本發(fā)明涉及一種傳感器，特別是一種濕度傳感器。

背景技術(shù)：

濕度傳感器被廣泛的應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，如工業(yè)控制、醫(yī)藥生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)種植、氣象探測(cè)以及食品存儲(chǔ)等。在這些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)濕度的快速、準(zhǔn)確的測(cè)量具有重要的意義。對(duì)于濕度的測(cè)量，傳統(tǒng)原理的濕度感器如毛發(fā)濕度計(jì)、干濕球濕度計(jì)、露點(diǎn)儀等由于體積較大、成本高有的甚至含有機(jī)械部件無(wú)法與電子信息采集系統(tǒng)兼容，已不能滿足現(xiàn)階段的實(shí)際需要。

現(xiàn)有的濕度傳感器材料主要由多孔硅、多孔陶瓷。而多孔硅、陽(yáng)極氧化鋁制備工藝相對(duì)復(fù)雜，涉及到陽(yáng)極濕法腐蝕工藝，很難再進(jìn)一步降低成本；以聚酰亞胺為代表的高分子化合物材料以其好的濕度感濕特性如：長(zhǎng)期穩(wěn)定性、可靠性、易加工等特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。由于濕空氣的飽和水蒸氣含量與空氣溫度成正比。當(dāng)空氣溫度較高時(shí)，空氣中存在的水蒸氣多；當(dāng)空氣溫度較低時(shí)，空氣中存在的水蒸氣少，但即使含有很少的水蒸氣也會(huì)產(chǎn)生結(jié)露。所以，即使?jié)窨諝庾陨砦催_(dá)到飽和狀態(tài)，當(dāng)濕度傳感器表面溫度低于濕空氣的飽和溫度時(shí)，物體表面的水蒸氣也會(huì)凝結(jié)，產(chǎn)生結(jié)露。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的在于：針對(duì)上述存在的問(wèn)題，提供一種在不影響濕度傳感器測(cè)量特性的情況下，將濕度傳感器表面溫度恒定在一定的溫度范圍內(nèi)，使?jié)穸葌鞲衅鞅砻鏈囟雀哂诃h(huán)境溫度，避免濕度傳感器表面結(jié)露的濕度傳感器。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種濕度傳感器，包括基底，所述基底下表面覆有襯底層，所述基底上表面設(shè)有加熱器，所述加熱器上表面設(shè)有輸出層，所述輸出層上表面覆有感濕層。

由于采用了上述技術(shù)方案，通過(guò)加熱器將將濕度傳感器表面溫度恒定在一定的溫度范圍內(nèi)，使?jié)穸葌鞲衅鞅砻鏈囟雀哂诃h(huán)境溫度，避免濕度傳感器表面結(jié)露，從而保證濕度傳感器表面感濕層采集數(shù)據(jù)的精確性。

本發(fā)明的一種濕度傳感器，所述加熱器為蛇形加熱器，所述加熱器包括三個(gè)加熱單元，從左至右分別為順序連接加熱單元一，加熱單元二和加熱單元三；所述加熱單元一與加熱單元三的一端連有電極，另一端與加熱單元二的兩端相連；所述加熱單元一沿水平方向布置，所述加熱單元一與加熱單元三鏡像對(duì)稱，所述加熱單元二沿豎直方向布置。

由于采用了上述技術(shù)方案，加熱單元一和加熱單元三在感濕層的兩側(cè)加熱，使得熱量均勻分散，加熱單元二沿豎向方向布置，避免影響加熱單元之間空氣流通，對(duì)感濕層采集數(shù)據(jù)造成影響，同時(shí)能夠有效的降低傳感器熱量散失。

本發(fā)明的一種濕度傳感器，所述電極與加熱單元之間的距離為1.5mm，所述加熱單元一的寬度l₁與加熱單元二的長(zhǎng)度l₂相同，所述加熱單元一的長(zhǎng)度v₁，加熱單元二寬度v₂，加熱單元一的結(jié)距d₁和加熱單元二的結(jié)距d₂符合以下公式：

由于采用了上述技術(shù)方案，進(jìn)行熱仿真分析時(shí)，環(huán)境溫度選取為+10～-10℃。當(dāng)環(huán)境溫度為0℃時(shí)，濕度傳感器表面的最高溫度為22.3℃，有效感濕面的平均溫度為22℃，最大最小溫度之間的差距為0.7℃；當(dāng)環(huán)境溫度為10℃時(shí)，溫度傳感器表面的最高溫度為23.2℃，有效感濕面的平均溫度為23攝氏度，最大最小溫度之間的差距為0.4℃；當(dāng)環(huán)境溫度為-10℃時(shí)，溫度傳感器表面的最高溫度為20.7℃，有效感濕面的平均溫度為20℃，最大最小溫度之間的差距為1.6℃。

本發(fā)明的一種濕度傳感器，所述與加熱單元三相連的電極位于加熱單元一的左上方，所述與加熱單元一相連的電極位于加熱單元三的右下方。

本發(fā)明的一種濕度傳感器，所述加熱器與輸出層之間設(shè)有保護(hù)膜，所述輸出層呈L型，所述輸出層豎直端面的底部與保護(hù)膜相連，所述輸出層水平端面與保護(hù)膜之間間隔有通訊層，所述輸出層連有若干輸出端口。

由于采用了上述技術(shù)方案，將輸出層通過(guò)保護(hù)膜與加熱器分隔開，避免能夠進(jìn)一步保證熱量均勻分布在感濕面表面，同時(shí)避免加熱器表面過(guò)熱對(duì)輸出層的正常工作造成影響。將輸出層制成L型能夠保證輸出層與保護(hù)膜相連，避免通訊層將輸出層完全隔開，同時(shí)能夠使得感濕層能夠接觸到水平高度不同的濕度變化，保證數(shù)據(jù)的精確性。

本發(fā)明的一種濕度傳感器，所述感濕層呈L型，所述感濕層覆于輸出層上表面，所述感濕層僅設(shè)于加熱單元二表面。

由于采用了上述技術(shù)方案，感濕層僅在加熱單元二表面，保證有效感濕區(qū)的穩(wěn)定性，通時(shí)進(jìn)一步保證了感濕層采集數(shù)據(jù)的精確性。

本發(fā)明的一種濕度傳感器，所述加熱單元二下方基底的厚度小于加熱單元二和加熱單元三下方基底的厚度。

由于采用了上述技術(shù)方案，由于基體在有效感濕區(qū)的厚度不同，在相同的加熱功率及環(huán)境溫度下，濕度傳感器溫升更高，提高了加熱效率，降低了功耗，兩邊的基體厚度較厚，具有一定貯熱能力，避免熱量迅速散失。

本發(fā)明的一種濕度傳感器，所述加熱器由鉑制成，所述襯底層由納米TiO₂薄膜制成，所述基體由硅烷炔嵌段樹脂制成，所述硅烷炔嵌段樹脂的分子式為ABA，其中

由于采用了上述技術(shù)方案，加熱器、襯底層和基體的保熱和散熱性能具有較好的平衡性，在環(huán)境溫度變化的條件下性質(zhì)依然穩(wěn)定，能夠得到最優(yōu)的加熱效果。

本發(fā)明的一種濕度傳感器，所述感濕層由氧化石墨烯/納米Al₂O₃/聚酰亞胺制成。

由于采用了上述技術(shù)方案，不僅具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，能夠極大減小感濕層表面溫度的差距，同時(shí)，具有良好的分散性和親水性。由于水分在在保持氧化石墨烯/納米Al₂O₃/聚酰亞胺的層狀結(jié)構(gòu)中起到關(guān)鍵作用，水分能夠從過(guò)材料表面的環(huán)氧基中的氧與水分中的氫鍵之間的交互作用而插入材料層中。其中，m(氧化石墨烯)：m(納米Al₂O₃)：m(聚酰亞胺)＝1:2.1:3時(shí)，靈敏度高，在相對(duì)濕度為14％～91％的范圍內(nèi)，濕滯為3.7％，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間分別為5s和12s。

本發(fā)明的一種濕度傳感器，所述保護(hù)膜由Na₂O-SiC-SiO₂凝膠制成。

由于采用了上述技術(shù)方案，保護(hù)膜的熱傳導(dǎo)性能好，具有一定恒溫作用。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

1、在不影響濕度傳感器測(cè)量特性的情況下，將濕度傳感器表面溫度恒定在一定的溫度范圍內(nèi)，使?jié)穸葌鞲衅鞅砻鏈囟雀哂诃h(huán)境溫度，避免濕度傳感器表面結(jié)露。

2、在相同的加熱功率及環(huán)境溫度下，濕度傳感器溫升更高，提高了加熱效率，降低了功耗，兩邊的基體厚度較厚，具有一定貯熱能力，避免熱量迅速散失。

3、靈敏度高，在相對(duì)濕度為14％～91％的范圍內(nèi)，濕滯為3.7％，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間分別為5s和12s，采集數(shù)據(jù)的精確度高，在環(huán)境溫度變化的條件下性質(zhì)依然穩(wěn)定。

附圖說(shuō)明

圖1是一種溫度傳感器的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是一種溫度傳感器的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中標(biāo)記：1為基底，2為加熱器，3為感濕層，4為輸出端口，5為電極，6為輸出層，7為襯底層，8為通訊層，9為保護(hù)膜。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的說(shuō)明。

為了使發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實(shí)施例1

如圖1至圖2所示，一種濕度傳感器，包括基底1，基底1的厚度為400μm，基底1下表面覆有襯底層7，基底1上表面設(shè)有加熱器2，加熱器2上表面設(shè)有輸出層6，輸出層上表面覆有感濕層3。加熱器2為蛇形加熱器，加熱器2包括三個(gè)加熱單元，從左至右分別為順序連接加熱單元一，加熱單元二和加熱單元三；加熱單元一與加熱單元三的一端連有電極5，另一端與加熱單元二的兩端相連；加熱單元一沿水平方向布置，加熱單元一與加熱單元三鏡像對(duì)稱，加熱單元二沿豎直方向布置，加熱器2和電極5采用光刻工藝和磁控濺射制備在基底表面。電極5與加熱單元之間的距離為1.5mm，加熱單元一的寬度l₁與加熱單元二的長(zhǎng)度l₂相同，加熱單元一的長(zhǎng)度v₁，加熱單元二寬度v₂，加熱單元一的結(jié)距d₁和加熱單元二的結(jié)距d₂符合以下公式：加熱單元三同加熱單元一鏡像對(duì)稱，其長(zhǎng)度、寬度、結(jié)距均與加熱單元一相同。與加熱單元三相連的電極位于加熱單元一的左上方，與加熱單元一相連的電極位于加熱單元三的右下方。加熱器2與輸出層6之間設(shè)有保護(hù)膜8，輸出層6呈L型，輸出層6豎直端面的底部與保護(hù)膜8相連，輸出層6水平端面與保護(hù)膜9之間間隔有通訊層8，輸出層6連有若干輸出端口4。感濕層3呈L型，感濕層3覆于輸出層6上表面，感濕層3僅設(shè)于加熱單元二表面。加熱單元二下方基底1的厚度小于加熱單元二和加熱單元三下方基底1的厚度。

加熱器2由鉑制成，襯底層7由納米TiO₂薄膜制成，基體1由硅烷炔嵌段樹脂制成，硅烷炔嵌段樹脂分子式為ABA，其中

。感濕層3由氧化石墨烯/納米Al₂O₃/聚酰亞胺制成，其中，m(氧化石墨烯)：m(納米Al₂O₃)：m(聚酰亞胺)＝1:2.1:3。保護(hù)膜8由Na₂O-SiC-SiO₂凝膠制成，其中，n(Na⁺)：n(C⁴⁺)：n(Si⁴⁺)＝3：1:2.5。

實(shí)施例2

硅烷炔嵌段樹脂通過(guò)以下方法制備：

在四口燒瓶中加入鎂粉(6g，0.25mol)，和四氫呋喃(40ml)，氮?dú)鈿夥障?，滴加溴乙?25.92g，0.24mol)，引發(fā)成功后，保溫(45℃)1h；在冰水浴下滴加間二乙炔基苯(15.12g，0.12mol)，67℃回流1h，在冰水浴下向其中滴加二氯多硅氧烷(0.08mol)，回流2h，得到大單體格氏試劑P₁。在四口燒瓶中加入鎂粉(2.16g，0.09mol)和四氫呋喃(40ml)，氮?dú)鈿夥障?，滴加溴乙?8.64g，0.08mol)，引發(fā)成功后，保溫(45℃)1h；在冰水浴下滴加間二乙炔基苯(5.04g，0.04mol)，回流1h，在冰水浴下向其中滴加二甲基二氯硅烷(7.74g，0.06mol)，回流2h，得到大單體氯硅烷P₂。

將P₂緩慢滴加到P₁的反應(yīng)體系中。滴完加熱回流約2h。蒸除四氫呋喃，并冷卻至室溫后，在冰水浴冷卻下，加入冰醋酸(3g)和甲苯(100ml)的混合溶液，滴加2％稀鹽酸溶液(72ml)直至分液。水洗至中性，加入無(wú)水硫酸鈉干燥。過(guò)濾，減壓蒸出溶劑，得到嵌段共聚物，產(chǎn)率約為91％。

合成路線如下所示：

實(shí)施例3

氧化石墨烯/納米Al₂O₃/聚酰亞胺通過(guò)以下方法制備：

在室溫條件下,利用超聲波清洗器將一定比例的納米氫氧化鋁和氧化石墨烯分別分散于四氫呋喃中,同時(shí)也將聚酰亞胺溶解于四氫呋喃中,形成均一溶液；先將石墨烯的四氫呋喃溶液加入到納米氧化鋁的四氫呋喃溶液中，超聲波處理1h，然后將聚酰亞胺的四氫呋喃溶液加入到上述混合液中，攪拌下加入正硅酸乙酯和二月桂酸二丁基錫，攪拌并超聲處理1h，將所得混合溶液旋涂于叉指電極結(jié)構(gòu)上,蒸發(fā)除去溶劑，室溫固化成型，制備出氧化石墨烯/納Al₂O₃/聚酰亞胺分散均勻的感濕層薄膜。

實(shí)施例4

Na₂O-SiC-SiO₂凝膠(n(Na⁺)：n(C⁴⁺)：n(Si⁴⁺)＝3：1:2.5)通過(guò)以下方法制備：

用乙醇作為溶劑，將正硅酸乙酯溶解于乙醇中，用濃度為35％的鹽酸調(diào)節(jié)pH＝2，向溶液中按比例加入碳化硅，在20℃的溫度下攪拌1h，向溶液中加入二甲基二乙氧基硅烷，繼續(xù)攪拌在20℃的條件下反應(yīng)1h，最后向加入乙醇鈉，再在20℃的條件下反應(yīng)1h，停止攪拌，放置在室溫下陳化5～7d，得到Na₂O-SiC-SiO₂凝膠保護(hù)膜。

實(shí)施例5

本發(fā)明的一種濕度傳感器還連接有分段補(bǔ)償單元，分段補(bǔ)償單元包括PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差補(bǔ)償。

PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差補(bǔ)償包括以下步驟，

步驟一，設(shè)定PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)參數(shù)，出入節(jié)點(diǎn)2個(gè)，輸出節(jié)點(diǎn)1個(gè)，隱層節(jié)點(diǎn)5個(gè)，最大迭代次數(shù)為1500，目標(biāo)誤差1×10^-6，學(xué)習(xí)速率0.01，種群規(guī)模為40，慣性權(quán)重為1，其中PSO算法需要優(yōu)化的權(quán)值閾值總個(gè)數(shù)為：N＝(m+1)×n+(n+1)×t，m為輸入神經(jīng)元個(gè)數(shù)，n為隱層神經(jīng)元個(gè)數(shù)，t為輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù)，對(duì)粒子的速度和位置進(jìn)行隨機(jī)初始化；

步驟二，按照函數(shù)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)輸出與樣本期望輸出誤差絕對(duì)值之和，式中k為學(xué)習(xí)樣本，y為網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出，J為樣本輸出；

步驟三，將每個(gè)粒子的適應(yīng)度函數(shù)值與個(gè)體極值進(jìn)行比較，如果適應(yīng)度函數(shù)值小，則該適應(yīng)度函數(shù)值成為新的個(gè)體極值；并將新的個(gè)體極值與全局最佳適應(yīng)度值進(jìn)行比較，若新的個(gè)體極值小，則將其作為當(dāng)前的群體極值；

步驟四，根據(jù)公式和更新粒子的位置和速度，式中ω為慣性權(quán)重；k為當(dāng)前迭代次數(shù)；V為離子的速度，X為粒子的位置，c₁和c₂為學(xué)習(xí)因子；

步驟五，判斷全局最優(yōu)適應(yīng)度值是否小于設(shè)定誤差或者迭代次數(shù)大于最大迭代次數(shù)，若不滿足條件，返回步驟三；若滿足條件，則輸出的全局最優(yōu)粒子位置極為最優(yōu)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值閾值；

步驟六，根據(jù)產(chǎn)生的權(quán)值閾值所對(duì)應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算出BP網(wǎng)絡(luò)的誤差平方和，根據(jù)公式f(X_i)＝E(X_i)^-1計(jì)算每個(gè)個(gè)體的適用度，根據(jù)公式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)函數(shù)，式中為輸入第j個(gè)訓(xùn)練樣本時(shí)第k個(gè)輸出結(jié)點(diǎn)的輸出值；p_jk為期望的輸出值；n為訓(xùn)練樣本個(gè)數(shù)；m為輸出層的神經(jīng)元數(shù)，i＝1,2,…,L，L為種群規(guī)模。

實(shí)施例6

濕度傳感器中通訊層8包括RFID標(biāo)簽，若干包含RFID標(biāo)簽的濕度感應(yīng)裝置組成的濕度監(jiān)控系統(tǒng)，濕度監(jiān)控系統(tǒng)，包括信號(hào)連接的若干濕度傳感器單元，MCU1控制器，若干發(fā)射器，主接收器，MCU2控制器和監(jiān)控PC主機(jī)；所述濕度傳感器單元，包括內(nèi)置有源RFID標(biāo)簽的濕度傳感器裝置，所述濕度傳感器裝置采集濕度數(shù)據(jù)，并將值存入有源RFID標(biāo)簽中；所述MCU1控制器，能夠?qū)μ囟繕?biāo)的RFID標(biāo)簽進(jìn)行讀寫，并將數(shù)據(jù)暫時(shí)存入單片機(jī)內(nèi)存中；所述發(fā)射器，能夠通過(guò)射頻發(fā)射器芯片無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)；所述主接收器，能夠接收發(fā)射器發(fā)射的無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)；所述MCU2控制器，能夠控制通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控PC主機(jī)中；所述監(jiān)控PC主機(jī)，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和運(yùn)算。

所述MCU1控制器與RFID標(biāo)簽的通信過(guò)程包括判斷過(guò)程，所述判斷過(guò)程連接有并聯(lián)的初次匹配過(guò)程和記憶匹配過(guò)程，所述判斷過(guò)程以下步驟，

步驟一，RFID標(biāo)簽處于等待狀態(tài)，向MCU1控制器發(fā)送請(qǐng)求信息，判斷是否收到MCU1控制器發(fā)出的應(yīng)答命令，若未收到MCU1控制器發(fā)出的應(yīng)答命令，則繼續(xù)發(fā)送請(qǐng)求信息，其中，MCU1控制器中的分配模型為約束條件為x_ij是標(biāo)簽與控制器之間的價(jià)值，L_ij是標(biāo)簽與控制器之間的距離；

步驟二，若RFID標(biāo)簽定時(shí)收到MCU1控制器發(fā)出的應(yīng)答命令，判斷RFID標(biāo)簽成功發(fā)送數(shù)據(jù)次數(shù)是否大于四次，若大于等于四次則進(jìn)入記憶匹配過(guò)程；若小于四次則進(jìn)入初次匹配過(guò)程。

所述初次匹配過(guò)程包括以下步驟，

步驟一，RFID標(biāo)簽向MCU1控制器發(fā)送數(shù)據(jù)信息，MCU1收到信息后發(fā)送反饋信息；

步驟二，RFID標(biāo)簽判斷是否收到反饋信息；若RFID標(biāo)簽在一定時(shí)間內(nèi)收到反饋信息則表示數(shù)據(jù)成功發(fā)送，繼續(xù)采集濕度數(shù)據(jù)；若RFID標(biāo)簽在一定時(shí)間內(nèi)為收到反饋信息則表示數(shù)據(jù)未成功發(fā)送，繼續(xù)嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)。

所述記憶匹配過(guò)程包括以下步驟，

步驟一，RFID標(biāo)簽向MCU1控制器發(fā)送數(shù)據(jù)信息；

步驟二，發(fā)送完成后繼續(xù)采集濕度數(shù)據(jù)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。