专利名称：一种快速湿度氛围切换装置的制作方法
技术领域：
本发明属于湿度传感器技术领域，特别是涉及一种用于准确测量湿度传感器响应恢复时间的快速湿度氛围切换装置。
背景技术：
湿度传感器在环境监测、生物医学、农业生产、工业控制等方面有着广泛的应用， 具有极高的民用和工业应用价值。并且，随着工农业生产和科学研究对湿度测量要求的日趋提高，特别是近几年来，国内物联网的发展和兴起，使得人们湿度传感器的准确性和快速性提出了新的要求，这也给湿度传感器的准确测量和标定带来了新的挑战。响应恢复时间是指湿度传感器从一种湿度气氛到另一种湿度气氛过程中，信号稳定需要的时间。响应恢复时间是湿度传感器性能的重要参数之一，对于湿度传感器的应用范畴起着决定性的作用。由于湿度传感器通常工作在室温条件下，因此对于基于传统颗粒材料或者薄膜材料的湿度传感器，其响应恢复时间往往较长，大都在几十秒到数分钟之间。 对这些湿度传感器响应恢复时间的测量，国内通常采用两类方法(1)通过双压法改变湿度氛围，在传感器所处的测试腔体中冲入一定体积的高湿或低湿气体，改变器件所处的湿度氛围。这种方法准确度高，但是需要较长的平衡时间，导致响应恢复时间的测量结果不准确；( 利用两个饱和盐溶液瓶测量，不同的饱和盐对应着不同的湿度气氛，将传感器从一种饱和盐溶液瓶手动取出，并插入另一个饱和盐溶液瓶从而改变湿度氛围。这种方法所需的切换时间较短，可以下降至数秒，但是器件在切换过程中必然接触空气，这一方面相当于在测量响应恢复的过程中增加了一种新的湿度氛围(通常为20%至70%的相对湿度)，影响了测量的准确性，另一方面，饱和盐溶液瓶在打开过程中也会使得瓶中气氛与外界空气交换，影响了湿度氛围的准确度。最近，随着材料科学的发展，多种具有新型结构或组成的湿敏材料陆续被开发出来，其中不乏具有极快响应恢复特性的材料，如一些金属氧化物纳米棒，纳米纤维等。利用这些材料制作的湿度传感器响应恢复时间可以下降到数秒左右，因此，目前的测量设备已经难以满足对这些材料响应恢复时间准确测量的要求。如何快速的改变湿度传感器所处的气氛，并且避免接触空气以提高测量精度已经成为相关研究者所关注的重要问题之一。

发明内容
本发明的目的是克服以上问题，提供一种能够用于准确测量湿度传感器响应恢复时间的快速湿度氛围切换装置。本发明的主要优点是装置结构简单、成本低廉，通过转轴改变湿度传感器位置方便快捷，湿度传感器在两种饱和盐溶液所产生的湿度气氛之间可以快速(小于Is)地切换， 从而准确地测量传感器的响应恢复时间；传感器不会接触外部空气，且转动过程中不会引起两个饱和盐溶液室之间的气氛交换。本发明所述的快速湿度氛围切换装置，其特征在于在实心腔体中镂空出相互独立的、分别具有上盖且密闭性良好的多个(一般为2 5个)饱和盐溶液室，在每个饱和盐溶液室的上盖上设置有注液口，通过注液口向每个饱和盐溶液室内注入能够产生不同湿度氛围的饱和盐溶液；在多个饱和盐溶液室的中间位置处设置有侧面磨砂镀膜的圆柱形转轴 8，圆柱形转轴8与每个饱和盐溶液室间都重叠一定区域；在圆柱形转轴8接近底部的侧面开有扇形窗口 13，在扇形窗口 13内放置湿度传感器10，湿度传感器10的电极输出端连接引线11，引线11通过圆柱形转轴8顶部的引线口 9外接湿度传感器特性测试仪器；即在圆柱形转轴8转动的过程中，湿度传感器10位于不同的饱和盐溶液室内，使湿度传感器10在不同湿度环境下进行快速地切换，从而由湿度传感器特性测试仪器测量湿度传感器10的响应恢复时间曲线。在饱和盐溶液室内注入的饱和盐溶液可以为LiCl (对应于11% RH)、MgCl2 (对应于 33 % RH)、Mg (NO3) 2 (对应于 M % RH)、NaCl (对应于 75 % RH)、KCl (对应于 85 % RH)、 ΚΝ03(对应于95% RH)等，从而在不同的饱和盐溶液室内形成不同的湿度氛围。进一步地，腔体(1)为长方体、正方体或圆柱体；饱和盐溶液室为长方体、正方体或圆柱体，其深度小于腔体(1)的高度，其上表面与腔体(1)的上表面相平；扇形窗口(13) 位于圆柱形转轴(8)的底部，圆柱形转轴(8)的底部高于饱和盐溶液室的液面；一般地，腔体⑴的体积为2 4X 10_3m3，以确保腔体内部空间足够加工出饱和盐溶液室及圆柱形转轴(8)；饱和盐溶液室的容积为0. 5 1 X 10 3,以保证饱和盐溶液湿度气氛发生需求。一般地，腔体(1)和圆柱形转轴(8)为不锈钢、铝或者铜材质，使得转动过程腔体 (1)不易晃动；在圆柱形转轴(8)的上表面设置有转动把手(12)，转动把手(1 为不锈钢、 铝、铜或塑料材质，与圆柱形转轴(8)为一体结构，或固定安装在圆柱形转轴(8)的上表面。


图1 本发明所述的具有2个饱和盐溶液室的快速湿度氛围切换装置的结构示意图；图2 本发明所述的具有2个饱和盐溶液室的快速湿度氛围切换装置的俯视图；如图1和图2所示，各部分的名称为腔体1，第一饱和盐溶液室2，第二饱和盐溶液室3，第一注液口 4，第二注液口 5，第一饱和盐溶液6，第二饱和盐溶液7，圆柱形转轴8， 引线口 9，湿度传感器10，引线11，转动把手12，扇形窗口 13。通过第一注液口 4向第一饱和盐溶液室2内注入第一饱和盐溶液6，通过第二注液口 5向第二饱和盐溶液室3中注入第二饱和盐溶液7，然后封闭第一注液口 4和第二注液口 5，使饱和盐溶液室密闭；再在常温下静置10小时以上使得第一饱和盐溶液室2和第二饱和盐溶液室3内达到理论的湿度氛围值。第一饱和盐溶液室2和第二饱和盐溶液室3的尺寸相同，在第一饱和盐溶液室2 和第二饱和盐溶液室3的对称中心处设置实心圆柱形转轴8，圆柱形转轴8与第一饱和盐溶液室2和第二饱和盐溶液室3相互重叠一部分区域，圆柱形转轴8的底部要高于第一饱和盐溶液室2和第二饱和盐溶液室3中液面的高度，即使后面所述的扇形窗口 13的位置位于饱和盐溶液室的气体氛围处。在圆柱形转轴8的上表面设置有转动把手12，通过转动把手12带动圆柱形转轴8转动，从而使得湿度传感器10在两个饱和盐溶液室2、3之间进行切换。湿度传感器10的正面的横截面积通常小于1 X Icm2,厚度小于0. 3cm,因此在圆柱形转轴8侧面开有的扇形窗口 13的开口也很小(中心角小于5°，高度小于2cm)，从而圆柱形转轴8的转动不会引起两个饱和盐溶液室2、3之间的气氛交换，同时圆柱形转轴8侧面及与两个饱和盐溶液室 2、3接触的部位均采用磨砂工艺将表面粗糙化，从而减小圆柱形转轴8旋转过程中的气体泄漏的可能，将进一步杜绝饱和溶液室中的气氛相互影响。湿度传感器10在不同湿度环境下进行快速地切换，从而由湿度传感器特性测试仪器测量湿度传感器10的响应恢复时间曲线。图3 所测量的典型响应恢复特性曲线。由图3可以看出，传感器的复阻抗值改变时间小于ls，且曲线无波动或者锯齿，因此，可以说明本发明能够实现低于Is的湿度氛围切换。
具体实施例方式实施例1 在长方体不锈钢腔体1 (长24cm、宽12cm、高15cm)内镂空出两个并列的圆柱形第一饱和盐溶液室2和第二饱和盐溶液室3，两个饱和盐溶液室2、3的半径均为5cm，深14cm， 两个饱和盐溶液室柱心的距离为12cm，其上表面与腔体的上表面相平；将圆柱形转轴8(半径2. 5cm，深7cm，其上表面与腔体的上表面相平)置于饱和盐溶液室2、3的中间；通过第一注液口 4和第二注液口 5分别向第一饱和盐溶液室2和第二饱和盐溶液室3中分别注入 600cm3的LiCl饱和溶液和KNO3饱和溶液，注液完毕后封闭注液口 4、5 ；LiCl和KNO3两种饱和溶液理论上分别对应于11%和95%的相对湿度。然后将腔体1在室温下静置10小时， 将标准湿度传感器(GHS-20E型，深圳WelKey Sensors科技公司生产)通过引线口 9 (半径 0. 3cm的圆孔)深入到扇形窗口 13中，以对饱和盐溶液室2、3的湿度值进行检测，待溶液产生的湿度达到理论值后，将以T-550型二氧化钛纳米纤维为敏感材料制作的湿度传感器10 与引线11连接，并通过引线口 9插入至圆柱形转轴8底部的扇形窗口 13内，随后密封引线口 9，引线11的另一端外接湿度传感器特性测量仪器，如ZL-5型复阻抗分析仪。湿度传感器10长1cm，宽0. 5cm,厚0. lcm, T-550型二氧化钛纳米纤维与传感器衬底购于北京艾立特科技有限公司，纤维直径lOOnm，长5mm，将纤维与去离子水按照100 25的质量比混合，并涂覆于带有4对叉指状Ag-Pd电极的传感器衬底上形成湿度传感器，纳米纤维所形成的敏感膜厚度为0. 3mm，传感器衬底上的叉指状电极的宽度和间距均为0. 25mm、长度为4mm，将电 极输出端与引线11连接，观察测量仪器上显示的湿度传感器10的复阻抗值，待复阻抗值稳定后转动圆柱形转轴8上的转动把12，使湿度传感器10在11%和95%两种相对湿度氛围间进行快速地切换，转动过程中通过秒表准确记录转动圆柱形转轴8的起始时间，实测的响应恢复曲线结果如图3所示。由于湿度传感器10在测量过程中，从旋转开始至传感器响应或者恢复完毕，所需时间的总和小于ls，因此，可以说明本发明实现了小于Is的湿度气氛快速切换。
权利要求
1.一种快速湿度氛围切换装置，其特征在于在实心腔体中镂空出相互独立的、分别具有上盖且密闭性良好的多个饱和盐溶液室，在每个饱和盐溶液室的上盖上设置有注液口 ；在多个饱和盐溶液室的中间位置处设置有侧面磨砂镀膜的圆柱形转轴(8)，圆柱形转轴(8)与每个饱和盐溶液室间都重叠一定区域；圆柱形转轴(8)的底部高于饱和盐溶液室的液面；在圆柱形转轴⑶接近底部的侧面开有扇形窗口(13)，在扇形窗口(13)内放置湿度传感器(10)，湿度传感器(10)的电极输出端连接引线(11)，引线(11)通过圆柱形转轴 ⑶顶部的引线口(9)外接湿度传感器特性测试仪器；在圆柱形转轴⑶转动的过程中，湿度传感器(10)位于不同的饱和盐溶液室内，使湿度传感器(10)在不同湿度环境下进行快速地切换，从而由湿度传感器特性测试仪器测量湿度传感器(10)的响应恢复时间曲线。
2.如权利要求1所述的一种快速湿度氛围切换装置，其特征在于腔体⑴为长方体、 正方体或圆柱体。
3.如权利要求1所述的一种快速湿度氛围切换装置，其特征在于饱和盐溶液室为长方体、正方体或圆柱体，其深度小于腔体(1)的高度，其上表面与腔体(1)的上表面相平。
4.如权利要求1 3任何一项所述的一种快速湿度氛围切换装置，其特征在于饱和盐溶液室的数量为2个，即第一饱和盐溶液室( 和第二饱和盐溶液室(3)。
5.如权利要求4所述的一种快速湿度氛围切换装置，其特征在于在第一饱和盐溶液室( 和第二饱和盐溶液室(3)的对称中心处设置圆柱形转轴(8)。
6.如权利要求1 3任何一项所述的一种快速湿度氛围切换装置，其特征在于在圆柱形转轴(8)的上表面设置有转动把手(12)，转动把手(1 与圆柱形转轴(8)为一体结构，或固定安装在圆柱形转轴(8)的上表面。
全文摘要
本发明属于湿度传感器技术领域，特别是涉及一种用于准确测量湿度传感器响应恢复时间的快速湿度氛围切换装置。由位于腔体中的多个饱和盐溶液室、侧面磨砂镀膜的圆柱形转轴、位于转轴底部侧面扇形窗口中的湿度传感器和外接湿度传感器特性测试仪器组成。在圆柱形转轴转动的过程中，湿度传感器会在不同的湿度环境下进行快速地切换，从而实现由湿度传感器特性测试仪器测量湿度传感器的响应恢复时间曲线。本发明的主要优点是装置结构简单、成本低廉，湿度传感器在两种饱和盐溶液所产生的湿度气氛之间可以快速地切换，并且传感器不会接触外部空气，同时转动过程中也不会引起两个饱和盐溶液室之间的气氛交换。
文档编号G01N27/00GK102323299SQ20111015100
公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月7日 优先权日2011年6月7日
发明者李国栋, 漆奇, 王培培, 赵君, 陈接胜 申请人:吉林大学