基于交叉电容结构的湿度测量传感器及其湿度测量方法

技术领域

本发明涉及湿度测量技术领域，尤其涉及一种基于交叉电容结构的湿度测量传感器及其湿度测量方法。

背景技术

气体绝缘开关设备GIS中，保护设备如断路器通常放置在SF6充气封闭模型中，然而GIS中水分的存在会恶化SF6气体的性质，使SF6分解产生二氧化硫、SO2F2等有害气体，同时水分子分解生成氢离子会与低硫化物反应生成有害气体扩散到放电区域外，并吸附于绝缘材料表面产生强酸性物质，从而对电器设备正常运行造成影响。所以，为顺应现在的趋势，通常用环保气体如C4F7N、C5F10O代替SF6，但水分还是会对环保气体的分解产物产生影响。因此，环保气体绝缘设备内湿度测量和控制显得至关重要。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提供一种基于交叉电容结构的湿度测量传感器，该湿度测量传感器制备成本低，并能够提高湿度检测精度。

本发明的第二个目的在于提供一种湿度测量方法。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于交叉电容结构的湿度测量传感器，包括：

传感元件，所述传感元件包括多个电极，多个所述电极中相邻电极之间的交叉电导随所述传感元件所处的环境湿度变化而变化；

检测电路，与所述传感元件连接，所述检测电路通过检测自身电压输出值检测出所述传感元件中相邻电极之间的交叉电导值，以便检测出所述传感元件所处的环境湿度值。

可选的，所处传感元件包括四个电极，其中，任意相邻的两个电极接地，剩余的两个电极接入所述检测电路。

可选的，所述检测电路检测剩余的两个所述电极之间的交叉电导值，以便检测出所述传感元件所处的环境湿度值。

可选的，所述传感元件的多个所述电极烧结在衬底上。

可选的，所述衬底上沉积有PVA薄膜，其中，所述PVA薄膜的表面水分子被吸收时，接入所述检测电路的相邻电极之间的交叉电导发生变化。

可选的，所述传感元件的多个所述电极之间设置有气隙。

可选的，所述衬底为聚酰亚胺衬底。

可选的，所述检测电路包括：

第一电阻至第四电阻；

交流电源，所述交流电源的输出端与所述第一电阻的第一端连接；

第一运算放大器和第二运算放大器，所述第一电阻的第二端与第二电阻的第一端连接，并连接至所述第一运算放大器的负端，所述第二电阻的第二端与所述第一运算放大器的输出端连接，并通过所述第四电阻连接至所述第二运算放大器的负端；

接入所述检测电路的第一电极与所述交流电源的输出端连接，接入所述检测电路的第二电极通过第三电阻与所述第二运算放大器的输出端连接，其中，所述第一运算放大器和所述第二运算放大器的正端接地。

可选的，所述检测电路通过检测自身电压输出值检测出所述传感元件中相邻电极之间的交叉电导值的公式表示如下：

其中，G

为达到上述目的，本发明第二方面提供了一种湿度测量方法，应用于上述的基于交叉电容结构的湿度测量传感器，所述方法包括：

步骤S1：确定传感元件中接入检测电路的两电极之间的交叉电导随环境湿度变化的关系曲线，并确定交流电源的输出电压值；

步骤S2：将湿度测量传感器放置于待测环境中，获取检测电路输出电压值；

步骤S3：根据所述检测电路输出电压值、所述交流电源的输出电压值确定接入所述检测电路的两电极之间的交叉电导值；

步骤S4：根据所述交叉电导值和所述关系曲线确定所述待测环境的湿度。

本发明至少具有以下技术效果：

本发明将制备传感元件的多个电极烧结在聚酰亚胺衬底上，并在多个电极之间设置气隙，以及在聚酰亚胺衬底上沉积PVA薄膜，其中该PVA薄膜的表面水分子被吸收时，会使接入检测电路的相邻电极之间的交叉电导发生变化，而检测电路的相邻电极之间的交叉电导发生变化，会相应使得检测电路的输出电压发生变化，由此可建立环境湿度和电极之间交叉电导值，以及环境湿度和检测电路输出电压的定量变化关系，从而可根据上述定量变化关系准确确定出环境湿度值，因此本发明可提高湿度传感器的检测精度，并且本发明通过上述方法制备得到传感元件，其制备过程简单，且能够降低传感元件的制备成本。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的基于交叉电容结构的湿度测量传感器的结构框图。

图2为本发明一实施例提供的传感元件结构示意图。

图3为本发明一实施例提供的检测电路的输出电压与相对湿度的关系曲线示意图。

图4为本发明一实施例提供的电导率随湿度变化关系曲线示意图。

图5为本发明一实施例提供的检测电路的电路拓扑示意图。

图6为本发明一实施例提供的传感元件的电路结构示意图。

图7为本发明一实施例提供的湿度传感器响应时间示意图。

图8为本发明一实施例提供的湿度传感器恢复时间示意图。

图9为本发明一实施例提供的湿度测量方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本实施例的基于交叉电容结构的湿度测量传感器及其湿度测量方法。

图1为本发明一实施例提供的基于交叉电容结构的湿度测量传感器的结构框图。如图1所示，该湿度测量传感器10包括：传感元件11和检测电路12。其中，传感元件11包括多个电极，多个电极中相邻电极之间的交叉电导可随传感元件11所处的环境湿度变化而变化；检测电路12与传感元件11连接，检测电路12通过检测自身电压输出值检测出传感元件11中相邻电极之间的交叉电导值，以便检测出传感元件11所处的环境湿度值。

如图2所示，可将多个电极A、B、C和D烧结在柔性衬底如聚酰亚胺衬底上，然后在衬底上沉积PVA(聚乙烯醇)薄膜，其中，该PVA薄膜的表面水分子被吸收时，接入检测电路12的相邻电极如A和B之间的交叉电导会发生变化，另外在多个电极之间设置气隙，从而形成本实施例的传感元件11。进一步的，可将电极如A和B接入检测电路12，为了检测电极A和B之间的电阻对湿度测量结果的影响，可将相邻电极C和D均接地，以使电极A和电极D，以及电极B和电极C之间的电阻最小化。由于随着环境湿度的增加，电极A和B之间的电阻会降低，交叉电导会增大，检测电路12的输出电压会降低，由此可确定检测电路12的输出电压值，并反演确定电极A和B之间的交叉电导值，并根据交叉电导值确定传感元件11所处的环境湿度。当然，本实施例中，也可直接根据图3所示的检测电路12的输出电压值与相对湿度的关系曲线，来直接确定环境湿度值。

本实施例中的传感元件11可通过如下制备方法制备得到。

第一步，进行电极的印刷操作。

具体的，可将银电极即电极A、B等印刷在衬底上，完成银电极制作，操作如下：银电极用丝网印刷技术印刷在聚酰亚胺衬底上；然后将电极以200℃/小时以下(40℃/小时到50℃/小时)的烧结速率在炉中烧结1小时，获得银电极。本实施例中，衬底的尺寸为40mm×20mm×0.015mm；银电极内径为5mm，外径为10mm，电极宽度为2.5mm，电极间距为1mm，厚度约为11um。

本实施例中，通过制备固定长度的电极，可使得传感元件11的电导率与湿度直接相关，由此可制备得到交叉电容结构的传感器，并通过电极间交叉电导的变化实现环境湿度的测量。并且，本实施例中，通过丝网印刷技术印刷银电极可有效降低传感元件11的制备成本。

第二步，进行衬底的浸涂操作。

具体的，可在去离子水中制备5％的PVA溶液；将衬底以60mm/min的浸渍速度浸入制备的溶液中；浸渍30s后提升速度为80mm/min，并将衬底在配置好的溶液中静置30s；取出衬底，将沉积的薄膜在60℃温度下干燥5到6分钟；重复沉积薄膜动作5次，得到薄膜；最后将衬底在60℃烤箱中加热40分钟。

本实施例中制备的PVA薄膜在其表面水分子被吸收时，会使得接入检测电路12的相邻电极之间的交叉电导发生变化，具体体现为电导率变化，该电导率随湿度变化关系曲线如图4所示。本实施例中，可通过交叉电导变化实现环境湿度的测量。

第三步，进行传感元件的焊接操作。

具体的，可将制作好的传感元件11安装焊接到检测电路12中。如图5所示，可将电极A和B焊接在检测电路12中，从而完成整个湿度传感器的制作。

请继续参考图5，本实施例中的检测电路12包括：

第一电阻a、第二电阻b、第三电阻c和第四电阻Rx；交流电源，交流电源的输出端与第一电阻a的第一端连接，其输出电压为Vin；位于左侧的第一运算放大器和右侧的第二运算放大器，其中，第一电阻a的第二端与第二电阻b的第一端连接，并连接至第一运算放大器的负端，第二电阻b的第二端与第一运算放大器的输出端连接，并通过第四电阻Rx连接至第二运算放大器的负端；接入检测电路12的第一电极A与交流电源的输出端连接，接入检测电路12的第二电极B通过第三电阻c与第二运算放大器的输出端连接，其中，第一运算放大器和第二运算放大器的正端接地，接入检测电路12的传感元件11的电路结构如图6所示，其中，R

如上所述，相邻电极C和D均接地，可使电极A和电极D，以及电极B和电极C之间的电阻即R

本实施例中，检测电路12可通过检测自身电压输出值检测出传感元件11中相邻电极即A和B之间的交叉电导值的公式表示如下：

其中，G

进一步的，可根据交叉电导与湿度的变化关系，确定环境湿度值。例如，检测得到输出电压值V

当然，也可直接根据检测电路12输出电压和湿度的变化关系，确定环境湿度值。例如，通过起泡器将水蒸气和干燥的氮气在室温25摄氏度下进行混合，并使得湿度传感器10在10khz频率下由固定电压5V激励，然后测定湿度传感器10的静态特性和动态特性。对于静态特性，可将湿度传感器10暴露在固定湿度下20min，当湿度传感器10达到湿度平衡时，可记录下相应的输出电压值。由此，可确定检测电路12输出电压与湿度的变化关系曲线。进一步的，可将湿度传感器10放置于待测环境中，然后根据实际电压输出值和该变化关系曲线确定出当前待测环境的湿度值。

本发明提供的基于交叉电容结构的湿度测量传感器，可以显示电路输出电压随湿度的变化情况，并且本发明设计和制造的湿度传感器的响应时间和恢复时间也满足预设要求，该响应时间和恢复时间示意图如图7和8所示，其中，响应时间可计算为传感器输出达到总电容变化的10％-90％所用的时间约为77秒，而恢复时间可计算为从总变化的90％-10％达到底部所用的时间约为155秒，两者均满足预设要求。

图9为本发明一实施例提供的湿度测量方法的流程图，该方法应用于上述的基于交叉电容结构的湿度测量传感器，该方法包括：

步骤S1：确定传感元件中接入检测电路的两电极之间的交叉电导随环境湿度变化的关系曲线，并确定交流电源的输出电压值。

如之前所述，可确定接入检测电路的两电极A和B之间的交叉电导随环境变化的关系曲线，然后确定交流电源的输出电压值Vin。

步骤S2：将湿度测量传感器放置于待测环境中，获取检测电路输出电压值。

本实施例中，可获取湿度测量传感器对当前待测环境进行湿度检测得到的检测电路输出电压值Vout。

步骤S3：根据检测电路输出电压值、交流电源的输出电压值确定接入检测电路的两电极之间的交叉电导值。

本实施例中，可根据检测电路输出电压值Vout、交流电源的输出电压值Vin确定接入检测电路的两电极A和B之间的交叉电导值G

步骤S4：根据交叉电导值和关系曲线确定待测环境的湿度。

本实施例中，可根据G

当然，也可预先确定检测电路输出电压与湿度的变化关系曲线，然后直接根据当前待测环境检测得到的输出电压值和该变化曲线，确定当前待测环境的湿度。

综上所述，本发明将制备传感元件的多个电极烧结在聚酰亚胺衬底上，并在多个电极之间设置气隙，以及在聚酰亚胺衬底上沉积PVA薄膜，其中该PVA薄膜的表面水分子被吸收时，会使接入检测电路的相邻电极之间的交叉电导发生变化，而检测电路的相邻电极之间的交叉电导发生变化，会相应使得检测电路的输出电压发生变化，由此可建立环境湿度和电极之间交叉电导值，以及环境湿度和检测电路输出电压的定量变化关系，从而可根据上述定量变化关系准确确定出环境湿度值，所以本发明可提高湿度传感器的检测精度，并且本发明通过上述方法制备得到传感元件，其制备过程简单，且能够降低传感元件的制备成本。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。