摘要：為滿足對露天礦山溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測需求，以聚酰亞胺薄膜為原料，制備了一種溫濕度傳感器用復(fù)合薄膜，并基于該薄膜分別制備了溫度傳感器和濕度傳感器。結(jié)合AVR單片機(jī)與所設(shè)計(jì)的溫濕度傳感器，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了露天礦山監(jiān)測系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的溫度傳感器具有良好的線性和靈敏度，最大非線性誤差2.5%，相關(guān)因子為0.998，靈敏度為0.002 0℃，平均響應(yīng)時(shí)間為50 s；所設(shè)計(jì)的濕度傳感器具有良好的線性和靈敏度，且響應(yīng)時(shí)間較快，平均響應(yīng)時(shí)間為40 s，滿足設(shè)計(jì)需求；所設(shè)計(jì)的露天礦山監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程露天礦山溫濕度監(jiān)測，具有響應(yīng)速度快和體積小、功耗低的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：溫度傳感器；濕度傳感器；露天礦山；監(jiān)測系統(tǒng)；單片機(jī)

中圖分類號：TQ323.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001-5922（2025）01-0125-04

Research on open-pit mine monitoring system basedon single-chip microcontroller combined withtemperature and humidity sensors

GENG Hao，JIN Haijun，OUYANG Dongzhe

（GuonengBeidianShengli Energy Co.，Ltd.，Xilinhot 026000，Inner Mongolia China）

Abstract：To meet the real-time monitoring requirements for temperature and humidity in open-pit mines，a com?posite film for temperature and humidity sensors was prepared using polyimide film as raw material，and a tempera?ture sensor and a humidity sensor were prepared based on the film.Combined with the AVR microcontroller and the designed temperature and humidity sensor，the open-pit mine monitoring system was designed and realized.Theex?perimental results showed that the designed temperature sensor had good linearity and sensitivity，with a maximum nonlinear error of 2.5%，a correlation factor of 0.998，a sensitivity of 0.002 0℃，and an average response time of 50 seconds.The designed humidity sensor had good linearity and sensitivity，and the response time was fast，with an average response time of 40 seconds，meeting the design requirements.The designed open-pit mine monitoring sys?tem can achieve remote temperature and humidity monitoring in open-pit mines，with the characteristics of fast re?sponse speed，small size，and low power consumption.

Key words：temperature sensor；humidity sensor；open pit mines；monitoring system；singlechip microcontroller

露天礦山溫濕度傳感器是測量露天礦山溫濕度水平的基礎(chǔ)設(shè)備，目前，礦山監(jiān)測系統(tǒng)中常采用DHT系列溫濕度傳感器采集礦山的溫濕度，并結(jié)合STM32單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)礦山溫濕度環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并可將溫濕度值以數(shù)值形式顯示在手機(jī)端上[1]。集合DHT8X數(shù)字式溫濕度傳感器和LabVIEW開發(fā)平臺，研制了一套溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集器，可用于礦山溫濕度監(jiān)測[2]。以聚乙烯醇為原材料，設(shè)計(jì)了一種表面等離子體共振的光纖光柵溫濕度傳感器，靈敏度達(dá)到0.020 3 nm/℃和-0.99 nm/%RH[3]?；诖?，研究通過綜合分析DHT系列傳感器和光纖光柵傳感器，發(fā)現(xiàn)以上兩類傳感器分別在靈敏度和響應(yīng)時(shí)間方面存在一定的局限性。因此，為解決上述問題，以聚酰亞胺薄膜為原料，制備了一種溫、濕度傳感器用復(fù)合薄膜，并基于該薄膜分別制備了溫度傳感器和濕度傳感器。最后，結(jié)合AVR單片機(jī)與所設(shè)計(jì)的溫濕度傳感器，設(shè)計(jì)了露天礦山監(jiān)測系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)露天礦山溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1材料與設(shè)備

試驗(yàn)材料主要包括聚酰亞胺薄膜（厚度50μm，常豐新材料）、氨水（分析純，九誠化工科技）、丙酮（分析純，鼎誠化工）、雙氧水（分析純，集萃環(huán)?？萍迹?、無水乙醇（分析純，飛鴻新材料）、氫氧化鉀（分析純，英盛化學(xué)品）、去離子水（電阻率18.5 MΩ·cm，銘鋒生物科技）、銀氨溶液（分析純，創(chuàng)賽科技）。

試驗(yàn)設(shè)備主要包括KQ-250DE數(shù)控超聲波清洗器（南北儀器）、HWS226恒溫水浴鍋（明博環(huán)?？萍迹L204電子天平（標(biāo)卓科學(xué)儀器）、RH2305霍爾效應(yīng)測試系統(tǒng)（英鉑科學(xué)儀器（上海））、JKZ1型探空儀檢測箱（東方化玻（北京））、TH2817A數(shù)字電橋儀（江大儀器）、Temptronic高低溫環(huán)境測試系統(tǒng)（弗士達(dá)科學(xué)儀器）。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1復(fù)合薄膜制備

將聚酰亞胺薄膜依次通過丙酮、無水乙醇、去離子水進(jìn)行超聲清洗8 min后烘干放入氫氧化鉀溶液中，并在室溫條件下浸泡3 h[4]。然后使用去離子水清洗干凈后自然晾干，并置于銀氨溶液中浸泡8 min后，使用去離子水沖洗干凈后晾干，并使用雙氧水進(jìn)行還原，得到銀與聚酰亞胺復(fù)合薄膜[5-6]。

1.2.2溫度傳感器制備

將制備得到的復(fù)合薄膜在自然條件下晾干，并平鋪于白紙上，并根據(jù)CAD軟件繪制的蛇形圖案進(jìn)行掩膜打印。最后，在聚酰亞胺薄膜的另一面使用粘膠劑將其與叉指結(jié)構(gòu)平面電極粘接在一起進(jìn)行封裝，并送入烘干箱中，以90℃的溫度干燥30 min，即可得到溫度傳感器[7]。

1.2.3濕度傳感器制備

將制備得到的復(fù)合薄膜在自然條件下晾干，并平鋪于白紙上，并根據(jù)CAD軟件繪制圖1的圖案進(jìn)行掩膜打印。最后，在聚酰亞胺薄膜的另一面使用粘膠劑將其與叉指結(jié)構(gòu)平面電極粘接在一起進(jìn)行封裝，并送入烘干箱中，以90℃的溫度干燥30 min，即可得到濕度傳感器。濕度傳感器掩膜圖案如圖1所示。

2結(jié)果與分析

2.1復(fù)合薄膜測試

2.1.1氫氧化鉀處理時(shí)間的影響

氫氧化鉀處理時(shí)間不同，銀的電阻率也不同[8]。為分析氫氧化鉀處理時(shí)間對所制備的復(fù)合薄膜導(dǎo)電性能的影響，研究設(shè)置了不同氫氧化鉀處理時(shí)間，并分析了復(fù)合薄膜的電阻率，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，電阻率隨氫氧化鉀處理時(shí)間先緩慢下降后快速下降再緩慢下降；當(dāng)處理時(shí)間為3 h時(shí)，復(fù)合薄膜的電阻率接近飽和。因此，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置氫氧化鉀的處理時(shí)間為3 h。

2.1.2銀氨溶液處理時(shí)間的影響

圖3為不同銀氨溶液處理時(shí)間對所設(shè)計(jì)復(fù)合薄膜的影響。

由圖3可知，隨著銀氨溶液處理時(shí)間的延長，復(fù)合薄膜的電阻率快速降低后，于8 min處達(dá)到平穩(wěn)[9-10]。因此，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置銀氨溶液的處理時(shí)間為8 min。

2.1.3雙氧水處理時(shí)間的影響

圖4為雙氧水處理時(shí)間對復(fù)合薄膜電學(xué)性能的影響。

由圖4可知，隨著雙氧水處理時(shí)間的延長，所設(shè)計(jì)的復(fù)合薄膜電阻率快速下降，并于30 min處達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)[11-12]。因此，本次試驗(yàn)設(shè)置雙氧水的處理時(shí)間為30 min。

2.2溫度傳感器測試

2.2.1溫度測試范圍確定

設(shè)定溫度為-50℃到200℃之間，并將所設(shè)計(jì)的溫度傳感器置于溫度范圍內(nèi)使用電橋儀進(jìn)行測量，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，所設(shè)計(jì)的傳感器在溫度-25℃到175℃時(shí)可隨溫度變化而變化。因此，可確定所設(shè)計(jì)的溫度傳感器可測定的溫度為[-25℃，175℃]，滿足日常露天礦山溫度測量。

2.2.2響應(yīng)時(shí)間

圖6為所設(shè)計(jì)的溫度傳感器從26℃室溫環(huán)境放入60℃和120℃環(huán)境中，然后迅速降溫到26℃室溫條件中電阻的變化結(jié)果。

由圖6可知，溫度從26℃升高到60、120℃，響應(yīng)時(shí)間分別為85、34 s；溫度從60、120℃下降到26℃，響應(yīng)時(shí)間分別為34、50 s。由此說明，所設(shè)計(jì)的溫度傳感器在溫度測試范圍內(nèi)，具有較快的響應(yīng)速度[20]。

2.3濕度傳感器測試

2.3.1靈敏度測試

圖7為不同濕度條件下，所設(shè)計(jì)的濕度傳感器靈敏度。

由圖7可知，在低濕度條件下，傳感器靈敏度較低，為5.54 pF/（%RH），在高濕度條件下，傳感器的靈敏度較高，達(dá)到144.26 pF/（%RH）。

2.3.2吸濕和脫溫時(shí)間

圖8為所設(shè)計(jì)的傳感器從低濕度向高濕度變化的響應(yīng)時(shí)間（吸濕時(shí)間）和高濕度向低濕度變化的響應(yīng)時(shí)間（脫濕時(shí)間）。

由圖8可知，高濕度條件下，吸濕時(shí)間大于脫濕時(shí)間；而低濕度條件下，吸濕時(shí)間小于脫濕時(shí)間。分析其原因，在高濕度條件下，所設(shè)計(jì)的傳感器的復(fù)合薄膜水分子以物理吸附為主，因此脫濕時(shí)間降低；而低濕度條件下，所設(shè)計(jì)的傳感器復(fù)合薄膜水分子以化學(xué)吸附為主，導(dǎo)致脫濕時(shí)間延長。根據(jù)測試結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)的濕度傳感器響應(yīng)時(shí)間滿足設(shè)計(jì)需求。

3結(jié)語

（1）氫氧化鉀處理時(shí)間對溫濕度傳感器復(fù)合薄膜的導(dǎo)電性能具有一定影響，當(dāng)氫氧化鉀處理時(shí)間為3 h時(shí)，得到的溫濕度傳感器導(dǎo)電性能最好；

（2）銀氨溶液處理時(shí)間對溫濕度傳感器復(fù)合薄膜導(dǎo)電性能有一定影響，當(dāng)銀氨溶液處理時(shí)間為8 min時(shí)，溫濕度傳感器的復(fù)合薄膜導(dǎo)電性能最高；

（3）雙氧水處理時(shí)間對溫濕度傳感器復(fù)合薄膜導(dǎo)電性能有一定影響，當(dāng)雙氧水處理時(shí)間為30 min時(shí)，溫濕度傳感器的復(fù)合薄膜導(dǎo)電性能最高；

（4）所設(shè)計(jì)的溫度傳感器測定溫度為-25℃至175℃，且具有良好的線性度，最大非線性誤差為2.5%，相關(guān)因子為0.998；

（5）所設(shè)計(jì)的溫度傳感器具有良好的靈敏度和較快的響應(yīng)時(shí)間，靈敏度為0.002 0℃，平均響應(yīng)時(shí)間為50 s；

（6）所設(shè)計(jì)的濕度傳感器具有一定的線性度、靈敏度，以及長期的穩(wěn)定性，且響應(yīng)時(shí)間較快，平均響應(yīng)時(shí)間為40 s。

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（責(zé)任編輯：平海，蘇幔）