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行业专项成果综述-双加热高空湿度探测技术研究

发布者:张岳   来源:   发布时间:2018/4/27 16:58:56   标签:   浏览次数:548

一波中特参考资料 www.81icx.cn

项目编号GYHY201106040

研究周期2011年1月—2013年12月

国拨经费248万元

项目负责人边旭明

项目骨干成员】边旭明,彭文武,黄晓杰,林树超,邓娟,董鹏,杨荣康,杜利东,张颖超

项目承担单位】北京航天微电科技有限公司(原北京长峰声表面波公司)

项目协作单位】中国气象局气象探测中心、中国科学院电子学研究所、南京信息工程大学

主要研究成果

(1)快速响应的湿度敏感材料的改性合成技术

国内已报道的聚酰亚胺电容式湿度传感器存在响应时间过慢、线性度差以及水分子凝聚导致湿滞等问题。本项目通过化学改性合成研究,本项目开发了一种快速响应的聚酰亚胺类聚合物的湿度敏感材料,结合聚酰亚胺的亚胺化工艺研究,提高聚酰亚胺的交联密度,利用该材料制作的湿度传感器,具有工作温度范围广、线性度好、常温湿度响应快的特点。工作温度范围-90℃~50℃,常温下的吸湿和脱湿小于1.5s。

(2)加热式湿度传感器的结构设计和制作工艺技术

本项目采用三明治型湿敏电容具有芯片面积小、结构简单、加热快速、电容值大的优势。加热式电容型湿度传感器下电极为平板金属电极,中间层为合成的改性聚酰亚胺湿度敏感材料,上电极采用微米级正方形栅格结构以提高吸附和脱附水分子的速率,金属Pt加热电路采用蛇形结构设计,分布在下电极的周围,聚酰亚胺感湿层扩展至加热电路之上。该加热式湿度传感器采用平面半导体工艺制作完成,成品率达到80%以上。

(3)双加热湿度传感器加热控制技术

通过对双加热湿度传感器交替加热模型的理论和实验研究,包括加热电路结构和湿度传感器固定方式、热量传递和热量损失的情况的研究,设计了加热电路的工作电流和工作时间,实现两只湿敏电容交替加热和湿度测量,放飞结果理想。

(4)加热式湿度传感器标校技术

湿敏电容的低温标定一直是个难点,此前国内低温下标定的范围最低为-30℃,而国际上均将低温标定范围延伸至-60℃。本项目订制了最低温度能到-60℃的双压法湿度发生器,有效的提高低温湿度检测工作效率和精度,根据标校取得的数据建立低温湿度校准模型,满足传感器的测试准确性和一致性要求。利用低温湿度测量系统,测出不同温度下湿敏电容相对常温校准曲线的偏移,然后根据不同温度下湿敏电容的偏移量拟合出湿敏电容在不同温度下的校准曲线。

(5)湿度传感器的温度补偿技术

湿度传感器必须暴露在空气中进行测量,受诸多不良因素影响导致结果存在很大的非线性,其中受到温度变化的影响最为明显,必须对传感器进行温度补偿,因此湿度传感器温度补偿技术的研究成为提高探测精度不可缺少的部分。针对温度严重影响湿度测量准确性的问题,分别研究了非线性校正领域神经网络方法和支持向量机算法,提出了利用支持向量机对湿度传感器进行温度补偿的方法,重点分析了基于遗传算法和粒子群算法的SVM寻优方法。在基本算法的基础上提出了改进的遗传算法以及改进的粒子群算法,给出了它们用于SVM参数寻优的基本原理和流程,根据上述算法得出的温度补偿数据基,对研究高空湿度的建模具有一定的参考价值。在此基础上,通过软件计算出理想条件下的加热时间。对以后的采集电路设计,传感器支架的设计,加热方法的设计,温度补偿误差的参数确定,控制器编程具有至关重要的指导作用。

(6)双加热式湿度传感器动态探测技术

本项目设计了的双加热湿度传感器的数据采集和交替加热的控制电路,两只加热式湿敏湿度传感器安装在采集电路的支架版上,并安装到GPS探空仪载体上进行高空湿度探测,湿度输出频率为1次/秒。本项目的双加热式湿度传感器与进口传感器及目前业务用探空仪进行了大量的同球放飞比对试验,-30℃以上实现了多次理想的交替加热除湿的效果,两只加热式湿度传感器的湿度曲线变化相符,具有较好的一致性。加热式湿度传感器与对比探空仪均显示出了明显的出云和入云变化,与VAISALA RS92在整个测量过程中保持较为一致的湿度探测趋势,几乎同步发生湿度阶跃,湿度误差基本在±5%RH以内,而也无用GTS1探空仪在低温阶段(-30℃以下)出现了较大的湿度滞后现象,未能响应实际湿度的变化。

成果应用情况

本项目的研究成果包括快速响应的湿度敏感材料的改性合成技术、加热式湿度传感器的结构设计和制作工艺技术、双加热湿度传感器加热控制技术、加热式湿度传感器标校技术、湿度传感器的温度补偿技术、双加热式湿度传感器动态探测技术等。利用项目成果,成功制作出适用于高空湿度探测的双加热湿敏电容,并搭建在传感器测试电路中,在双温双压试验箱中测得实际的温度,湿度数据,利用这些数据使用GA-SVM算法对传感器进行建模,获得了传感器的温度补偿,误差校正的收敛时间等较好的特性,通过测试标校和温度补偿,搭载在探空仪上进行了静态测试和动态比对测试,比对结果显示,该传感器湿度响应特性优于目前业务使用的L波段探空仪湿敏电阻,与进口传感器性能相当。通过对双加热高空湿度探测技术的研究,制作出具有轮换交替加热功能,能避免湿度传感器被雨(云)滴浸湿、冻结对探测产生影响的满足气象观测要求的双加热高空湿度传感器,有助于打破国外少数厂家技术和市场垄断的局面,项目成果可对我国目前使用的探空湿度传感器进行升级换代,提升我国高空湿度探测精度。国内对探空湿度传感器市场需求十分旺盛,推广数量可达10万只/年,经济效益非??晒?。因此,本项目具有巨大的社会效益和经济效益。

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