一種基于雙制冷雙敏感面的露點傳感裝置的制作方法

本發明涉及一種基于雙制冷雙敏感面的露點傳感裝置，它利用石英晶體諧振器與半導體制冷器相結合，通過主動控溫的方式產生水分凝露，從而對其進行露點識別，達到露點溫度測量的目的，屬于空氣狀態參數測量技術領域。

背景技術：

在自然界中凡是有生物存在的地方，在其周圍的大氣環境當中必然會含有或多或少的水汽。大氣中水汽含量的多少，表明了大氣的干、濕程度，即用濕度來表示。大氣濕度在物理學和氣象學中的表示方法有很多種，每種表示都有各自的物理量和與其相對應的單位。在眾多大氣濕度的表示方法中，習慣使用的是相對濕度、絕對濕度、露(霜)點溫度等。

露點溫度的測量已被國際公認為最精密的濕度測量方法，世界各國實際的濕度量值傳遞都是通過露點溫度來實現的。露點溫度是指空氣在水汽含量和氣壓都不改變的條件下，冷卻到飽和時的溫度，形象地說，就是空氣中的水蒸氣變為露珠時候的溫度。透過露點就可以知道空氣中水汽含量，因而露點是一項絕對濕度的指標。露點測量方法根據原理的不同，目前使用較多的有冷鏡式光電露點儀、電傳感器式露點儀、電解法露點儀、紅外露點儀、半導體傳感器露點儀和諧振式露點儀。

諧振式露點測量方法主要是基于石英晶體微天平技術。石英晶振微天平(Quartz Crystal Microbalance，QCM)技術，是20世紀60年代建立起來的一種新型傳感器測量技術。1959年提出的Sauerbrey方程是質量效應的基礎，它建立了QCM表面剛性質量改變與其諧振頻率變化之間的線性關系，根據此原理可以進行納克級的質量檢測，該方法具有高精度、高靈敏度、低成本等優點，受到了各國科學家的重視，目前已成為傳感器領域的一個研究熱點。在傳統的石英晶體濕度傳感器領域，主要采用了感濕材料涂覆工藝，利用在石英晶體表面涂覆感濕材料從而達到對空氣中水分的吸附，這種工藝的傳感器主要以測量相對濕度為主。對于利用石英晶體測量露點的方法中，主要是采用了制冷系統與石英晶體諧振器的結合，對石英晶片制冷使其表面空氣達到飽和狀態即石英晶片表面產生水凝結，利用石英晶體的頻率改變識別露點，從而達到測量露點溫度的目的。

國內外對此種方法的報道很少，主要是此項技術還存在很多技術難點，但是利用該方法研制的露點儀相比較傳統的冷鏡光電式露點儀在靈敏度、測量精度和響應時間等方面都有其較大的優勢，尤其在低濕的環境下具有很好的應用前景，同時此方法較傳統的吸附式石英晶體濕度傳感器相比，有很好的脫濕性，因而具有很好的重復性。

技術實現要素：

1、目的：本發明的目的是為了提供一種基于雙制冷雙敏感面的露點傳感裝置，它能夠保證雙面附有對稱電極的石英晶片維持良好的諧振狀態，并且可以很大程度上對石英晶片進行制冷，可以快速穩定的主動產生凝露并且對其進行識別。本裝置具有靈敏度高，響應時間快，可靠性好的優點。

2、技術方案：

為了實現上述目的，本發明提供一種基于雙制冷雙敏感面的露點傳感裝置；它是由兩組對稱的銅質基體、雙面附有對稱電極的石英晶片、兩塊高導熱硅膠片、兩個半導體制冷器、兩個散熱器、一個PT100鉑熱電阻、四個U型支架和四個螺釘組成。銅質基體是由底座和圓柱形支架結合為一體，兩組對稱的銅質基體扣在一起組成傳感裝置的主體；一個雙面附有對稱電極的石英晶片，作為露點的凝結面，也是傳感裝置里最核心的敏感器件用于提供頻率輸出值，被扣在一起的兩組對稱的銅質基體夾住；兩塊高導熱硅膠片，作為圓柱形支架與石英晶片之間的緩沖材料，也作為圓柱形支架向石英晶片傳遞溫度的介質材料，兩塊高導熱硅膠片分別放置在兩個銅質基體與石英晶片之間作為銅質基體與石英晶片中間的緩沖和連接部分；兩個半導體制冷器，用于給石英晶片提供制冷，分別放置在兩個銅質基體的底座部分；兩個散熱器，分別給兩個半導體制冷器的熱面進行散熱，緊貼于銅質基體的底座并與半導體制冷器的熱面相貼；一個PT100鉑熱電阻，用于測量石英晶片表面的溫度，放置在兩組對稱的銅質基體之間貼于石英晶片的非電極區域；四個U型支架和四個螺釘，用于連接兩個對稱的基體并將兩個基體的底座分別固定在一個散熱器上，最終形成一個完整的傳感裝置。

所述的兩組對稱的銅質基體分別是兩個非標準尺寸的機械加工件，材質為黃銅，具有極好的導熱性能；

所述的雙面附有對稱電極的石英晶片選用諧振頻率為4MHz～6MHz的表面涂敷有銀或金電極的石英晶片；

所述的兩塊高導熱硅膠片厚度為1mm，導熱系數為5w/m-k(w表示“瓦”，m表示“米”，k表示“開氏溫度”)；

所述的兩個半導體制冷器均為TEC1-3104型半導體制冷器；

所述的兩個散熱器為熱管散熱器；

所述的一個PT100鉑熱電阻為四線制的精密鉑電阻；

所述的四個U型支架是形狀為U型的并且兩端有直徑為4mm的孔；

所述的四個螺釘直徑為4mm；

應用本發明的技術方案，提供一種在石英晶片表面產生結露的裝置，具體根據石英晶片表面產生結露之后發生哪些物理變化以及輸出信號的種類，本發明不做以限制。

本發明一種基于雙制冷雙敏感面的露點傳感裝置，其優點是既可以保證石英晶片的振動質量，又可以具備高效的傳熱性能，使得該傳感器結構具有穩定高效的特點。

附圖說明

圖1為本發明的傳感裝置結構的剖面圖。

圖2為基體的俯視圖。

圖3為基體的仰視圖。

圖4為基體的立體效果圖。

其中，上述附圖包括一下附圖標記：

1、底座；2、散熱器；3、半導體制冷器；4、石英晶片；5、PT100鉑熱電阻；6、螺釘；7、圓柱形支架；8、高導熱硅膠片；9、U型支架。

具體實施方式

下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發明。

結合圖1和圖4所示，圖4為基體的立體效果圖，傳感裝置主要由兩個對稱的基體組成，基體的材質為黃銅，具有非常好的導熱性能，基體主要包括圓柱形支架7和底座1組成，圓柱形支架7的柱體表面分別十字對稱切開四個通風口，圓柱形支架內部為空，在上端圓環處從內部有一個深度為一毫米的凹槽，凹槽需要用高導熱硅膠片8填平。

如圖2所示，將石英晶片4放置在高導熱硅膠片8上面，并均勻的將石英晶片4的非電極區域與高導熱硅膠片8貼合在一起，保證石英晶片4與所在的圓環形的高導熱硅膠片8為同心圓，將PT100鉑熱電阻5放置在石英晶片4上的非電極區域，然后將另一半對稱的基體扣在這一基體之上，形成一個傳感裝置的主體。

如圖3所示，在底座1背面都有一個放置半導體制冷器3的凹槽，將兩個半導體制冷器3的冷面分別貼于兩個底座1靠近石英晶片4的一面，再將兩個散熱器2分別貼于兩個半導體制冷器3的熱面。底座1與散熱器2都在其貼合的四個角處打四個可以用來擰螺釘6的絲槽，四個U型支架9的兩端都打出和底座1和散熱器2一樣規格的絲槽，最后用螺釘6將四個打好絲槽的U型支架9與底座1和散熱器2固定在一起，形成完整的傳感裝置。

半導體制冷器工作制冷，將低溫通過圓柱形支架7傳遞給石英晶片4，石英晶片4通過外部的驅動電路對其進行驅動，保持穩定的諧振狀態，原始狀態下輸出固定的頻率值，當石英晶片4電極表面的溫度達到露點溫度時，水分的凝結會造成石英晶片4電極表面質量附加，從而導致石英晶片4的輸出頻率發生變化，通過獲取頻率的變化來識別結露時刻，同時通過PT100鉑熱電阻5對石英晶片4表面溫度進行測量，實現露點的高精度測量。

以上所述的頻率輸出方式僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明中信號輸出與被檢測的方式可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。