聂 晶,孟晓风,郑 睿,汪 烁,吕 阳

(1.北京航空航天大学惯性技术重点实验室北京 100191;2.中国人民解放军96831部队北京 100015)

空气中水汽的含量,即所谓的湿度.湿度的精密、快速测量是化学传感器中的难点之一.其中露点温度的测量已被国际公认为最精密的湿度测量方法[1].

露点测量其关键技术在于露点的探测与识别.目前主要的露点识别技术有光电法、声波法以及图像识别法[2].美国 GE公司研制的光电精密露点仪、瑞士 MBW公司生产的精密露点仪以及英国的MICHELL仪器公司生产的系列精密露点仪等均是基于露点冷凝面对光的散射效应来控制和生成露点.芬兰Vaisala公司推出的DM系列露点仪则是采用高灵敏度的声波代替光信号进行露点探测.文献[3-4]都研究了新型显微成像式露点传感器,利用光学CCD对镜面生成露/霜前后图像的差异进行检测.本文提出了一种利用石英晶体微天平即QCM(Quartz CrystalMicrobalance)原理对露点进行识别,从而达到露点温度测量的新方法,本方法具有测量方法简单、灵敏度高、精度高、可靠性好、成本低等优点.

1 实验系统

湿度传感探头如图1所示,它由一个谐振频率为6 MH z的AT切型石英晶体谐振器与一个半导体制冷器以及热管散热器组成.

图1 湿敏传感装置Fig.1 Hum idity sensor

图2 实验系统框图Fig.2 Experimental system of hum id itym easurements

将两面附有电极的AT切型石英晶片其中一面外围无电极区域与半导体制冷器的制冷面用导热银胶相贴,半导体制冷器的热面要与散热器相贴以便于发挥更好的制冷效果,从石英晶片的两个电极分别引出两根导线接入扫频信号源.同时需要两个PT100铂热电阻作为温度传感器,一个贴在石英晶片表面,用来提供石英晶片表面的温度值,另一个裸露在空气环境中,用来提供同一时刻下环境温度.

图2为实验系统框图,该系统数据采集卡采用PCI4712AS2高速采集卡,制冷器选取TEC1-3104型半导体制冷器,最大制冷功率为8.2W,散热器采用热管散热器,直流稳压电源为半导体制冷器提供0～3 A的电流,数字万用表采用VXI Technology公司的基于VXI总线的VM2710数字万用表,可以将PT100铂热电阻的电阻值直接转换为温度值,信号发生器选用VXITechnology公司的基于VXI总线的VM3640任意波形发生器,工控机为ADLINK工业控制计算机.

2 露点测量

2.1 测量原理

1959年,德国Sauerbrey建立了基于质量效应的石英晶体微天平传感理论[5],提出了著名的Sauerbrey方程

式中:Δf为频移;Δm为质量改变量;f0为基频;A为电极面积.

石英晶体微天平是一种质量到频率的转换器,它可以把石英晶体电极上面极小质量的改变转换为可测量的振动频率的改变,其测量极限能达到10-6kg.

后期Kanazawa等提出了Kanazawa-Gordon方程[6]即在液相环境中晶体的谐振频率变化满足

式中:f为基频;n为谐波次数;η1和 ρ1为流体的粘度和密度;μq和 ρq为石英晶体的剪切模量和密度,这给液体中QCM测量提供了理论依据.

本文就是依据QCM原理,对石英晶片进行有效制冷使其表面达到凝结,由于结露造成了石英晶片电极表面的质量改变,从而导致石英晶体的谐振频率发生改变,可以通过测量石英晶体的谐振频率以达到对露点的识别,同时测取频率突变时刻的石英晶片表面温度,这个温度就是石英晶体表面发生凝结时刻的温度,也是最终所需要测量的露点温度.

2.2 测量实验与分析

根据上述原理,可以初步得知当制冷器开始对石英晶片制冷导致石英晶片表面开始结露的时候,由于结露造成了石英晶片电极表面的质量改变从而使石英晶体谐振器的固有频率发生改变,并随着结露的过程所表现的频率变化程度不同.依照图 3所示的测量流程,在一定湿度环境下对此测量方法进行验证.

图3 测量流程Fig.3 Experimental p rocedure

图4 频率-时间曲线Fig.4 Frequency time

实验环境温度为28°,环境相对湿度为61%RH,环境相对湿度根据HM1500电容式湿度传感器提供的数据为参考,精度为 ±3%.取2A作为半导体制冷器的工作电流给石英晶体提供制冷,利用任意波形发生器产生一定范围的自动扫描信号驱动石英晶体维持振荡.当石英晶体处于谐振状态下,其自身的阻抗最小,因此利用高速数据采集卡获取与石英晶体串联的精密电阻两端的电压信号,并利用相应的软件程序提取电压幅值最大点对应的频率,此频率即为石英晶体的谐振频率.制冷持续150 s,此过程中按上述方法实时获取石英晶体谐振频率,如图4～6所示,分别得到了频率-时间曲线、频差-时间曲线和温度-时间曲线.

从图4可以看出,随着制冷器制冷时间的持续,石英晶体谐振器的谐振频率下降,直到第40 s的时候谐振频率出现了一个明显的突变.在这一过程中,根据数据的显示可以判断出40 s以前近似线性的频率变化是由于温度对石英晶体谐振器固有频率的影响产生的,40 s处的突变是由于石英晶片表面温度达到凝露温度所产生的结露造成的质量增加所引起的频偏.

为了更直观地表示石英晶体谐振频率随着制冷持续所产生的变化过程,图5做出了每相邻两个频率点的差值Δf的变化趋势,从图中可以明显看出,同样在40 s处Δf的值为最大,也就验证了前面描述的频偏产生原理的准确性.

基于上述现象及测量原理,最终要得到结露时刻的石英表面温度,此温度也就是在当前环境温度下的露点温度,利用此露点温度就可以得到环境的相对湿度,从而达到对环境湿度的准确测量.图6是同步测取的石英表面温度变化趋势,在图中可以看到40 s处温度有一个转折点,这一点的温度在40 s以前为最低值,后面相邻的一点温度比40 s处的温度高是由于在表面结露之后,由于露水蒸发作用同时会散去一部分温度,所以此处的温度转折点可以从另一个层面进一步验证40 s处石英表面的确产生了结露.通过获取40 s处的石英晶片温度为19.414℃和当时环境温度为28℃,可以利用查表计算得到环境的相对湿度为59.63%RH,与实验环境提供的湿度相差1.37%RH,误差控制在±2%.

图5 频差-时间曲线Fig.5 Frequen cy offset-tim e

3 结 论

根据实验系统的要求,设计了一套独立的露点传感装置,其具有灵敏度高、可靠性好、成本低的优点,并且可以适合较宽的湿度环境.通过实验以及对频率、温度、频差与制冷时间的相关性进行分析,可以从定性的角度验证利用QCM原理与本文设计的露点传感装置相结合能达到对环境露点的理想测量,测量误差控制在 ±2%RH.此方法具有精度和灵敏度双高的优点,同时成本低可操作性较强.此方法的定性分析对进一步研制谐振式露点仪具有重要的理论与实践意义.

[1] Rittersma ZM.Recent achievements in m iniaturised humidity sensors-a review of transduction techniques[J].Sensors and Actuators A:Physical,2002,96(2-3):196-210.

[2] Wy lie R G,Davies D K,Caw WA.Thebasic p rocess of the dew pointhygrometer,in A.Wex lerand R.E,Ruskin(eds.) [J].Hum idity and Moisture,1965(1):125-134.

[3] 王进才,陈振林,张凤林,等.图像式露点测量仪器的功能开发[J].分析测试技术与仪器,2000,6(3):158-161.

Wang Jincai,Chen Zhenlin,Zhang Fenglin,et al.Image-sensitization condensation hygrometer[J].Analysis and Testing Technology and Instrument,2000,6(3):158-161(in Chinese).

[4] Werem czuk J,TarapataG,Paczesny D,et al.Fast dew point hygrometer with silicon integrated detector-Optim ization of dynam ic properties[J].Sensors and A ctuators A,2006,132(1):195-198.

[5] Gunther Sauerbrey.Verwendung von schwingquarzen zur wagung dunner schichten und zurm ikrow aigung[J].Zeitschrift Fur Physik,1959,155:206-222.

[6] Kanazawa K K,Gordon JG.Theoscillation frequency of a quartz resonator in contact with liquid Anal[J].Chim.Acta, 1985,175:99-105.