傳感器電容式濕度傳感器的應(yīng)用

1、 題目 傳感器電容式濕度傳感器的應(yīng)用姓 名學(xué) 號(hào)系（院）_電子電氣工程學(xué)院_班 級(jí)目錄前言 .31. 緒論 .11.1電容式傳感器的工作原理 .11.2電容式傳感器的特點(diǎn) . .42. 系統(tǒng)設(shè)計(jì) .62.1硬件電路設(shè)計(jì) .62.2 濕敏電容器的特性 .82.3 電容式傳感器數(shù)據(jù)處理 .82.4測試結(jié)果 .8結(jié)論 .10參考文獻(xiàn) .11淄博職業(yè)學(xué)院前言人類的生存和社會(huì)活動(dòng)與濕度密切相關(guān)，隨著現(xiàn)代化的實(shí)現(xiàn)，很難找出一個(gè)與濕度無關(guān)的領(lǐng)域來。在電子科學(xué)技術(shù)日益發(fā)達(dá)的今天, 人類對(duì)自身的生活環(huán)境及工作環(huán)境要求越來越高。濕度的監(jiān)測與控制在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門，如國防 、科研 、煤炭開采和井下監(jiān)測以及人生活等諸

2、多領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。眾所周知, 濕度的測量較復(fù)雜，而對(duì)濕度進(jìn)行控制更不易。人們熟知的毛發(fā)濕度計(jì)、干濕球濕度計(jì)等已不能滿足現(xiàn)代工作條件和環(huán)境的要求。為此，人們研制了各種濕度傳感器，其中電阻和電容型濕度傳感器以其測量范圍寬, 響應(yīng)速度快, 測量精度高, 穩(wěn)定性好, 體積小, 重量輕，制造工藝簡單等顯示出極大的優(yōu)越性, 在實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用。由于應(yīng)用領(lǐng)域不同，對(duì)濕度傳感器的技術(shù)要求也不同。從制造角度看，同是濕度傳感器，材料、結(jié)構(gòu)不同，工藝不同。其性能和技術(shù)指標(biāo)有很大差異，因而價(jià)格也相差甚遠(yuǎn)。濕度是一個(gè)重要的物理量，航天航空，計(jì)量等許多環(huán)境中需要在高溫下進(jìn)行濕度的測量，很多行業(yè)中，如發(fā)電、紡織

3、食品、醫(yī)藥、倉儲(chǔ)、農(nóng)業(yè)等，對(duì)溫度、濕度參量的要求都非常嚴(yán)格，目前，在低溫條件下，（通常是指100以下），濕度測量已經(jīng)相對(duì)成熟，有商品化產(chǎn)品，并廣泛應(yīng)用于各種行業(yè) ，另外有許多以行業(yè)需要在高溫環(huán)境下測量濕度，如航天航空、機(jī)車艦船、發(fā)電變電、冶金礦山、計(jì)量科研、電廠、陶瓷、工業(yè)管道、發(fā)酵環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱、高爐等場合，這時(shí)，濕度測量結(jié)果往往不如低溫環(huán)境下的測量結(jié)果理想，另外，在惡劣的環(huán)境下工作，例如氣流速度、溫度、濕度變化非常劇烈或測量污染嚴(yán)重的工業(yè)化氣體時(shí)，將使精度大大下降。然而，隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)濕度的測量設(shè)備進(jìn)行了越來越深層的研究，本文就以電容型濕度傳感器進(jìn)行闡述。1. 緒論1.1電容式傳感器的

4、工作原理電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種裝置，它本身就是一種可變電容器。由于這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高，分辨率高，能實(shí)現(xiàn)非接觸測量等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于位移、加速度、振動(dòng)、壓力、壓差、液位、等分含量等檢測領(lǐng)域。這里主要介紹電容式傳感器的原理、結(jié)構(gòu)類型、測量電路及其工程應(yīng)用。當(dāng)被測量的變化使S 、d 或任意一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，電容量也隨之而變，從而完成了由被測量到電容量的轉(zhuǎn)換。當(dāng)式中的三個(gè)參數(shù)中兩個(gè)固定，一個(gè)可變，使得電容式傳感器有三種基本類型：變極距型電容傳感器、變面積型電容傳感器和變介電常數(shù)型電容傳感器。電容式傳感器的測量電路就是將電容式傳感器看

5、成一個(gè)電容并轉(zhuǎn)換成電壓或其他電量的電路。因此，常用的測量電路主要有橋式電路、調(diào)頻電路、脈沖寬度制電路、運(yùn)算放大器電路、二極管雙T 形交流電橋和環(huán)行二極管充放電法等。調(diào)頻電路實(shí)際是把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分, 當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。雖然可將頻率作為測量系統(tǒng)的輸出量，用以判斷被測非電量的大小，但此時(shí)系統(tǒng)是非線性的，不易校正，因此必須加入鑒頻器，將頻率的變化轉(zhuǎn)換為電壓振幅的變化，經(jīng)過放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來。調(diào)頻電容傳感器測量電路具有較高的靈敏度，可以測量高至0.01m 級(jí)位移變化量。信號(hào)的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測量，并與計(jì)算機(jī)通信，抗干

6、擾能力強(qiáng)，可以發(fā)送、接收以達(dá)到遙測遙控的目的。 因此，在實(shí)際應(yīng)用中，常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，既使靈敏度提高1倍，又使非線性誤差大大降低，抗干擾能力增強(qiáng)。電容式傳感器，顧名思義，指的是電容與傳感器的組合。它是傳感器的其中一種，因而也是由敏感元件、傳感元件、測量電路組成。所不同的是，它以各種類型的電容器為傳感元件，將被測物理量的變化轉(zhuǎn)化為電容量的變化，再經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率，以達(dá)到檢測或控制的目的。在過去，電容式傳感器主要應(yīng)用于位移、加速度、角度和振動(dòng)等機(jī)械量的精密測量；現(xiàn)在多用于壓力、壓差、液位、成份含量等方面的測量。電容式傳感器的特點(diǎn)是：測量范圍大；靈敏度高；動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；小功率、高阻抗；

7、機(jī)械損失?。唤Y(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)；但寄生電容影響大，而且變間隙式電容傳感器存在非線性誤差。電容式傳感器的分類也是多種多樣的，按工作原理可分為變間隙式（變極距型）、變面積式、變介電常數(shù)式（變介質(zhì)型）；按極板結(jié)構(gòu)分為平板式和圓柱式；按被測量分為位移、壓力、應(yīng)力、濕度、溫度等類型。 圖1平板電容器其電容為：d S d A C r 0=, 為極板間介質(zhì)介電函數(shù)，0為真空介電常數(shù)，6. 30=(pF/cm,r 是介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)，d s C r 6. 3=。當(dāng)即板間距離d （令:d=x）后的電容為 (01x d S C -=。( (00010x d x C C C C C -=-=這是實(shí)際非線性關(guān)系。靈敏

8、度1 (00x d x C C S n -=，當(dāng)x 相對(duì)于do 很小時(shí)可以近似為:00d x d - 時(shí)，0d x C C =，這是理想的線性關(guān)系。理想情況下:0d S n =非線性誤差：001 ( ( (d x d x d LC C LC C S C C e f =-=-= 圖2變極距型傳感器的特性曲線xx由上述可知，可以通過提高靈敏度和減小非線性誤差的方法來改善電容式傳感器的性能。但是影響電容式傳感器的因素很多，溫度、電容電場邊緣效應(yīng)和寄生或分布電容等等都會(huì)對(duì)電容式傳感器產(chǎn)生影響。我們可以采取相應(yīng)的措施來減少這些影響，如增大初始電容和加裝等位環(huán)，靜電屏蔽，電纜驅(qū)動(dòng)等。 圖3 運(yùn)算放大器式電

9、路原理圖 圖4 差動(dòng)式電容壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖電容式傳感器的運(yùn)放測量電路原理圖如圖1-3所示，圖中Cx 為電容式傳感器電容；Ui 是交流電源電壓;Uo 是輸出信號(hào)電壓; 是虛地點(diǎn)。（傳感器為平板電容，Cx=S/d）由運(yùn)算放大器工作原理可得d SC U U io -=此式說明運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離d 成線性關(guān)系。電容式傳感器的應(yīng)用比較廣，主要用于測量位移、壓力、速度、介質(zhì)、濃度、物位等物理量。相應(yīng)地，產(chǎn)生了很多類型的電容式傳感器，如電容式位移傳感器、電容式壓力傳感器、電容式加速度傳感器、電容式液位傳感器等等?，F(xiàn)以電容壓力傳感器為例說明其應(yīng)用。如圖1-4中所示膜片為動(dòng)電極，兩個(gè)在凹形玻璃上的

10、金屬鍍層為固定電極，構(gòu)成差動(dòng)電容器。當(dāng)被測壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時(shí)，所形成的兩個(gè)電容器的電容量，一個(gè)增大，一個(gè)減小。該電容值的變化經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對(duì)應(yīng)的電流或電壓的變化。凹形玻璃膜片C1.2電容式傳感器的特點(diǎn)電容式傳感器具體特點(diǎn)如下：(1結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，精度高，可以做得很小，以實(shí)現(xiàn)某些特殊的測量，電容式傳感器一般用金屬作電極，以無機(jī)材料作絕緣支承，因此可工作在高低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場等惡劣的環(huán)境中，能承受很大的溫度變化，承受高壓力、高沖擊、過載等；能測超高壓和低壓差。 (2動(dòng)態(tài)響應(yīng)好電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極

11、小，可動(dòng)部分可以做得小而薄，質(zhì)量輕，因此固有頻率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特適合于動(dòng)態(tài)測量；可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數(shù)、如振動(dòng)等。 (3分辨率高由于傳感器的帶電極板間的引力極小，需要輸入能量低，所以特別適合于用來解決輸入能量低的問題，如測量極小的壓力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力非常高，能感受0.001m ，甚至更小的位移。(4溫度穩(wěn)定性好電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又由于本身發(fā)熱極小，因此影響穩(wěn)定性也極微小。(5可實(shí)現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)如回轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)或偏心、小型滾珠軸承的徑

12、向間隙等，采用非接觸測量時(shí)，電容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測量的影響。 不足之處是輸出阻抗高，負(fù)載能力差，電容傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十皮法到幾百皮法，使傳感器輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源 時(shí)，輸出阻抗更高，因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象；寄生電容影響大，電容式傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電容、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大，降低了傳感器的 靈敏度，破壞了穩(wěn)定性，影響測量精度，因此對(duì)電纜的選擇、安裝、接法都要有要求。電容式傳感器可用來測量直線位移、角位移

13、、振動(dòng)振幅(測至0.05m 的微小振幅 ，尤其適合測量高頻振動(dòng)振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量，還可用來測量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測量電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等。在自動(dòng)檢測和控制系統(tǒng)中也常常用來作為位置信號(hào)發(fā)生器。電容式液位傳感器是利用被測介質(zhì)面的變化引起電容變化的一種變介質(zhì)型電容器。為用于檢測非導(dǎo)電液體的電容式傳感器。它是通過將被測介質(zhì)的液面高度變化轉(zhuǎn)為電容器電容量的變化，當(dāng)被測液體的液面在電容傳感器的兩同心圓柱形電極間變化時(shí)，引起極間不同介電常數(shù)介質(zhì)的高度發(fā)生變化。電容式傳感器是基于把被測非電物理量轉(zhuǎn)換為電容量的原理進(jìn)行測量的，它在工

14、業(yè)中被廣泛用于壓力、差壓、物位、液位、振動(dòng)和位移等多種參數(shù)的檢測。 電容傳感器有三種類型：變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型，其中極距型和介電常數(shù)型電容傳感器為非線性，而變面積型是線性的，在實(shí)際使用中為提高傳感器的線性度和抗干擾能力，增大靈敏度，常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。電容傳感器常用的測量電路主要有橋式電路、調(diào)頻電路、脈沖寬度 制電路、運(yùn)算放大器電路、二極管雙T 形交流電橋和環(huán)行二極管充放電法等，不同電路各有特點(diǎn)，適用不同參數(shù)測量的場合。電容式濕度傳感器的敏感元件為濕敏電容 ,主要材料一般為高分子聚合物 、金屬氧化物. 這些材料對(duì)水分子有較強(qiáng)的吸附能力 , 吸附水分的多少隨環(huán)境濕度而變化 . 由于水分

15、子有較大的電偶極矩 ,吸水后材料的電容率發(fā)生變化. 電容器的電容值也就發(fā)生變化. 同樣 , 把電容值的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào) ,就可以對(duì)濕度進(jìn)行監(jiān)測. 例如 , 聚苯乙烯薄膜濕敏電容. 通過等離子體法聚合的聚苯乙烯具有親水性極性基團(tuán) . 隨著環(huán)境濕度的增減, 它吸濕脫濕, 電容值也隨之增減。從而得到的電信號(hào)隨濕度的變化而變化。濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酷酸醋酸纖維等。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化， 使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對(duì)濕度成正比。濕敏電容的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、產(chǎn)品互換性好、響應(yīng)速度快、濕度的滯后量小、便于制造、

16、容易實(shí)現(xiàn)小 型化和集成化，其精度一般比濕敏電阻要低一些。國外生產(chǎn)濕敏電容的主廠家有Humirel 公司、Philips 公司、Siemens 公司等。以 Humirel公司生產(chǎn)的SH1100型濕敏電容為例，其測量范圍是（1%99%）RH ，在55%RH時(shí)的電容量為180pF （典型值）。當(dāng)相對(duì)濕度從 0變化到100%時(shí)，電容量的變化范圍是163pF 202pF 。溫度系數(shù)為0.04pF/，濕度滯后量為1.5%，響應(yīng)時(shí)間為5s 。2. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1硬件電路設(shè)計(jì)高分子電容式濕度傳感器屬電路參數(shù)型傳感，其輸出為電容值，傳感器的相對(duì)容值0C C 與相對(duì)濕度%RH成正比關(guān)系，受溫度的影響較小。在應(yīng)用中

17、需將電容值轉(zhuǎn)換為易于識(shí)別的電信號(hào)，考慮到功耗問題，轉(zhuǎn)換電路采用低功耗的CMOS 電路，圖6是轉(zhuǎn)換電路及圖7為其輸出波形。 圖6轉(zhuǎn)換電路 圖7輸出波形圖中 ,C 為電容式濕度傳感器 , U1的脈沖寬度為t 1=k 1C 1, 式中t 1為脈沖寬度，ms;t 1為比例系數(shù); C 1為電容值,pF;U 2的脈沖寬度為t 2=kC =k(C0+C , 式中t 2為脈沖 寬度,ms;k 為比例系數(shù);C 為濕敏電容器電容值,pF;C 0為濕敏電容器在相對(duì)濕度0%RH 溫度為25時(shí)的電容值,pF; C 為濕敏電容器在相對(duì)濕度0%RH時(shí)的電容值改變量，量,pF 。調(diào)節(jié)可變電阻器R P 使得在相對(duì)濕度0%RH時(shí)

18、(25,t 1=t2, 即k 1C 1=kC0，當(dāng)濕度增加時(shí),t 2增加，U 3的脈沖寬度t 3=t2- t 1=kC 即t 3與C 成正比, 也即與相對(duì)濕度%RH成正比。通過測量脈沖寬度即可知道相對(duì)濕度的高低 ,利用單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器 T0,測量t 3的脈沖寬度 ,通過查表法得到相應(yīng)的相對(duì)濕度 %RH。單片機(jī)采用 Philips 的自帶Flash ROM 的P89C52 , 完成數(shù)據(jù)采樣, 數(shù)據(jù)分析，地址碼設(shè)定和數(shù)據(jù)通信等功能 ,是電容式濕度傳感期待的管理中心。調(diào)制解調(diào)器HT2012是SMAR 生產(chǎn)的適用于HART 協(xié)議物理層的調(diào)制解調(diào)器, 符合 Bell202標(biāo)準(zhǔn)，其工作方式為半雙工通信方式

19、 ,工作時(shí)鐘頻率為460.8kHz 。2.2 濕敏電容器的特性濕敏電容器的感濕是材料是固態(tài)高分子聚合物, 具有全互換性，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下不需校正，和長時(shí)間下快速脫濕，高可靠性，長時(shí)間穩(wěn)定性和快速反應(yīng)等特點(diǎn) 。2.3 電容式傳感器數(shù)據(jù)處理通電后，傳感器首先檢測是否有脈沖信號(hào)及脈沖寬度是否在有效值范圍內(nèi) ,判斷前向通道工作 (即濕敏電容器和轉(zhuǎn)換電路工作 是否正常, 實(shí)現(xiàn)傳感器的自我診斷，不正常, 則報(bào)警提示, 顯示出錯(cuò)信息。在單片機(jī)內(nèi)建立濕度和脈沖寬度以及溫度和修正值的真值表 ,其中 ,濕度和脈沖寬度的真值表是以 DM500 高精度 SAW濕度/露點(diǎn)測量儀對(duì)所設(shè)計(jì)的傳感器進(jìn)行標(biāo)定。根據(jù)測得的脈沖寬度通

20、過查表方式求得相應(yīng)的濕度, 同時(shí)，根據(jù)測得的環(huán)境溫度 ,查得對(duì)應(yīng)的修正值 ,綜合兩項(xiàng)結(jié)果得到實(shí)際的濕度值, 送顯并保存(設(shè)定存儲(chǔ)時(shí)間間隔 。對(duì)位于相鄰兩分格值之間的脈寬信號(hào), 采用小鄰域內(nèi)近似線性化方法處理, 對(duì)于相對(duì)濕度低于10%RH或高于90%RH的情況, 也按此方法順延推算, 若測量結(jié)果按理論推算超出100%RH ,則按粗大誤差處理 。傳感器在檢測到上位機(jī)的信號(hào)后 ,將最近一次得測量值向上位機(jī)傳送。2.4測試結(jié)果以DM500高精度SAW 濕度/露點(diǎn)測量儀與所設(shè)計(jì)的傳感器對(duì)同一試樣進(jìn)行對(duì)比測量, 結(jié)果見表1:表1 相對(duì)濕度（%RH）由于單片機(jī)的測量精度為：式中OSC F 為晶振頻率，MHz, 由于很小，可以忽略，因此，該傳感器的準(zhǔn)確度主要取決于濕敏電容器和轉(zhuǎn)換電路。從表1的測試結(jié)果中可以看出，該傳感器的測量精度可以達(dá)到%5.