响应时间

5．2．2 系统的重复性

5．2．3 系统的精度

5．3 不同湿敏元件动态响应特性

5．4 湿敏元件测试方式对动态响应特性的影响

5．5 新设计的湿敏元件测试系统

5．5．1 两种测试系统的动态响应特性

5．5．2 风机转速对湿敏元件的动态响应特性的影响

5．6 不同湿度跃变的动态响应特性

5．7 本章小结

结论与展望

结论

工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果