聶 晶,孟曉風(fēng),鄭 睿,汪 爍,呂 陽(yáng)

(1.北京航空航天大學(xué)慣性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京 100191;2.中國(guó)人民解放軍96831部隊(duì)北京 100015)

空氣中水汽的含量,即所謂的濕度.濕度的精密、快速測(cè)量是化學(xué)傳感器中的難點(diǎn)之一.其中露點(diǎn)溫度的測(cè)量已被國(guó)際公認(rèn)為最精密的濕度測(cè)量方法[1].

露點(diǎn)測(cè)量其關(guān)鍵技術(shù)在于露點(diǎn)的探測(cè)與識(shí)別.目前主要的露點(diǎn)識(shí)別技術(shù)有光電法、聲波法以及圖像識(shí)別法[2].美國(guó) GE公司研制的光電精密露點(diǎn)儀、瑞士 MBW公司生產(chǎn)的精密露點(diǎn)儀以及英國(guó)的MICHELL儀器公司生產(chǎn)的系列精密露點(diǎn)儀等均是基于露點(diǎn)冷凝面對(duì)光的散射效應(yīng)來(lái)控制和生成露點(diǎn).芬蘭Vaisala公司推出的DM系列露點(diǎn)儀則是采用高靈敏度的聲波代替光信號(hào)進(jìn)行露點(diǎn)探測(cè).文獻(xiàn)[3-4]都研究了新型顯微成像式露點(diǎn)傳感器,利用光學(xué)CCD對(duì)鏡面生成露/霜前后圖像的差異進(jìn)行檢測(cè).本文提出了一種利用石英晶體微天平即QCM(Quartz CrystalMicrobalance)原理對(duì)露點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別,從而達(dá)到露點(diǎn)溫度測(cè)量的新方法,本方法具有測(cè)量方法簡(jiǎn)單、靈敏度高、精度高、可靠性好、成本低等優(yōu)點(diǎn).

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

濕度傳感探頭如圖1所示,它由一個(gè)諧振頻率為6 MH z的AT切型石英晶體諧振器與一個(gè)半導(dǎo)體制冷器以及熱管散熱器組成.

圖1 濕敏傳感裝置Fig.1 Hum idity sensor

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖Fig.2 Experimental system of hum id itym easurements

將兩面附有電極的AT切型石英晶片其中一面外圍無(wú)電極區(qū)域與半導(dǎo)體制冷器的制冷面用導(dǎo)熱銀膠相貼,半導(dǎo)體制冷器的熱面要與散熱器相貼以便于發(fā)揮更好的制冷效果,從石英晶片的兩個(gè)電極分別引出兩根導(dǎo)線接入掃頻信號(hào)源.同時(shí)需要兩個(gè)PT100鉑熱電阻作為溫度傳感器,一個(gè)貼在石英晶片表面,用來(lái)提供石英晶片表面的溫度值,另一個(gè)裸露在空氣環(huán)境中,用來(lái)提供同一時(shí)刻下環(huán)境溫度.

圖2為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖,該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡采用PCI4712AS2高速采集卡,制冷器選取TEC1-3104型半導(dǎo)體制冷器,最大制冷功率為8.2W,散熱器采用熱管散熱器,直流穩(wěn)壓電源為半導(dǎo)體制冷器提供0～3 A的電流,數(shù)字萬(wàn)用表采用VXI Technology公司的基于VXI總線的VM2710數(shù)字萬(wàn)用表,可以將PT100鉑熱電阻的電阻值直接轉(zhuǎn)換為溫度值,信號(hào)發(fā)生器選用VXITechnology公司的基于VXI總線的VM3640任意波形發(fā)生器,工控機(jī)為ADLINK工業(yè)控制計(jì)算機(jī).

2 露點(diǎn)測(cè)量

2.1 測(cè)量原理

1959年,德國(guó)Sauerbrey建立了基于質(zhì)量效應(yīng)的石英晶體微天平傳感理論[5],提出了著名的Sauerbrey方程

式中:Δf為頻移;Δm為質(zhì)量改變量;f0為基頻;A為電極面積.

石英晶體微天平是一種質(zhì)量到頻率的轉(zhuǎn)換器,它可以把石英晶體電極上面極小質(zhì)量的改變轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的振動(dòng)頻率的改變,其測(cè)量極限能達(dá)到10-6kg.

后期Kanazawa等提出了Kanazawa-Gordon方程[6]即在液相環(huán)境中晶體的諧振頻率變化滿足

式中:f為基頻;n為諧波次數(shù);η1和 ρ1為流體的粘度和密度;μq和 ρq為石英晶體的剪切模量和密度,這給液體中QCM測(cè)量提供了理論依據(jù).

本文就是依據(jù)QCM原理,對(duì)石英晶片進(jìn)行有效制冷使其表面達(dá)到凝結(jié),由于結(jié)露造成了石英晶片電極表面的質(zhì)量改變,從而導(dǎo)致石英晶體的諧振頻率發(fā)生改變,可以通過(guò)測(cè)量石英晶體的諧振頻率以達(dá)到對(duì)露點(diǎn)的識(shí)別,同時(shí)測(cè)取頻率突變時(shí)刻的石英晶片表面溫度,這個(gè)溫度就是石英晶體表面發(fā)生凝結(jié)時(shí)刻的溫度,也是最終所需要測(cè)量的露點(diǎn)溫度.

2.2 測(cè)量實(shí)驗(yàn)與分析

根據(jù)上述原理,可以初步得知當(dāng)制冷器開始對(duì)石英晶片制冷導(dǎo)致石英晶片表面開始結(jié)露的時(shí)候,由于結(jié)露造成了石英晶片電極表面的質(zhì)量改變從而使石英晶體諧振器的固有頻率發(fā)生改變,并隨著結(jié)露的過(guò)程所表現(xiàn)的頻率變化程度不同.依照?qǐng)D 3所示的測(cè)量流程,在一定濕度環(huán)境下對(duì)此測(cè)量方法進(jìn)行驗(yàn)證.

圖3 測(cè)量流程Fig.3 Experimental p rocedure

圖4 頻率-時(shí)間曲線Fig.4 Frequency time

實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為28°,環(huán)境相對(duì)濕度為61%RH,環(huán)境相對(duì)濕度根據(jù)HM1500電容式濕度傳感器提供的數(shù)據(jù)為參考,精度為 ±3%.取2A作為半導(dǎo)體制冷器的工作電流給石英晶體提供制冷,利用任意波形發(fā)生器產(chǎn)生一定范圍的自動(dòng)掃描信號(hào)驅(qū)動(dòng)石英晶體維持振蕩.當(dāng)石英晶體處于諧振狀態(tài)下,其自身的阻抗最小,因此利用高速數(shù)據(jù)采集卡獲取與石英晶體串聯(lián)的精密電阻兩端的電壓信號(hào),并利用相應(yīng)的軟件程序提取電壓幅值最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率,此頻率即為石英晶體的諧振頻率.制冷持續(xù)150 s,此過(guò)程中按上述方法實(shí)時(shí)獲取石英晶體諧振頻率,如圖4～6所示,分別得到了頻率-時(shí)間曲線、頻差-時(shí)間曲線和溫度-時(shí)間曲線.

從圖4可以看出,隨著制冷器制冷時(shí)間的持續(xù),石英晶體諧振器的諧振頻率下降,直到第40 s的時(shí)候諧振頻率出現(xiàn)了一個(gè)明顯的突變.在這一過(guò)程中,根據(jù)數(shù)據(jù)的顯示可以判斷出40 s以前近似線性的頻率變化是由于溫度對(duì)石英晶體諧振器固有頻率的影響產(chǎn)生的,40 s處的突變是由于石英晶片表面溫度達(dá)到凝露溫度所產(chǎn)生的結(jié)露造成的質(zhì)量增加所引起的頻偏.

為了更直觀地表示石英晶體諧振頻率隨著制冷持續(xù)所產(chǎn)生的變化過(guò)程,圖5做出了每相鄰兩個(gè)頻率點(diǎn)的差值Δf的變化趨勢(shì),從圖中可以明顯看出,同樣在40 s處Δf的值為最大,也就驗(yàn)證了前面描述的頻偏產(chǎn)生原理的準(zhǔn)確性.

基于上述現(xiàn)象及測(cè)量原理,最終要得到結(jié)露時(shí)刻的石英表面溫度,此溫度也就是在當(dāng)前環(huán)境溫度下的露點(diǎn)溫度,利用此露點(diǎn)溫度就可以得到環(huán)境的相對(duì)濕度,從而達(dá)到對(duì)環(huán)境濕度的準(zhǔn)確測(cè)量.圖6是同步測(cè)取的石英表面溫度變化趨勢(shì),在圖中可以看到40 s處溫度有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),這一點(diǎn)的溫度在40 s以前為最低值,后面相鄰的一點(diǎn)溫度比40 s處的溫度高是由于在表面結(jié)露之后,由于露水蒸發(fā)作用同時(shí)會(huì)散去一部分溫度,所以此處的溫度轉(zhuǎn)折點(diǎn)可以從另一個(gè)層面進(jìn)一步驗(yàn)證40 s處石英表面的確產(chǎn)生了結(jié)露.通過(guò)獲取40 s處的石英晶片溫度為19.414℃和當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度為28℃,可以利用查表計(jì)算得到環(huán)境的相對(duì)濕度為59.63%RH,與實(shí)驗(yàn)環(huán)境提供的濕度相差1.37%RH,誤差控制在±2%.

圖5 頻差-時(shí)間曲線Fig.5 Frequen cy offset-tim e

3 結(jié) 論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的要求,設(shè)計(jì)了一套獨(dú)立的露點(diǎn)傳感裝置,其具有靈敏度高、可靠性好、成本低的優(yōu)點(diǎn),并且可以適合較寬的濕度環(huán)境.通過(guò)實(shí)驗(yàn)以及對(duì)頻率、溫度、頻差與制冷時(shí)間的相關(guān)性進(jìn)行分析,可以從定性的角度驗(yàn)證利用QCM原理與本文設(shè)計(jì)的露點(diǎn)傳感裝置相結(jié)合能達(dá)到對(duì)環(huán)境露點(diǎn)的理想測(cè)量,測(cè)量誤差控制在 ±2%RH.此方法具有精度和靈敏度雙高的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)成本低可操作性較強(qiáng).此方法的定性分析對(duì)進(jìn)一步研制諧振式露點(diǎn)儀具有重要的理論與實(shí)踐意義.

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