适用于高湿环境的高稳定温湿度传感器及测量方法与流程

1.本发明涉及属于传感器测量领域。


背景技术：

2.目前，温度与湿度的测量通常为分别测量，由于并不存在明显的补偿关系，即使是一体化封装的温湿度芯片，其温度与湿度的信号也是相对独立的，因此，温湿度测量通常采用一体化封装方式。
3.在高湿环境条件下，如在长期高湿的热带和亚热带环境，或是在大雾与湿度较高的雨季，由于湿度饱和产生的传感器失效是湿度传感器的常见现象，即湿度传感器普遍存在的缺陷是芯片一致性较差，缺乏长期稳定性。


技术实现要素：

4.针对高湿环境下现有湿度传感器稳定性差的问题，本发明提供一种适用于高湿环境的高稳定温湿度传感器及测量方法。
5.本发明所述适用于高湿环境的高稳定温湿度传感器，包括测量部外壳1、控制部外壳2、信号采集调理与控制电路板4和测量部6；
6.控制部外壳2内腔设置有信号采集调理与控制电路板4；
7.测量部外壳1内腔设置有测量部6，所述测量部6用于测量温湿度信息；所述温湿度信息反馈至信号采集调理与控制电路板4；
8.测量部外壳1沿周向设置有两圈散气孔3，所述散气孔3用于使集成封装敏感芯片与空气接触，并将测量部外壳1腔内的湿气散掉。
9.优选地，测量部6包括重力半球6-1、圆环6-2、集成封装敏感芯片、球支撑杆6-8和触点6-9；
10.球支撑杆6-8横向贯穿重力半球6-1靠近平面的球体，球支撑杆6-8的两端与测量部外壳1内侧壁固接，所述重力半球6-1依据重心引导绕球支撑杆6-8转动；
11.多个平行的圆环6-2构建球体滑道，重力半球6-1的外圆面沿球体滑道作360度范围滑动，球体滑道的中间位置的圆环6-2直径大，向两侧的圆环6-2直径依次减小，以确保与重力半球6-1外圆面的弧度一致；重力半球6-1底部外圆面设置一排向外凸起的触点6-9，每个触点6-9与一个圆环6-2对应碰触进行电连接；
12.重力半球6-1的平面中心位置设置有集成封装敏感芯片，所述集成封装敏感芯片包括湿度传感器6-3、加热单元6-4、隔热单元6-5和温度传感器6-6；湿度传感器6-3和加热单元6-4并列封装在一起，并在与温度传感器6-6之间设置隔热单元6-5，所述温度传感器6-6面向重力半球6-1；
13.集成封装敏感芯片与触点6-9之间通过贯穿重力半球6-1球体的导线5实现电连接，触点6-9通过圆环6-2及导线5实现与信号采集调理与控制电路板4电连接。
14.优选地，球体滑道还包括两个圆环支撑杆6-7，球体滑道上下两端、沿圆环6-2的法
线方向各设置一个圆环支撑杆6-7，所述两个圆环支撑杆6-7与球支撑杆6-8平行，圆环支撑杆6-7的两端与测量部外壳1内侧壁固接。
15.优选地，加热单元6-4采用电阻丝实现。
16.优选地，隔热单元6-5选用具有支撑结构的无机非金属材料实现。
17.优选地，温度传感器6-6采用电阻型或热电偶型温度传感器实现。
18.优选地，加热单元6-4通过丝网印刷方式印刷在陶瓷基板上，然后与湿度传感器6-3背板贴合；隔热单元6-5通过丝网印刷或气相沉积工艺附着在温度传感器6-6与加热单元6-4之间。
19.本发明还包括另一个技术方案：适用于高湿环境的高稳定温湿度传感器的测量方法，该方法基于上述高湿环境的高稳定温湿度传感器实现，该方法为：
20.将湿度传感器6-3与加热单元6-4封装在一起，加入温度传感器6-6，并加入隔热单元6-5进行隔热处理，确保控温、测温同时进行并互不干扰；
21.当湿度传感器6-3出现结露、结霜、过饱和而无法脱湿时，加热单元6-4对湿度传感器6-3进行加热处理，具体为：在湿度传感器6-3测得湿度在100％rh保持1h以上时，控制加热单元6-4对湿度传感器6-3进行加热，加热至60℃后保持此温度直至湿度值不再为100％并保持0.5h结束；
22.重力半球6-1随重心引导转动，以确保集成封装敏感芯片处于上方位置，以便于湿气从测量部外壳1布设的散气孔3排出腔体。
23.本发明的有益效果：本发明温湿度传感器可对温湿度进行高稳定精准测量，在测湿单元出现结露、结霜、过饱和而无法脱湿时通过加热方式去除表面结露，防止过饱和导致湿度芯片的失效，保证了湿度传感器可以在高湿环境下长期稳定测试，且加热动作不会对温度传感器测量造成影响。本发明湿度传感器具有耐长期高湿环境能力，相比其他产品具有长期稳定性好，精度高，环境耐受力强的特点。有效避免常规湿度芯片由于没有除湿功能而导致的测试数据失真乃至传感器失效现象。从而满足长期高湿或者经常出现高湿情况的环境下湿度的长期准确测量要求。
24.本发明测试设备在使用过程中，无论设备方向如何变化，测量部的重力半球都能将集成封装敏感芯片支撑至上方，使设备腔内滞留湿气及加热产生的热气等各种水分子顺利从散气孔排出设备腔体，保证测试稳定性。
附图说明
25.图1是本发明所述适用于高湿环境的高稳定温湿度传感器的外部结构示意图；
26.图2是图1的纵剖图，为左右方向剖切；
27.图3是图1的纵剖图，为前后方向剖切；
28.图4是测量部的立体结构示意图。
29.图中：
30.1、测量部外壳，2、控制部外壳，3、散气孔，4、信号采集调理与控制电路板，5、导线，6、测量部；
31.6-1、重力半球，6-2、圆环，6-3、湿度传感器，6-4、加热单元，6-5、隔热单元，6-6、温度传感器，6-7、圆环支撑杆，6-8、球支撑杆，6-9、触点。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
33.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
34.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
35.具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述适用于高湿环境的高稳定温湿度传感器，包括测量部外壳1、控制部外壳2、信号采集调理与控制电路板4和测量部6；
36.控制部外壳2内腔设置有信号采集调理与控制电路板4；
37.测量部外壳1内腔设置有测量部6，所述测量部6用于测量温湿度信息；所述温湿度信息反馈至信号采集调理与控制电路板4；
38.测量部外壳1沿周向设置有两圈散气孔3，所述散气孔3用于使集成封装敏感芯片与空气接触，并将测量部外壳1腔内的湿气散掉。
39.测量部6包括重力半球6-1、圆环6-2、集成封装敏感芯片、球支撑杆6-8和触点6-9；
40.球支撑杆6-8横向贯穿重力半球6-1靠近平面的球体，球支撑杆6-8的两端与测量部外壳1内侧壁固接，所述重力半球6-1依据重心引导绕球支撑杆6-8转动；
41.多个平行的圆环6-2构建球体滑道，重力半球6-1的外圆面沿球体滑道作360度范围滑动，球体滑道的中间位置的圆环6-2直径大，向两侧的圆环6-2直径依次减小，以确保与重力半球6-1外圆面的弧度一致；重力半球6-1底部外圆面设置一排向外凸起的触点6-9，每个触点6-9与一个圆环6-2对应碰触进行电连接；
42.重力半球6-1的平面中心位置设置有集成封装敏感芯片，所述集成封装敏感芯片包括湿度传感器6-3、加热单元6-4、隔热单元6-5和温度传感器6-6；湿度传感器6-3和加热单元6-4并列封装在一起，并在与温度传感器6-6之间设置隔热单元6-5，所述温度传感器6-6面向重力半球6-1；
43.集成封装敏感芯片与触点6-9之间通过贯穿重力半球6-1球体的导线5实现电连接，触点6-9通过圆环6-2及导线5实现与信号采集调理与控制电路板4电连接。
44.球体滑道还包括两个圆环支撑杆6-7，球体滑道上下两端、沿圆环6-2的法线方向各设置一个圆环支撑杆6-7，所述两个圆环支撑杆6-7与球支撑杆6-8平行，圆环支撑杆6-7的两端与测量部外壳1内侧壁固接。两个圆环支撑杆6-7能固定多个圆环6-2相对位置及与外壳固定，保证其稳定性。
45.加热单元6-4采用电阻丝实现。
46.温度传感器6-6采用电阻型或热电偶型温度传感器实现。
47.将测湿单元与加热单元6-4封装在一起，加入温度传感器6-6，并加入隔热单元6-5进行隔热处理，确保控温、测温同时进行并互不干扰。当测湿单元出现结露、结霜、过饱和而无法脱湿时，加热单元对湿敏元件进行加热，在60℃左右时即可确保水分子及时脱附，并能够提高露点，去除表面结露、结霜，保证了湿度传感器6-3可以在高湿环境下长期稳定测试。
加热单元6-4通过丝网印刷方式印刷在陶瓷基板上，然后与湿度传感器6-3背板(非感湿面)贴合；在湿度传感器6-3测得湿度在100％rh保持1h时，通过写入单片机内的程序控制加热单元6-4对湿度传感器6-3进行加热，加热至60℃后保持此温度直至湿度值不再为100％并保持0.5h。去除表面结露、结霜，保证了湿度传感器可以在高湿环境下长期稳定测试。
48.隔热单元6-5选用具有支撑结构的无机非金属材料实现。隔热单元6-5通过丝网印刷或气相沉积工艺附着在温度传感器6-6与加热单元6-4之间。高分子氧化物隔热材料的多层结构，对加热单元及测温单元进行隔离，确保一个加热程序结束后，测温单元的数值不因加热而发生变化，实现良好隔离，并通过软硬件协同的方法，确保加热的后续余热不影响测温。
49.所有电子线路均为裸芯倒装焊接在陶瓷电路板上，耐温好，可确保传感器整体尺寸长度在1.5cm以内。
50.信号采集调理与控制电路4对信号进行采集、调理，按照内置的程序自动决策实现加热单元6-4的控制，并将信号以数字方式输出。为满足湿度传感器6-3在长期高湿环境下准确测量，电路对湿度测量单元设计了电极保护；通过施密特触发器电路将电容信号转换为频率信号，由单片机采集处理，并转换为所需要的数字信号进行输出。
51.本实施方式中测量敏感芯片集成，并放置于重力半球6-1的平面上，而重力半球6-1总能在重心导引下保证将集成封装敏感芯片支撑至上方位，这样便于加热后湿气向上方排出腔体，重力半球6-1纵向有内部走线孔，重力半球6-1底部与多个触点6-9，每个触点6-9与一个圆环6-2接触保证可以实现滑动电连接，集成封装敏感芯片与触点6-9之间通过球体内部走线连接，触点6-9与圆环6-2电连接，圆环6-2与信号采集调理与控制电路4通过导线5电连接，实现信息交互。
52.本实施方式测试设备能达到的技术指标如下：
53.1)测量范围
54.温度：(-50～ 125)℃；湿度：(0～100)％rh
55.2)工作温度范围
56.(-40～ 125)℃
57.3)贮存温度范围
58.(-55～ 85)℃
59.4)精度
60.温度：不大于0.1℃；湿度：不大于1.0％rh
61.5)采样间隔时间：
62.启动1.5s后开始第一次测量，测量间隔时间0.5s。
63.具体实施方式二：本实施方式所述适用于高湿环境的高稳定温湿度传感器的测量方法，该方法基于实施方式一所述的高湿环境的高稳定温湿度传感器实现，该方法为：
64.将湿度传感器6-3与加热单元6-4封装在一起，加入温度传感器6-6，并加入隔热单元6-5进行隔热处理，确保控温、测温同时进行并互不干扰；
65.当湿度传感器6-3出现结露、结霜、过饱和而无法脱湿时，加热单元6-4对湿度传感器6-3进行加热处理，具体为：在湿度传感器6-3测得湿度在100％rh保持1h以上时，控制加热单元6-4对湿度传感器6-3进行加热，加热至60℃后保持此温度直至湿度值不再为100％
并保持0.5h结束；
66.重力半球6-1随重心引导转动，以确保集成封装敏感芯片处于上方位置，以便于湿气从测量部外壳1布设的散气孔3排出腔体。
67.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。