劉清惓,高 翔,陳傳寅,謝鐘鐳

(1.江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室,南京 210044;2.南京信息工程大學電子與信息工程學院,南京 210044)

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基于MEMS傳感器的水汽測量系統(tǒng)*

劉清惓1,2*,高 翔1,2,陳傳寅1,2,謝鐘鐳1,2

(1.江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室,南京 210044;2.南京信息工程大學電子與信息工程學院,南京 210044)

提出一種基于MEMS技術(shù)的電容式傳感器,結(jié)合ARM Cortex-M3嵌入式處理器搭建電容式水汽測量系統(tǒng)的測控系統(tǒng),以實現(xiàn)大氣環(huán)境中的高精度濕度測量。為提高測量精度和分辨率,利用24 bit Σ-Δ數(shù)模轉(zhuǎn)換器測量露點和溫度。通過PID控制算法對半導體制冷器進行控制,使貼有MEMS露點傳感器和溫度傳感器的制冷器冷端表面溫度降低。當MEMS露點傳感器表面溫度低于露點時,其表面會產(chǎn)生露珠,引起MEMS電容增大。MEMS露點傳感器電容值可以通過24 bit Σ-Δ電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器測量。通過Goff-Gratch方程和露點濕度轉(zhuǎn)換關(guān)系,可計算出到大氣濕度。測量結(jié)果表明,該系統(tǒng)的露點測量精度可達約±0.2 ℃。

MEMS傳感器;露點測量;露點濕度轉(zhuǎn)換;溫度傳感器;計算流體動力學

水汽測量是氣象探測的重要環(huán)節(jié),對于天氣預報、氣象災害預警、氣候變化觀測具有重要意義。露點是濕度定義和計量的標準。一個光潔鏡面在樣品空氣中進行等壓降溫,鏡面上的結(jié)露量維持恒定時,鏡面的表面溫度即為露點溫度[1-2]。冷鏡式露點儀是國家濕度量值傳遞和國際比對通用的傳遞標準[3]。傳統(tǒng)的冷鏡式露點儀采用光電檢測原理,通過測量反射鏡面的光強的方式控制鏡面結(jié)露量平衡,來測量露點。該類儀器價格高昂,體積較大,響應速度較低,灰塵等污染物附著在鏡面上會干擾光學測量,且在鏡面溫度在零攝氏度以下時,難以準確分辨結(jié)霜和結(jié)露而導致露點測量的不準確,因此其應用受到限制。

隨著微加工技術(shù)的進步,一些國內(nèi)外學者研制了基于MEMS技術(shù)的濕度傳感器系統(tǒng)[4],其MEMS器件中含有微型加熱電阻,測溫電阻和用于測量濕度的MEMS電容結(jié)構(gòu),系統(tǒng)中還包括半導體制冷器和單片機控制器。然而,這些傳感器的濕度測量精度、量程、控制算法等性能參數(shù)尚不能滿足應用需求。本文提出了一種新型的基于MEMS露點傳感器芯片的水汽測量系統(tǒng),該系統(tǒng)的電容電阻測量精度、量程、控制系統(tǒng)性能均得到了提高。

1 水汽測量系統(tǒng)的原理

1.1 飽和水汽壓(E)及濕度表示

飽和水汽壓E計算公式如下。在純水的平面表面,0 ℃～100 ℃范圍內(nèi)。世界氣象組織(WMO)推薦的戈夫-格雷奇(Goff-Gratch)公式[5]:

(1)

式中,T1=273.16 ℃(水三相點溫度),T=273.15+t(℃℃)(絕對溫度)。飽和水汽壓E單位為百帕。

在純冰的平面表面,-0.0 ℃℃～-100 ℃范圍內(nèi),使用戈夫-格雷奇(Goff-Gratch)公式改良版[6]:

(2)

式中,T1=273.16 ℃(水三相點溫度),T=273.15+t(℃)(絕對溫度)。飽和水汽壓E單位為百帕。

絕對濕度使用單位體積的空氣中所含水汽質(zhì)量ρ(g/m3)表示,與水汽壓強e(單位為mmHg)的關(guān)系如下。

(3)

式中t為大氣溫度[7]。

一定環(huán)境溫度下,相對濕度為空氣中的實際水汽壓強e和該溫度下的飽和水汽壓強E的比值:

(4)

系統(tǒng)通過溫度傳感器測量當前大氣溫度,再由換算關(guān)系得到飽和水汽壓強E。當前水汽壓強和環(huán)境露點相關(guān),露點溫度對應的飽和水汽壓強E′即當前環(huán)境下的水汽壓強e。通過露點和環(huán)境溫度可計算出空氣相對濕度。

1.2 水汽測量系統(tǒng)的架構(gòu)及測量原理

水汽測量系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖如圖1所示。本文提出的水汽測量系統(tǒng)主要是由基于ARM Cortex-M3架構(gòu)的STM32F107處理器,24 bit Σ-Δ數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片,24 bit Σ-Δ電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片,多級半導體制冷器,本實驗室最新試制的MEMS露點傳感器芯片,環(huán)境溫度傳感器,露點溫度模塊構(gòu)成。MEMS露點傳感器芯片上集成了的微米尺度梳指電容。系統(tǒng)工作時,嵌入式處理器通過算法控制半導體制冷器的制冷量,對傳感器芯片進行降溫,當其表面溫度降至周圍大氣的露點時,梳指電容表面有水分子凝結(jié),引起電容增加,直至電容達到一個預設(shè)的目標值。如實測電容已超過預設(shè)目標,則芯片表面溫度已低于露點,控制算法使得半導體制冷器的制冷量相應減小,最終維持結(jié)露量的平衡。通過露點和環(huán)境溫度亦可計算出相對濕度。

圖1 硬件設(shè)計框圖

1.3 溫度測量模塊及MEMS電容測量模塊

鉑電阻溫度傳感器是工業(yè)精密測控系統(tǒng)中廣泛使用的一種理想測溫元件[8]。電路中使用鉑電阻作為測溫元件,使用5×10-6/K精密電阻作為參考電阻,使用24 bit Σ-Δ數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD7793,以提高測量精度。恒流源作為影響溫度檢測系統(tǒng)準確度的關(guān)鍵部分,應盡量減少使用分立器件[9]。所以使用AD7793自帶210μA的高穩(wěn)定性恒流源驅(qū)動四線制連接的鉑電阻,可減少引線電阻導致的測量誤差[10]。經(jīng)對比測試,該電路的溫度測量精度在±0.1 ℃以內(nèi)。在測量MEMS露點傳感器芯片的電容值時,為降低噪聲,提高靈敏度和線性度,MEMS電容測量模塊采用了具有24 bit Σ-Δ電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片AD7746,使該模塊的理論分辨率達到4aF級。

2 系統(tǒng)軟件流程及制冷器的PID控制

系統(tǒng)設(shè)計流程框圖如圖2所示。主要過程是讓MEMS露點傳感器芯片電容值以預設(shè)值為目標,以PID控制算法控制半導體制冷器的制冷功率,最終讓MEMS露點傳感器芯片電容值平衡在預設(shè)值。此時系統(tǒng)測量出露點以及環(huán)境溫度,并通過計算出相對濕度。

PID調(diào)節(jié)的實質(zhì)是根據(jù)輸入的偏差值,對控制器參數(shù),即比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)Kd進行調(diào)整,可獲得滿意的結(jié)果[11]。系統(tǒng)控制中是以采集到的MEMS露點傳感器芯片電容值與預期值的差值為控制量計算,這里采用離散處理的方法公式如下:

(5)

在式(5)中,Kp、Ki、Kd分別為調(diào)節(jié)器的比例、積分和微分系數(shù)。en、en-1分別為第n次和n-1次時的期望偏差值[12],本系統(tǒng)中是指MEMS露點傳感器芯片電容值與預設(shè)值的差值;yn為第n次時調(diào)節(jié)器的輸出,本系統(tǒng)中是指接在半導體制冷器上的電壓輸入。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計流程圖

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算流體動力學仿真

由于半導體制冷器的發(fā)熱可能會影響制冷效果,以至降低露點測量的量程,這里利用計算流體動力學軟件FLUENT對半導體制冷器的散熱進行穩(wěn)態(tài)熱分析。

模型由MEMS露點傳感器芯片、溫度傳感器、半導體制冷器、散熱器、防塵罩、基座、PCB板和隔熱層組成,如圖3所示。高40 mm,厚10 mm的隔熱層用膠粘在散熱器與防塵罩之間,隔熱層的外邊沿與散熱器邊界平齊。電路PCB板固定在隔熱層內(nèi)部的散熱器表面。圖4是系統(tǒng)主要模塊的布局圖。基座的正中有一個8 mm×8 mm的正方形缺口,缺口內(nèi)放置半導體制冷器。半導體制冷器的熱端(半導體制冷器的下表面)與散熱器的上表平面接合,露點傳感器和溫度傳感器貼合在半導體制冷器的冷端(半導體制冷器的上表面)。模塊的主要部件的尺寸如表格1所示。

表1 整套系統(tǒng)的主要部件的尺寸

圖3 水汽測量系統(tǒng)與周圍大氣的三維實體模型

圖4 系統(tǒng)主要模塊的布局圖

用有限體積法劃分網(wǎng)格的方法對露點儀整機的實體模型進行劃分。根據(jù)一階迎風格式計算通量,利用上游變量的值計算本地變量的值。在網(wǎng)格劃分時,采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分以及局部網(wǎng)格加密的方法捕捉邊界層區(qū)域的物理現(xiàn)象,保證仿真計算的精度。

空氣設(shè)置為自然對流,且是不可壓縮的理想氣體,壓力為1 Pa,溫度為300 K(即26.82 ℃)。半導體制冷器的熱功率為2 W。通過計算流體動力學軟件FLUENT對半導體制冷器的散熱進行穩(wěn)態(tài)熱分析,不進行半導體制冷器的制冷效果的仿真。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 半導體制冷器熱端與散熱器的溫度場分布

通過圖5可以得出連接散熱片的半導體制冷器的熱端溫度比環(huán)境溫度高出2.09 ℃。常溫情況下,該系統(tǒng)中使用的半導體制冷器的最大制冷溫差(半導體制冷器的熱端與冷端溫度差)為50 ℃。根據(jù)仿真結(jié)果可知,在26.82 ℃的環(huán)境溫度下,該半導體制冷器冷端能降到-21.09 ℃,即在26.82 ℃的環(huán)境下,本系統(tǒng)最低能夠測量的露點為-21.09 ℃,換算成相對濕度是2.64%。正常情況下,空氣的相對濕度不會低于5%。由此可知半導體制冷器的發(fā)熱不會大幅的降低露點測量范圍,則該半導體制冷器與散熱器的結(jié)構(gòu)能夠滿足一般情況下的露點測量。

4 實驗結(jié)果與分析

該系統(tǒng)采用NI虛擬儀器軟件LABVIEW設(shè)計上位機程序,使用RS232串口建立水汽測量系統(tǒng)和計算機的通訊。上位機界面顯示當前大氣溫度,露點,及轉(zhuǎn)換后得到的相對濕度,并且可輸出文件記錄確定時間等相關(guān)參數(shù)。實際測量中,本系統(tǒng)可以對測量環(huán)境溫度和露點的鉑電阻以及MEMS露點傳感器電容進行實時觀測。圖6為某次測量實驗過程中的界面顯示窗口。測試環(huán)境使用偉思富奇環(huán)境實驗儀器有限公司生產(chǎn)的溫濕度檢定箱進行模擬。溫濕度檢定箱的濕度穩(wěn)定度為±0.8(%RH),溫度穩(wěn)定度為±0.2 ℃。設(shè)定環(huán)境溫度為10 ℃,濕度為60%。同時配合MICHELL生產(chǎn)的Optidew Vision精密露點儀進行觀測。Optidew Vision精密露點儀,濕度在10%～97% RH時,露點精度為±0.1 ℃,溫度精度為±0.1 ℃。MICHELL露點儀測得環(huán)境溫度9.9 ℃,露點2.5 ℃,相對濕度59.8%。本系統(tǒng)測得的環(huán)境溫度為9.96 ℃,露點2.53 ℃,相對濕度59.8%。

圖6 某時刻測量的溫度,露點,濕度顯示界面

通過上述方式與MICHELL露點儀的對比測量,記錄下如表2的數(shù)據(jù)。這里將Optidew Vision精密露點儀采集到的露點記為tdp0,將本系統(tǒng)采集到的露點記為tdp1。

我們將測試后的露點數(shù)據(jù)分為四段,分別是25 ℃～10 ℃,10 ℃～0 ℃,0 ℃～-10 ℃,-10 ℃～-25 ℃溫度段。使用最小二乘法進行二次擬合得到擬合數(shù)據(jù)的方式進行校準。經(jīng)過校準后的數(shù)據(jù)記為tdp2單位為℃。表3為校準數(shù)據(jù)。

表2 Optidew Vision精密露點儀和基于MEMS露點傳感器的水汽測量系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)對比

表3 Optidew Vision精密露點儀和露點校準數(shù)據(jù)對比

校準后的露點數(shù)據(jù)與實際露點的對比測量結(jié)果如圖7所示;與實際露點的誤差如圖8所示。

圖7 露點校準后的對比測量結(jié)果

圖8 露點校準后的誤差

通過前文介紹的Goff-Gratch方程和露點濕度轉(zhuǎn)換關(guān)系計算,計算出相對濕度與Optidew Vision精密露點儀測量的相對濕度對比如圖9所示;絕對誤差如圖10所示。相對濕度的測量誤差在絕大部分時間內(nèi)低于1%,說明該系統(tǒng)具有較高的測量精度。

圖9 相對濕度測量結(jié)果對比

圖10 相對濕度絕對誤差

5 結(jié)論

運用MEMS工藝制備的電容式水汽測量系統(tǒng)能夠控制結(jié)露量,達到準確測量露點的目的。傳統(tǒng)冷鏡式露點儀開機響應時間長達3 min～5 min,本系統(tǒng)開機響應時間為時間40 s。當露點改變時,傳統(tǒng)冷鏡式露點儀測量露點穩(wěn)定的時間需要20 s,而本系統(tǒng)穩(wěn)定時間需要10 s。國內(nèi)外同等級測量水平的露點儀結(jié)構(gòu)復雜,本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單。所以其相對于傳統(tǒng)露點儀,具有響應速度快,成本低等優(yōu)勢。與計量級的冷鏡式露點儀對比測試結(jié)果驗證其誤差約為0.2 ℃,顯示出這種基于MEMS露點傳感器的測量系統(tǒng)所提供的精度顯著優(yōu)于目前普遍使用的濕度傳感器。在后續(xù)研究中,我們將對該系統(tǒng)進行進一步改進,完成完整的標定實驗,提高精度,并對其可靠性和長期穩(wěn)定性等其他特性進行測試分析,以進一步提升其性能。

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劉清惓(1979-),男,博士。2002年獲東南大學碩士學位,2006年獲加州大學戴維斯分校博士學位。目前任南京信息工程大學教授、博士生導師。主要研究方向為MEMS傳感器技術(shù)、氣象探測,q.liu@ieee.org;

高翔(1989-),男,南京信息工程大學碩士研究生,主要研究方向為傳感器設(shè)計研究及外圍電路設(shè)計制作,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

項目來源:國家公益性行業(yè)(氣象)科研專項重點項目(GYHY200906037,GYHY201106048);國家自然科學基金項目(41075026,41275042);江蘇高校優(yōu)勢學科建設(shè)工程項目;江蘇省科技支撐計劃重點項目(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