电致变色型智能可视化湿度系统
甄明硕, 刘晓然, 范向前, 张文平, 严东东, 刘磊, 李晨
无机材料学报
2024, 39 ( 4):
432-440.
DOI:10.15541/jim20230440
近年来, 湿度传感器在食品安全、土壤监测等领域的应用引起了广泛关注。传统湿度传感器具有稳定性好、灵敏度高等优点, 但大部分湿度传感系统通常采用有线连接和外接庞大设备来将湿度信号转换为可识别的波形, 无法对湿度信息的变化进行实时的可视化监测。将湿度信息直接转换为肉眼可观测的颜色信号为上述问题提供了一种理想解决方案。本研究将湿度传感器与电致变色器件集成一体来制备智能可视化湿度指示系统, 通过将湿度信号转换为电压信号来驱动电致变色器件(Electrochromic devices, ECDs), 从而实现系统稳定可逆的颜色变化。采用三氧化钨(WO3)作为负极、锌箔(Zn)作为正极制备的ECDs会根据湿度传感器的输出电压的变化来转变不同的工作状态, 从而产生肉眼可观测的颜色信号。采用紫外-可见分光光度计与电化学工作站对ECDs的电化学性能以及电致变色性能进行研究和表征。随后, 通过示波器和湿度发生平台对调理电路性能进行分析。结果表明: 智能电致变色型湿度指示器具有良好的稳定性和快速的响应性能, 其中, 着色时间与褪色时间仅为7.5和4.5 s, 并且在300个循环后, 光学调制幅度(ΔT)与初始值相比基本保持不变(保持率可达95%以上)。因此, 这种设计新颖、结构简单的可视化湿度系统在人工智能、智能农业等领域具有广阔的应用前景。

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图5
调理电路的性能
正文中引用本图/表的段落
在上述仿真结果的基础上, 图5(a)给出了湿度调理电路的电路组成, 与常用的由惠斯通电桥和差分放大器组成的电路相比, 其具有电路简单、成本低、误差小等优点[35-36]。图S3显示了调理电路的电路图, 其中调理电路由两个运算放大器和若干电阻组成, VDC2为调理电路的输入电压, 此电压会随湿度的改变而改变。其中A点电压:
其中, Ud即为调理电路的输出电压。为进一步测试调理电路的电学性能, 本研究构建了一个如图5(b)所示的实验平台。该平台包括高精度湿度发生器、示波器、湿度传感器SHT30、湿度调理电路和直流电源。基于上述实验平台, 测试了湿度与输出电压的关系,结果如图5(c)所示。从图中可以清晰地看出, 湿度的变化会导致调理电路两端的输出电压随之改变, 并与湿度基本呈线性关系。同时, 线性关系也为后续定量分析湿度信息提供了理论支持[37]。此外, 输出电压稳定性也是评价电路性能的重要指标。因此, 对温度调理电路输出电压的稳定性进行了详细研究,结果如图5(d)所示。从图中看出, 当湿度为10% RH、40% RH、70% RH、90% RH时, 调理电路的电压分别为0.1、0.5、1.0和1.35 V。分别在不同湿度条件下保持1 h, 调理电路的输出电压仍能与初始值保持一致, 这表明该电路具有良好的电压稳定特性。
本文的其它图/表
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