[实用新型]电子气象高空探测电容式湿度传感器

说明书

技术领域 本实用新型属于电子气象技术领域，涉及一种电子气象高空探测电容式湿度传感器。

背景技术 现有技术中用于高空气象探测的湿度传感器种类很多，机械式的如毛发、滚发、肠衣等适用于机械电码式探空仪和地面气象湿度的探测，由于其精确度与适应性较差，现已被逐渐淘汰。现常用电子型的有电阻式和电容式，它们一般由湿度感应元件加上测量电路所组成。电阻式湿度传感器的优点是测量分辨率高，其测量电路简单易行；而电容式湿度传感器的最大优点是其低湿测湿性能大大优于电阻式，稳定性好，较适合高空气象探测。但是，作为高空气象探测仪器的探空仪是一次性使用仪器，要求成本低，但其环境要求又很高，温度范围为+50～-90℃，因此，要采用电容式湿度传感器首先要解决以下两大难点：

1.探空仪在使用时湿度感应元件是暴露在机体外的，引入机体的导线很长，这样一来，导线产生的分布电容以及线路本身的分布电容将会影响湿度传感器的测量精度和稳定性。

2.目前市场上湿度感应元件的使用温度范围为-40℃～+50℃，低于-40℃测量性能将大大降低，而探空仪使用温度范围最低要达-90℃。要求湿度感应元件达到-90℃，则其制作工艺将非常复杂，成本大大提高，是不可取的。在国外，一些厂商试图解决这些难点，如芬兰Vaisala公司采用为湿度感应元件加温的方法，并用多谐波振荡器和低通滤波电路来完成电容一电压的转换。但他们的做法工艺复杂，成本高。另一些厂商在测量电路上做了改进，如德国Fraunhofer公司的专利“测量影响电容元件电容一电压性能参量的线路和方法”(专利号：US 5,235,267)，其措施是向电容元件施加一个周期电压信号，通过电容元件电流与电压信号部分周期的积分检测出电容一电压特性曲线的区域，再根据参量与电容关系从该区域中测定所测参量值，这一专利技术虽能提高测量精度和消除一些干扰，但仍不能解决上述两个难题。

发明内容 本实用新型的目的是解决现有技术存在测量范围小、测量精度低、灵敏度低的技术问题，提供一种电子气象高空探测电容式湿度传感器，以克服现有技术的不足。

为了实现上述目的，本实用新型电子气象高空探测电容式湿度传感器，其特征是由电阻R2、R3以及晶体三极管Q1、Q2组成的第一达林顿电路与由电阻R4、R5以及晶体三极管Q3、Q4组成的第二达林顿电路之间通过转换开关K连接一湿度感应元件Cs和一补偿电容C1，由电阻R6、电容C2组成的滤波器连接在电路输出端；电压信号源Vs通过耦合电阻R1与所述第一达林顿电路连接。

本实用新型以电容式湿度传感器取代目前在数字探空仪上使用的电阻式湿度传感器，而使该探空仪的湿度探测性能更进一步提高，可在环境温度45～-90℃的高空恶劣环境下进行探测湿度，其范围可达0～100％RH，测量精确度≤5％RH，滞后系数≤1秒，因此本实用新型测量范围大、测量精度高、灵敏度高，可用于高空气象探测中湿度的测量，也可用于地面自动气象站。本实用新型既具有温度补偿，又能消除分布电容，工艺简单、生产成本低。

附图说明 附图是本实用新型电路原理图。

具体实施方式 根据附图，本实用新型由电阻R2、R3以及晶体三极管Q1、Q2构成的第一达林顿电路，在电压信号源Vs与湿度感应元件之间加第一达林顿放大电路，用以消除长导线引起的分布电容所产生的积分效应，改善电压信号前后沿；第二达林顿电路由电阻R4、R5以及晶体三极管Q3、Q4所构成，在第一达林顿电路与第二达林顿电路之间通过转换开关K连接一湿度感应元件Cs，可采用微分方法测出其电容的大小，并利用第二达林顿放大电路以产生正脉冲；另外，在该湿度感应元件Cs旁并接一个补偿电容C1，并用转换开关K进行转换，除消除测量电路本身的温度系数外，还可配合探空仪主电路板，借鉴探空仪中温度传感器所测大气温度，对湿度感应元件Cs的温度系数进行修正，以保证传感器在低温下的工作精度；由电阻R6、电容C2组成的滤波器连接在电路输出端，可将正脉冲转换成直流电压，通过直流电压的高低间接测出电容式湿度感应元件的大小即湿度值。

本实用新型的工作原理：电压信号源Vs通过耦合电阻R1将正脉冲信号加入第一达林顿电路，经放大后产生前后沿陡直的脉冲信号，由转换开关K转接湿度感应元件Cs或补偿电容C1；当转换开关K接湿度感应元件Cs时，输出湿度测量值；当转换开关K接补偿电容C1时，由于补偿电容C1的温度性能预先经过测定，因而可以作为不同大气温度时的基准电容值，由探空仪中微处理器进行有关温度补偿的处理工作(大气温度由探空仪中温度传感器探出)。由于电阻R4与湿度感应元件Cs(或补偿电容C1)的时间常数较小，当电压信号正跳变时，达林顿管Q3、Q4继续保持导通状态(0电压)，当电压信号负跳变时，达林顿管Q3、Q4截止(高电压)，截止时间长短取决于湿度感应元件Cs(或补偿电容C1)的大小，也就是达林顿Q3、Q4集电极上的正脉冲宽度与湿度感应元件Cs(或补偿电容C1)成正比。通过电阻R6、电容C2将正脉冲信号转换为直流电压，正脉冲越宽，直流电压越高，因此通过测量输出端Vo的高低就可以间接测出湿度感应元件Cs电容的大小，再通过计算就可以测出所需要的湿度值。因在直流传输过程中电压是不受分布电容影响的，因此该湿度值不受分布电容影响。