专利名称：湿度传感元件动态响应特性标定测量系统及测量方法
技术领域：
本发明属于测量设备技术领域，涉及一种湿度传感元件标定设备，具体涉及一种 湿度传感元件动态响应特性的标定测量系统，本发明还涉及利用该测量系统标定湿度传感 元件动态响应特性的方法。
背景技术：
交通运输、医疗卫生、物流仓储、工农业生产、建筑环境等领域要求湿度传感器 (元件)具有优良的特性，动态响应特性是湿度传感器(元件)的基本特性之一，是指在一 定温度下，当湿度发生阶跃一定量时，湿敏元件的电参量达到湿度变化量的规定比例所需 要的时间。由于国内外相关领域对湿度传感器(元件)动态响应特性及其标定测量装置的 研究较少，加之实现不同湿度之间的快速切换存在困难，湿度传感器(元件)元件的响应 时间普遍较长，动态响应特性的标定测量装置发展缓慢，远不能满足快速响应湿度传感器 (元件)的标定测量要求。国外生产的湿度传感器(元件)动态响应标定设备，价格十分昂 贵；国内国标中推荐使用手工操作的方法进行标定测量，操作繁琐、准确度不高。所以研制 满足快速响应湿度传感器(元件)动态响应特性测试要求的标定测量装置，成为当务之急。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种湿度传感元件动 态响应特性的标定测量系统，其操作简单，响应迅速，准确度高，而且价格较低。本发明的另一目的是提供一种利用上述测量系统标定湿度传感元件动态响应特 性的方法。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是，湿度传感元件动态响应特性标定 测量系统，包括恒温水浴箱体7、温度及电源控制箱3、计算机9和数字电桥10，计算机9分 别与温度及电源控制箱3和数字电桥10相连接，恒温水浴箱体7内设置有加热装置、高-低 湿度发生器和温度传感器6，温度及电源控制箱3分别与湿度发生器、加热装置和温度传感 器6电连接。高-低湿度发生器包括并排设置的第一饱和盐容器1和第二饱和盐容器2，第一饱 和盐容器1内加注有第一饱和盐液11，第一饱和盐溶液11与第一饱和盐容器1顶部之间 形成第一测试腔19，第二饱和盐容器2内加注有第二饱和盐溶液12，第二饱和盐溶液12与 第二饱和盐容器2顶部之间形成第二测试腔22，第一测试腔19与第二测试腔22内空气的 湿度不同，第一饱和盐容器1的侧壁上水平设置有回气管20和出气管23，回气管20的两端 分别伸入第一测试腔19和第二测试腔22内，出气管23的两端分别伸入第一测试腔19和 第二测试腔22内，出气管23上设置有气泵21，气泵21分别与第一电磁阀14和第二电磁阀 15相通，第一电磁阀14还与第二测试腔22相通，气泵21、第一电磁阀14和第二电磁阀15 均位于第二测试腔22内，第二电磁阀15与回气管20位于第二测试腔22内的一端相通，第 一饱和盐容器1外设置有与第一测试腔19相通的第四电磁阀17，第二饱和盐容器2外设置有与第二测试腔22相通的第三电磁阀16。本发明所采用的另一技术方案是，一种利用上述标定测量系统标定湿度传感元件 动态响应特性的方法，按以下步骤进行步骤1 将水加入恒温水浴箱体7内，通过温度及电源控制器3设定恒温水浴箱体 7内的温度；步骤2 启动加热装置，对恒温水浴箱体7内的水进行加热，加热过程中，温度传感 器6感应恒温水浴箱体7内水的温度，并将该温度信号给温度及电源控制器3 ；步骤3 当恒温水浴箱体7内水的温度升至步骤1中预先设定的温度，并保持恒定 后，将待测的湿度传感元件18置于第一测试腔19内，湿度传感元件18平衡后，通过数字电 桥10测量湿度传感元件18在第一测试腔19中的静态电容值，并将该静态电容值传输至计 算机9，计算机9接收该静态电容值，并将其储存为第一静态电容数据；步骤4 从第一测试腔19中取出湿度传感元件18，并将该湿度传感元件18放入第 二测试腔22中，湿度传感元件18平衡后，通过数字电桥10测量湿度传感元件18在第二测 试腔22中的静态电容值，并将该静态电容值传输至计算机9，计算机9接收该静态电容值， 将其储存为第二静态电容数据；步骤5 打开第二电磁阀15，关闭第一电磁阀14、第三电磁阀16和第四电磁阀17， 开启气泵21，将第一饱和盐容器1中的湿空气吸入出气管23，此时，湿度传感元件18接触 的仍是第二测试腔22中的湿空气；进行湿度切换时，通过计算机9发出指令，关闭第二电磁 阀15，打开第一电磁阀14、第三电磁阀16和第四电磁阀17，进入出气管23的湿空气依次通 过气泵21、三通13和第一电磁阀14，到达湿度传感元件18，完成湿度切换，此时，湿度传感 元件18接触的是第一测试腔19中的湿空气，在湿度切换过程中，数字电桥10延续测试湿 度传感元件18的电容值，并将测量得到的电容值不断传输给计算机9，计算机9记录和存储 湿度切换延续时间以及湿度传感元件18在湿度切换过程中的动态电容值；步骤6 根据步骤3中计算机9储存的第一静态电容数据和步骤4中计算机9储 存的第二静态电容数据，计算相同测量温度不同湿度环境下湿度传感元件18的静态电容 值的差值，根据该差值计算出不同百分数幅值对应的电容值，将步骤5中计算机9记录的湿 度传感元件18的动态电容值与计算得到的湿度传感元件18不同百分数幅值对应的电容值 进行比对，得出湿度传感元件18在不同湿度变化幅值下的动态响应时间，完成湿度传感元 件18动态响应特性的标定。本发明动态响应测量系统是基于饱和盐溶液法搭建的湿度传感器(元件)动态响 应特性的标定测试系统，适用于快速响应湿度传感器(元件)的标定测试，可实现不同湿度 环境之间的快速切换，切换时间250 300ms，同时，测量操作简单，结果精确，具有一定的 适用性和使用推广性。
图1是本发明动态响应测量系统的结构示意图。图2是本发明动态响应测量系统中湿度发生器的结构示意图。图中，1.第一饱和盐容器，2.第二饱和盐容器，3.温度及电源控制箱，4.混水泵， 5.电加热器，6.温度传感器，7.恒温水浴箱体，8.保温层，9.计算机，10.数字电桥，11.第
5一高-低湿饱和盐液，12.第二高-低湿饱和盐液，13.三通，14.第一电磁阀，15.第二电 磁阀，16.第三电磁阀，17.第四电磁阀，18.湿度传感元件，19.第一测试腔，20.回气管， 21.气泵，22.第二测试腔，23.出气管。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。如图1所示，本发明标定测量系统的结构，包括控温精度高于0. 2°C的恒温水浴箱 体7、温度及电源控制箱3、计算机9和数字电桥10，计算机9分别与温度及电源控制箱3和 数字电桥10相连接，计算机9用于控制恒温水浴箱体7内的温度。恒温水浴箱体7内并排 设置有两套电加热器5，两电加热器5之间设置有高-低湿度发生器，恒温水浴箱体7内还 设置有精度高于0. 50C的DS18B20型温度传感器6和两台混水泵4，该两台混水泵4的出口 方向相反。温度及电源控制箱3分别与高-低湿度发生器、混水泵4、电加热器5和温度传 感器6电连接。恒温水浴箱体7的外面包裹有保温层8，恒温水浴箱体7的容积为 900mmX 450mmX 550mm，保温层8采用厚度为75 80mm的聚苯板。恒温水浴箱体7、保温 层8、混水泵4、电加热器5、温度传感器6和温度及电源控制箱3构成恒温水浴装置，该恒温 水浴装置用于提供测试过程中所需的恒温环境，温度波动小，受外界环境影响小，控温精度
尚ο 电加热器5的功率为250W。温度及电源控制器3包括高精度温控器(士0. 2V )电源开关。数字电桥10采用同惠电子有限公司生产的TH2619型LCR高精度快速数字电桥， 用于测量和显示需标定的湿度传感元件的电容值，该LCR数字电桥的准确度为0. 1 %，测量 速度有295ms/次、60ms/次和15ms/次三档，最高测量速度为13ms/次。并带RS232通讯接 口，可进行人机对话，实现测量数据的输出。本发明标定测量装置中高-低湿度发生器的结构，如图2所示，包括并排设置的第 一饱和盐容器1和第二饱和盐容器2，第一饱和盐容器1内加注有第一饱和盐液11，第一饱 和盐溶液11表面与第一饱和盐容器1顶部之间形成第一测试腔19。第二饱和盐容器2内 加注有第二饱和盐溶液12，第二饱和盐溶液12表面与第二饱和盐容器2顶部之间形成第二 测试腔22。第一饱和盐溶液11和第二饱和盐溶液12是根据湿度测试量程要求，按照国标 GB/T15768-1995选择两种不同相应湿度的化学纯标准药品，使用纯净水将该两种化学纯标 准药品分别进行配置，并得到两种饱和盐液。饱和盐容器中加注的饱和盐液的容积不超过 测试腔容积的5%。第一测试腔19与第二测试腔22内空气的湿度不同，空气湿度须满足湿 度测试的要求。第一饱和盐容器1的侧壁上水平设置有回气管20和出气管23，回气管20 位于出气管23的上方，回气管20的一端位于第一测试腔19内，回气管20的另一端伸入第 二测试腔22内，出气管23的一端位于第一测试腔19内，出气管23的另一端伸入第二测试 腔22内，出气管23上设置有气泵21，气泵21与三通13的一个口相通，三通13的另两个口 分别与第一电磁阀14和第二电磁阀15相通，第一电磁阀14还与第二测试腔22相通。气 泵21、三通13、第一电磁阀14和第二电磁阀15均位于第二测试腔22内。第二电磁阀15 与回气管20位于第二测试腔22内的一端相通。第一饱和盐容器1外设置有与大气相通的第四电磁阀17，第四电磁阀17通过平衡管与第一测试腔19相通；第二饱和盐容器2外设 置有与大气相通的第三电磁阀16，第三电磁阀16通过另一平衡管与第二测试腔22相通。第一电磁阀14、第二电磁阀15、第三电磁阀16、第四电磁阀17和气泵21分别与温 度及电源控制箱3电连接。第一饱和盐容器1和第二饱和盐容器2的容积均为40升，用于提供测试过程中所 需的湿度环境。气泵21采用真空循环泵。本发明还提供了一种利用上述测量系统标定湿度传感元件动态响应特性的方法， 具体按以下步骤进行步骤1 将水加入恒温水浴箱体7内，通过温度及电源控制器3设定恒温水浴箱体 7内的温度；步骤2 启动电加热器5和混水泵4，电加热器5加热恒温水浴箱体7内的水，混水 泵4对恒温水浴箱体7内的水进行混合搅拌，在加热过程中，温度传感器6感应恒温水浴箱 体7内水的温度，将感应到的水的温度转换为信号，并将该信号传递给温度及电源控制器 3 ；步骤3 当恒温水浴箱体7内水的温度升至步骤1中预先设定的温度，并保持恒定 后，将待测的湿度传感元件18置于第一测试腔19内，湿度传感元件18平衡后，启动数字电 桥10测量该湿度传感元件18在第一测试腔19中相应湿度下的静态电容值，数字电桥10 将测量得到的湿度传感元件18的静态电容值传输至计算机9，计算机9接收该静态电容值， 并将其储存为第一静态电容数据；步骤4 将湿度传感元件18从第一测试腔19中取出，然后，将该湿度传感元件18 放入第二测试腔22中，并与第一电磁阀14相通，湿度传感元件18平衡后，通过数字电桥10 测量湿度传感元件18在第二测试腔22中相应湿度下的静态电容值，将该静态电容值传输 至计算机9，计算机9接收该静态电容值，并将其储存为第二静态电容数据；步骤5 打开第二电磁阀15，关闭第一电磁阀14、第三电磁阀16和第四电磁阀17， 开启气泵21，将第一饱和盐容器1中的湿空气吸入出气管23，进入出气管23的湿空气依次 通过气泵21、三通13、第二电磁阀15和回气管20进行循环，此时，湿度传感元件18接触的 仍是第二饱和盐容器2中的湿空气；进行湿度切换时，通过计算机9发出指令，关闭第二电 磁阀15，打开第一电磁阀14、第三电磁阀16和第四电磁阀17，进入出气管23的湿空气依次 通过气泵21、三通13和第一电磁阀14，进入第二测试腔22内，并在250 300ms的时间内 完成湿度切换，此时，湿度传感元件18接触的是第一饱和盐容器1中的湿空气，在湿度切换 过程中，数字电桥10延续测试湿度传感元件18的电容值，并将测量得到的电容值不断传输 给计算机9，计算机9记录和存储湿度切换延续时间以及湿度传感元件18在湿度切换过程 中的动态电容值；步骤6 根据步骤3中计算机9储存的第一静态电容数据和步骤4中计算机9储 存的第二静态电容数据，计算相同测量温度不同湿度环境下湿度传感元件18的静态电容 值的差值，根据该差值计算出不同百分数幅值对应的电容值，将步骤5中计算机9记录的湿 度传感元件18的动态电容值与计算得到的湿度传感元件18不同百分数幅值对应的电容值 进行比对，得出湿度传感元件18在不同湿度变化幅值下的动态响应时间，完成湿度传感元件18动态响应特性的标定。根据国标GB/T15768-1995，响应时间指标是指待测湿度传感器(元件)在测试过 程中，其显示值自U2变化至U2+x% · AU(AU = Ul-U2|)的时间，其中Ul为第一饱和盐 溶液湿度对应的测试湿度传感器(元件)静态平衡显示值，U2为第二饱和盐溶液湿度对应 的测试湿度传感器(元件)静态平衡显示值，根据不同测试要求，U2+x% · AU中的可 取不同的数值，如30%，60%，90%等。根据测试要求对进行取值，静态测试后U2+x% · Δ U的计算值记为U，动态测 试中，将湿度传感器(元件)接触的第二饱和盐溶液的对应湿度开始跃变至第一饱和盐溶 液对应湿度的起始时间记为0时刻，测试湿度传感器(元件)起始湿度显示值为U2，随着时 间的推移，测试湿度传感器(元件)的显示值会在U2至U1(U2+100%· AU)间发生升或降 的变化，测试系统的计算机9将按设定的取值频率记录下测试湿度传感器(元件)显示值 的变化情况及其对应时间，最后在测试系统计算机存储的数据中找出U对应的时间，此时 间即为该湿度传感器(元件)的响应时间。本发明动态响应测量系统中，电磁阀的响应时间小于100ms，系统响应时间小于 100ms，气泵21驱动气体在回气管20中的流速为1 2m/s，三通13至第一测试腔19的距 离为0. lm，切换后气体流动所需时间为50 100ms，本系统完成切换的响应时间为250 300ms，能满足快速响应湿度传感器(元件)的动态特性测量要求，同时，恒温水浴控温精度 高，数字电桥10响应速度快、精度高，使得本动态响应测量系统测量结果精确，且测量操作 简单，具有一定的适用性和使用推广性。
权利要求
湿度传感元件动态响应特性标定测量系统，其特征在于，该测量系统包括恒温水浴箱体(7)、温度及电源控制箱(3)、计算机(9)和数字电桥(10)，计算机(9)分别与温度及电源控制箱(3)和数字电桥(10)相连接，恒温水浴箱体(7)内设置有加热装置、高 低湿度发生器和温度传感器(6)，温度及电源控制箱(3)分别与湿度发生器、加热装置和温度传感器(6)电连接。
2.按照权利要求1所述的标定测量系统，其特征在于，所述的高-低湿度发生器包括并 排设置的第一饱和盐容器(1)和第二饱和盐容器(2)，第一饱和盐容器(1)内加注有第一饱 和盐液(11)，第一饱和盐溶液(11)与第一饱和盐容器(1)顶部之间形成第一测试腔(19)， 第二饱和盐容器(2)内加注有第二饱和盐溶液(12)，第二饱和盐溶液(12)与第二饱和盐 容器(2)顶部之间形成第二测试腔(22)，第一测试腔(19)与第二测试腔(22)内空气的湿 度不同，第一饱和盐容器(1)的侧壁上水平设置有回气管(20)和出气管(23)，回气管(20) 的两端分别伸入第一测试腔(19)和第二测试腔(22)内，出气管(23)的两端分别伸入第一 测试腔(19)和第二测试腔(22)内，出气管(23)上设置有气泵(21)，气泵(21)分别与第 一电磁阀(14)和第二电磁阀(15)相通，第一电磁阀(14)还与第二测试腔(22)相通，气泵 (21)、第一电磁阀(14)和第二电磁阀(15)均位于第二测试腔(22)内，第二电磁阀(15)与 回气管(20)位于第二测试腔(22)内的一端相通，第一饱和盐容器(1)外设置有与第一测 试腔(19)相通的第四电磁阀(17)，第二饱和盐容器(2)外设置有与第二测试腔(22)相通 的第三电磁阀(16)。
3.按照权利要求1所述的标定测量系统，其特征在于，所述的恒温水浴箱体(7)外包裹 有保温层⑶。
4.按照权利要求3所述的标定测量系统，其特征在于，所述的保温层(8)采用厚度为 75mm 80mm的聚苯板。
5.按照权利要求1、2或3所述的标定测量系统，其特征在于，所述的恒温水浴箱体(7) 内设置有混水装置。
6.按照权利要求5所述的标定测量系统，其特征在于，所述的混水装置为两台混水泵⑷。
7.按照权利要求1所述的标定测量系统，其特征在于，所述的数字电桥(10)采用 TH2619型LCR数字电桥。
8.一种利用权利要求1所述标定测量系统标定湿度传感元件动态响应特性的方法，其 特征在于，该方法按以下步骤进行步骤1 采用一标定测量系统，该标定测量系统包括恒温水浴箱体(7)、温度及电源控 制箱(3)、计算机(9)和数字电桥(10)，计算机(9)分别与温度及电源控制箱(3)和数字 电桥(10)相连接，恒温水浴箱体(7)内设置有加热装置、高-低湿度发生器和温度传感器 (6)，温度及电源控制箱(3)分别与湿度发生器、加热装置和温度传感器(6)电连接，所述的 高-低湿度发生器包括并排设置的第一饱和盐容器(1)和第二饱和盐容器(2)，第一饱和盐 容器(1)内加注有第一饱和盐液(11)，第一饱和盐溶液(11)与第一饱和盐容器(1)顶部 之间形成第一测试腔(19)，第二饱和盐容器(2)内加注有第二饱和盐溶液(12)，第二饱和 盐溶液(12)与第二饱和盐容器(2)顶部之间形成第二测试腔(22)，第一测试腔(19)与第 二测试腔(22)内空气的湿度不同，第一饱和盐容器(1)的侧壁上水平设置有回气管(20)和出气管(23)，回气管(20)的两端分别伸入第一测试腔(19)和第二测试腔(22)内，出气 管(23)的两端分别伸入第一测试腔(19)和第二测试腔(22)内，出气管(23)上设置有气 泵(21)，气泵(21)分别与第一电磁阀(14)和第二电磁阀(15)相通，第一电磁阀(14)还与 第二测试腔(22)相通，气泵(21)、第一电磁阀(14)和第二电磁阀(15)均位于第二测试腔 (22)内，第二电磁阀(15)与回气管(20)位于第二测试腔(22)内的一端相通，第一饱和盐 容器(1)外设置有与第一测试腔(19)相通的第四电磁阀(17)，第二饱和盐容器(2)外设置 有与第二测试腔(22)相通的第三电磁阀(16)，将水加入恒温水浴箱体(7)内，通过温度及电源控制器(3)设定恒温水浴箱体(7)内 的温度；步骤2 启动加热装置，对恒温水浴箱体(7)内的水进行加热，加热过程中，温度传感器 (6)感应恒温水浴箱体(7)内水的温度，并将该温度信号给温度及电源控制器(3)；步骤3 当恒温水浴箱体(7)内水的温度升至步骤1中预先设定的温度，并保持恒定 后，将待测的湿度传感元件(18)置于第一测试腔(19)内，湿度传感元件(18)平衡后，通过 数字电桥(10)测量湿度传感元件(18)在第一测试腔(19)中的静态电容值，并将该静态电 容值传输至计算机(9)，计算机(9)接收该静态电容值，并将其储存为第一静态电容数据； 步骤4:从第一测试腔(19)中取出湿度传感元件(18)，并将该湿度传感元件(18)放 入第二测试腔(22)中，湿度传感元件(18)平衡后，通过数字电桥(10)测量湿度传感元件 (18)在第二测试腔(22)中的静态电容值，并将该静态电容值传输至计算机(9)，计算机(9) 接收该静态电容值，将其储存为第二静态电容数据；步骤5:打开第二电磁阀(15)，关闭第一电磁阀(14)、第三电磁阀(16)和第四电磁阀 (17)，开启气泵(21)，将第一饱和盐容器⑴中的湿空气吸入出气管(23)，此时，湿度传感 元件(18)接触的仍是第二测试腔(22)中的湿空气；进行湿度切换时，通过计算机(9)发出 指令，关闭第二电磁阀(15)，打开第一电磁阀(14)、第三电磁阀(16)和第四电磁阀(17)， 进入出气管(23)的湿空气依次通过气泵(21)、三通(13)和第一电磁阀(14)，到达湿度传 感元件(18)，完成湿度切换，此时，湿度传感元件(18)接触的是第一测试腔(19)中的湿空 气，在湿度切换过程中，数字电桥(10)延续测试湿度传感元件(18)的电容值，并将测量得 到的电容值不断传输给计算机(9)，计算机(9)记录和存储湿度切换延续时间以及湿度传 感元件(18)在湿度切换过程中的动态电容值；步骤6 根据步骤3中计算机(9)储存的第一静态电容数据和步骤4中计算机(9)储 存的第二静态电容数据，计算相同测量温度不同湿度环境下湿度传感元件(18)的静态电 容值的差值，根据该差值计算出不同百分数幅值对应的电容值，将步骤5中计算机(9)记录 的湿度传感元件(18)的动态电容值与计算得到的湿度传感元件(18)不同百分数幅值对应 的电容值进行比对，得出湿度传感元件(18)在不同湿度变化幅值下的动态响应时间，完成 湿度传感元件(18)动态响应特性的标定。
9.按照权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述步骤5中湿度切换时间为 250ms 300ms ο
全文摘要
湿度传感元件动态响应特性标定测量系统及测量方法，测量系统包括恒温水浴箱体、温度及电源控制箱、计算机和数字电桥，计算机分别与温度及电源控制箱和数字电桥相连接，恒温水浴箱体内设置有加热装置、高-低湿度发生器和温度传感器，温度及电源控制箱分别与湿度发生器、加热装置和温度传感器电连接；测量湿度传感元件在不同湿度条件下的静态电容值，并据此计算出不同百分数幅值对应的电容值，测量湿度切换过程中湿度传感元件的动态电容值，将该动态电容值与不同百分数幅值对应的电容值进行比对，得出不同湿度变化幅值下的动态响应时间。本发明标定测量系统能实现不同湿度环境之间的快速切换，切换时间250～300ms，操作简单，结果精确。
文档编号G01K15/00GK101949747SQ201010272928
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月3日 优先权日2010年9月3日
发明者周文和, 常立民, 王良成, 王良璧, 胡万林, 高全福 申请人:兰州交通大学