基于MEMS传感器的水汽测量系统*

刘清惓,高 翔,陈传寅,谢钟镭

(1.江苏省气象探测与信息处理重点实验室,南京 210044;2.南京信息工程大学电子与信息工程学院,南京 210044)



基于MEMS传感器的水汽测量系统*

刘清惓1,2*,高 翔1,2,陈传寅1,2,谢钟镭1,2

(1.江苏省气象探测与信息处理重点实验室,南京 210044;2.南京信息工程大学电子与信息工程学院,南京 210044)

提出一种基于MEMS技术的电容式传感器,结合ARM Cortex-M3嵌入式处理器搭建电容式水汽测量系统的测控系统,以实现大气环境中的高精度湿度测量。为提高测量精度和分辨率,利用24 bit Σ-Δ数模转换器测量露点和温度。通过PID控制算法对半导体制冷器进行控制,使贴有MEMS露点传感器和温度传感器的制冷器冷端表面温度降低。当MEMS露点传感器表面温度低于露点时,其表面会产生露珠,引起MEMS电容增大。MEMS露点传感器电容值可以通过24 bit Σ-Δ电容数字转换器测量。通过Goff-Gratch方程和露点湿度转换关系,可计算出到大气湿度。测量结果表明,该系统的露点测量精度可达约±0.2 ℃。

MEMS传感器;露点测量;露点湿度转换;温度传感器;计算流体动力学

水汽测量是气象探测的重要环节,对于天气预报、气象灾害预警、气候变化观测具有重要意义。露点是湿度定义和计量的标准。一个光洁镜面在样品空气中进行等压降温,镜面上的结露量维持恒定时,镜面的表面温度即为露点温度[1-2]。冷镜式露点仪是国家湿度量值传递和国际比对通用的传递标准[3]。传统的冷镜式露点仪采用光电检测原理,通过测量反射镜面的光强的方式控制镜面结露量平衡,来测量露点。该类仪器价格高昂,体积较大,响应速度较低,灰尘等污染物附着在镜面上会干扰光学测量,且在镜面温度在零摄氏度以下时,难以准确分辨结霜和结露而导致露点测量的不准确,因此其应用受到限制。

随着微加工技术的进步,一些国内外学者研制了基于MEMS技术的湿度传感器系统[4],其MEMS器件中含有微型加热电阻,测温电阻和用于测量湿度的MEMS电容结构,系统中还包括半导体制冷器和单片机控制器。然而,这些传感器的湿度测量精度、量程、控制算法等性能参数尚不能满足应用需求。本文提出了一种新型的基于MEMS露点传感器芯片的水汽测量系统,该系统的电容电阻测量精度、量程、控制系统性能均得到了提高。

1 水汽测量系统的原理

1.1 饱和水汽压(E)及湿度表示

饱和水汽压E计算公式如下。在纯水的平面表面,0 ℃～100 ℃范围内。世界气象组织(WMO)推荐的戈夫-格雷奇(Goff-Gratch)公式[5]:

(1)

式中,T1=273.16 ℃(水三相点温度),T=273.15+t(℃℃)(绝对温度)。饱和水汽压E单位为百帕。

在纯冰的平面表面,-0.0 ℃℃～-100 ℃范围内,使用戈夫-格雷奇(Goff-Gratch)公式改良版[6]:

(2)

式中,T1=273.16 ℃(水三相点温度),T=273.15+t(℃)(绝对温度)。饱和水汽压E单位为百帕。

绝对湿度使用单位体积的空气中所含水汽质量ρ(g/m3)表示,与水汽压强e(单位为mmHg)的关系如下。

(3)

式中t为大气温度[7]。

一定环境温度下,相对湿度为空气中的实际水汽压强e和该温度下的饱和水汽压强E的比值:

(4)

系统通过温度传感器测量当前大气温度,再由换算关系得到饱和水汽压强E。当前水汽压强和环境露点相关,露点温度对应的饱和水汽压强E′即当前环境下的水汽压强e。通过露点和环境温度可计算出空气相对湿度。

1.2 水汽测量系统的架构及测量原理

水汽测量系统硬件设计框图如图1所示。本文提出的水汽测量系统主要是由基于ARM Cortex-M3架构的STM32F107处理器,24 bit Σ-Δ数模转换芯片,24 bit Σ-Δ电容数字转换芯片,多级半导体制冷器,本实验室最新试制的MEMS露点传感器芯片,环境温度传感器,露点温度模块构成。MEMS露点传感器芯片上集成了的微米尺度梳指电容。系统工作时,嵌入式处理器通过算法控制半导体制冷器的制冷量,对传感器芯片进行降温,当其表面温度降至周围大气的露点时,梳指电容表面有水分子凝结,引起电容增加,直至电容达到一个预设的目标值。如实测电容已超过预设目标,则芯片表面温度已低于露点,控制算法使得半导体制冷器的制冷量相应减小,最终维持结露量的平衡。通过露点和环境温度亦可计算出相对湿度。

图1 硬件设计框图

1.3 温度测量模块及MEMS电容测量模块

铂电阻温度传感器是工业精密测控系统中广泛使用的一种理想测温元件[8]。电路中使用铂电阻作为测温元件,使用5×10-6/K精密电阻作为参考电阻,使用24 bit Σ-Δ数模转换芯片AD7793,以提高测量精度。恒流源作为影响温度检测系统准确度的关键部分,应尽量减少使用分立器件[9]。所以使用AD7793自带210μA的高稳定性恒流源驱动四线制连接的铂电阻,可减少引线电阻导致的测量误差[10]。经对比测试,该电路的温度测量精度在±0.1 ℃以内。在测量MEMS露点传感器芯片的电容值时,为降低噪声,提高灵敏度和线性度,MEMS电容测量模块采用了具有24 bit Σ-Δ电容数字转换芯片AD7746,使该模块的理论分辨率达到4aF级。

2 系统软件流程及制冷器的PID控制

系统设计流程框图如图2所示。主要过程是让MEMS露点传感器芯片电容值以预设值为目标,以PID控制算法控制半导体制冷器的制冷功率,最终让MEMS露点传感器芯片电容值平衡在预设值。此时系统测量出露点以及环境温度,并通过计算出相对湿度。

PID调节的实质是根据输入的偏差值,对控制器参数,即比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd进行调整,可获得满意的结果[11]。系统控制中是以采集到的MEMS露点传感器芯片电容值与预期值的差值为控制量计算,这里采用离散处理的方法公式如下:

(5)

在式(5)中,Kp、Ki、Kd分别为调节器的比例、积分和微分系数。en、en-1分别为第n次和n-1次时的期望偏差值[12],本系统中是指MEMS露点传感器芯片电容值与预设值的差值;yn为第n次时调节器的输出,本系统中是指接在半导体制冷器上的电压输入。

图2 系统设计流程图

3 结构设计与计算流体动力学仿真

由于半导体制冷器的发热可能会影响制冷效果,以至降低露点测量的量程,这里利用计算流体动力学软件FLUENT对半导体制冷器的散热进行稳态热分析。

模型由MEMS露点传感器芯片、温度传感器、半导体制冷器、散热器、防尘罩、基座、PCB板和隔热层组成,如图3所示。高40 mm,厚10 mm的隔热层用胶粘在散热器与防尘罩之间,隔热层的外边沿与散热器边界平齐。电路PCB板固定在隔热层内部的散热器表面。图4是系统主要模块的布局图。基座的正中有一个8 mm×8 mm的正方形缺口,缺口内放置半导体制冷器。半导体制冷器的热端(半导体制冷器的下表面)与散热器的上表平面接合,露点传感器和温度传感器贴合在半导体制冷器的冷端(半导体制冷器的上表面)。模块的主要部件的尺寸如表格1所示。

表1 整套系统的主要部件的尺寸

图3 水汽测量系统与周围大气的三维实体模型

图4 系统主要模块的布局图

用有限体积法划分网格的方法对露点仪整机的实体模型进行划分。根据一阶迎风格式计算通量,利用上游变量的值计算本地变量的值。在网格划分时,采用非结构网格划分以及局部网格加密的方法捕捉边界层区域的物理现象,保证仿真计算的精度。

空气设置为自然对流,且是不可压缩的理想气体,压力为1 Pa,温度为300 K(即26.82 ℃)。半导体制冷器的热功率为2 W。通过计算流体动力学软件FLUENT对半导体制冷器的散热进行稳态热分析,不进行半导体制冷器的制冷效果的仿真。仿真结果如图5所示。

图5 半导体制冷器热端与散热器的温度场分布

通过图5可以得出连接散热片的半导体制冷器的热端温度比环境温度高出2.09 ℃。常温情况下,该系统中使用的半导体制冷器的最大制冷温差(半导体制冷器的热端与冷端温度差)为50 ℃。根据仿真结果可知,在26.82 ℃的环境温度下,该半导体制冷器冷端能降到-21.09 ℃,即在26.82 ℃的环境下,本系统最低能够测量的露点为-21.09 ℃,换算成相对湿度是2.64%。正常情况下,空气的相对湿度不会低于5%。由此可知半导体制冷器的发热不会大幅的降低露点测量范围,则该半导体制冷器与散热器的结构能够满足一般情况下的露点测量。

4 实验结果与分析

该系统采用NI虚拟仪器软件LABVIEW设计上位机程序,使用RS232串口建立水汽测量系统和计算机的通讯。上位机界面显示当前大气温度,露点,及转换后得到的相对湿度,并且可输出文件记录确定时间等相关参数。实际测量中,本系统可以对测量环境温度和露点的铂电阻以及MEMS露点传感器电容进行实时观测。图6为某次测量实验过程中的界面显示窗口。测试环境使用伟思富奇环境实验仪器有限公司生产的温湿度检定箱进行模拟。温湿度检定箱的湿度稳定度为±0.8(%RH),温度稳定度为±0.2 ℃。设定环境温度为10 ℃,湿度为60%。同时配合MICHELL生产的Optidew Vision精密露点仪进行观测。Optidew Vision精密露点仪,湿度在10%～97% RH时,露点精度为±0.1 ℃,温度精度为±0.1 ℃。MICHELL露点仪测得环境温度9.9 ℃,露点2.5 ℃,相对湿度59.8%。本系统测得的环境温度为9.96 ℃,露点2.53 ℃,相对湿度59.8%。

图6 某时刻测量的温度,露点,湿度显示界面

通过上述方式与MICHELL露点仪的对比测量,记录下如表2的数据。这里将Optidew Vision精密露点仪采集到的露点记为tdp0,将本系统采集到的露点记为tdp1。

我们将测试后的露点数据分为四段,分别是25 ℃～10 ℃,10 ℃～0 ℃,0 ℃～-10 ℃,-10 ℃～-25 ℃温度段。使用最小二乘法进行二次拟合得到拟合数据的方式进行校准。经过校准后的数据记为tdp2单位为℃。表3为校准数据。

表2 Optidew Vision精密露点仪和基于MEMS露点传感器的水汽测量系统的测量数据对比

表3 Optidew Vision精密露点仪和露点校准数据对比

校准后的露点数据与实际露点的对比测量结果如图7所示;与实际露点的误差如图8所示。

图7 露点校准后的对比测量结果

图8 露点校准后的误差

通过前文介绍的Goff-Gratch方程和露点湿度转换关系计算,计算出相对湿度与Optidew Vision精密露点仪测量的相对湿度对比如图9所示;绝对误差如图10所示。相对湿度的测量误差在绝大部分时间内低于1%,说明该系统具有较高的测量精度。

图9 相对湿度测量结果对比

图10 相对湿度绝对误差

5 结论

运用MEMS工艺制备的电容式水汽测量系统能够控制结露量,达到准确测量露点的目的。传统冷镜式露点仪开机响应时间长达3 min～5 min,本系统开机响应时间为时间40 s。当露点改变时,传统冷镜式露点仪测量露点稳定的时间需要20 s,而本系统稳定时间需要10 s。国内外同等级测量水平的露点仪结构复杂,本系统结构相对简单。所以其相对于传统露点仪,具有响应速度快,成本低等优势。与计量级的冷镜式露点仪对比测试结果验证其误差约为0.2 ℃,显示出这种基于MEMS露点传感器的测量系统所提供的精度显著优于目前普遍使用的湿度传感器。在后续研究中,我们将对该系统进行进一步改进,完成完整的标定实验,提高精度,并对其可靠性和长期稳定性等其他特性进行测试分析,以进一步提升其性能。

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刘清惓(1979-),男,博士。2002年获东南大学硕士学位,2006年获加州大学戴维斯分校博士学位。目前任南京信息工程大学教授、博士生导师。主要研究方向为MEMS传感器技术、气象探测,q.liu@ieee.org;

高翔(1989-),男,南京信息工程大学硕士研究生,主要研究方向为传感器设计研究及外围电路设计制作,gaoxiangeagle@163.com。

WatervapormeasurementsystembasedonaMEMSsensor*

LIUQingquan1,2*,GAOXiang1,2,CHENChuanyin1,2,XIEZhonglei1,2

(1.Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Signal Processing,Nanjing 210044,China;2.School of Electronic and Information Engineering,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China)

Combined with a Cortex-M3 ARM processor,a capacitive sensor based on MEMS technology is proposed for constructing a capacitive water vapor measurement system,which is used to achieve precision humidity measurement in atmospheric environment.A 24-bit Σ-Δ ADC is applied to measure temperature.By cooling a thermoelectric cooler which is modulated by voltage,the temperature of TEC’s surface with the MEMS sensor can be precisely controlled.When the temperature of MEMS sensor reaches the dew point,dew will emerge on the MEMS structure,which induces the increment of MEMS capacitance.A 24-bit Σ-Δ capacitance-to-digital converter is utilized to measure the capacitance of MEMS sensor.After the translating dew point to humidity using Goff-Gratch Equation,atmospheric humidity is obtained to complete the design of this water vapor measurement system.Measurement results show that the dew point error is typically less than±0.2 ℃.

MEMS sensor;the dew point;the dew point to humidity;temperature sensor;computational fluid dynamics

项目来源:国家公益性行业(气象)科研专项重点项目(GYHY200906037,GYHY201106048);国家自然科学基金项目(41075026,41275042);江苏高校优势学科建设工程项目;江苏省科技支撑计划重点项目(BE2011006)

2013-11-29修改日期:2014-05-22

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.06.026

TP393

:A

:1004-1699(2014)06-0852-05