傳感器電容式濕度傳感器的應(yīng)用重點(diǎn)

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）一電子電氣工程學(xué)院一班級(jí)目錄 TOC o 1-5 h z 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(cè)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(wú)關(guān)的領(lǐng)域來(lái)。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(lái)越高。濕度的監(jiān)測(cè)與控制在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門，如國(guó)防、科研、 煤炭開采和井下監(jiān)測(cè)以及人生活等諸多領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。眾所周知，濕度

2、 的測(cè)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(cè)量范圍寬，響應(yīng)速度快，測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好，體 積小，重量輕，制造工藝簡(jiǎn)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(cè)量，很多行業(yè)中，如發(fā)電、紡織食品、醫(yī)藥、倉(cāng)儲(chǔ)、農(nóng)業(yè)等，對(duì)溫度、濕 度參

3、量的要求都非常嚴(yán)格，目前，在低溫條件下，（通常是指100C以下），濕度 測(cè)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(cè)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(chǎng)合，這時(shí)，濕度測(cè)量結(jié) 果往往不如低溫環(huán)境下的測(cè)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(cè)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(cè)量設(shè)備進(jìn)行了越來(lái)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電容式傳感器的工作原理電容式傳感器是將被測(cè)量

4、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(jiǎn)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(cè)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(cè)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(cè)量電路及其工程應(yīng)用。當(dāng)被 測(cè)量的變化使s、d或W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(cè)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(cè)量電路就是將電容式傳感器看成一個(gè)電容并轉(zhuǎn) 換

5、成電壓或其他電量的電路。因此，常用的測(cè)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(cè)量系統(tǒng) 的輸出量.用以判斷被測(cè)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(guò)放大就可以用儀器指 示或記錄儀記錄下來(lái)。調(diào)頻電容傳感器測(cè)量電路具有較高的靈敏度，可以測(cè)量高至0.01屮II級(jí)位移變 化量。信號(hào)的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測(cè)量.并與計(jì)算機(jī)通信，抗干擾能

6、力強(qiáng).可 以發(fā)送、接收以達(dá)到遙測(cè)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(cè)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(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)化為電容量的變化.再經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn) 換為電壓、電流或頻率以達(dá)到檢測(cè)或控制的目的。在過(guò)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(cè)量；現(xiàn)在多用于壓力、壓差、液 位、成份含量等方面的測(cè)量。電容式傳感器的特點(diǎn)是：測(cè)量范圍大；靈敏度高；動(dòng) 態(tài)響應(yīng)好；小功率、

7、高阻抗；機(jī)械損失??；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)量分為位移、壓力、應(yīng)力、濕度、溫度等類型。VVTLVJ上。 W 丄 n圖1平板電容器其電容為:d S d A C r sssO=, 為極板間介質(zhì)介電函數(shù)，Os為真空介電常數(shù),7i6. 30=(pF/cm,r 是介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù).d s C r he6. 3=o當(dāng)即板間距離dA (令:A d=x)后的電容為(01xdSC-=o(OOOlOx dxCCCC

8、C _=_=這是實(shí)際非線性關(guān)系。靈敏度1 (00 x d x C C S n -=A=,當(dāng)x相對(duì)于do很小時(shí)可以近似為:00d x d 時(shí)，OdxCC=A,這是理想的線性關(guān)系。理想情況下：0dSn =非線性誤差：001(dxdxdLCCLCCSCCef=-=AA-A=圖2變極距型傳感器的特性曲線由上述可知.可以通過(guò)提高靈敏度和減小非線性誤差的方法來(lái)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(chǎng)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(lái)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。P1圖3運(yùn)算放大器式電路原理圖

9、圖4P1圖3運(yùn)算放大器式電路原理圖圖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(cè)量電路原理圖如圖13所示，圖中Cx為電容式傳感器 電容；U1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=sS/d）由運(yùn)算放大器工作原理可得dSCUUi此式說(shuō)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(cè)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。現(xiàn)以電容壓力傳感器為例說(shuō)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

10、上的金屬鍍層為固定電極，構(gòu)成差動(dòng)電容器。當(dāng)被測(cè)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(cè)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(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)量，電容式傳感器一般用金屬作電極，以無(wú)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(chǎng)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(guò)載等；能測(cè)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

11、的作用能量極小，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(cè)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(cè)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(lái) 解決輸入能量低的問(wèn)題.如測(cè)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0.001 gm,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(wú)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(cè)量、具有平均效應(yīng)如回轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)或

12、偏心、小型滾珠軸承的徑向間隙等.采用非接觸測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量精度，因此對(duì)電纜的選 擇、安裝、接法都要有要求。電容式

13、傳感器可用來(lái)測(cè)量直線位移、角位移、振動(dòng)振幅(測(cè)至0.05pm的微小振 幅，尤其適合測(cè)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(lái)測(cè)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(cè)量電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等。在自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中也常常用來(lái)作 為位置信號(hào)發(fā)生器。電容式液位傳感器是利用被測(cè)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(cè)非導(dǎo)電液體的電容式傳感器。它是通過(guò)將被測(cè)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(cè)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(cè)非

14、電物理量轉(zhuǎn)換為電容量的原理進(jìn)行測(cè)量的，它在 工業(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(cè)。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(cè)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(cè)量的場(chǎng) 厶 O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，

15、吸附水分的多少隨環(huán)境濕度而變 化由于水分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(cè)例如， 聚苯乙烯薄膜濕敏電容.通過(guò)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

16、量小、便于制造、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(guó)外生產(chǎn)濕敏電容的主 廠家有Hunmel公司、Philips公司、Siemens公司等。以Himmel公司生產(chǎn)的 SH1100型濕敏電容為例.其測(cè)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 163pF202pF。溫度系數(shù)為0.04pF/C，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OCC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(wèn)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 l=k 1C 1,式中11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(CO+AC ,式中 (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25C時(shí)的電容值,pF: AC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 o調(diào)節(jié)可變電阻器R P使得在相對(duì)濕度0%RH時(shí)(25C,t 1=

18、2即k 1C l=kCO,當(dāng) 濕度增加時(shí),12增加，U 3的脈沖寬度t 3=t2-1 l=kAC即t 3與AC成正比，也即與相 對(duì)濕度期成正比。通過(guò)測(cè)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TO,測(cè)量t 3的脈沖寬度、通過(guò)查表法得到相應(yīng)的相對(duì)濕度%RHO單片機(jī)采用Plulips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、工作時(shí)鐘頻率為460.8kHz。2.2濕敏電容器

19、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(zhǎng)時(shí)間下快速脫濕，高可靠性.長(zhǎng)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(cè)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淇中，濕度和脈沖 寬度的真值表是以DM500高精度SAW濕度/露點(diǎn)測(cè)量?jī)x對(duì)所設(shè)計(jì)的傳感器進(jìn)行標(biāo) 定。根據(jù)測(cè)得的脈沖寬度通過(guò)查表方式求得相應(yīng)的濕度同時(shí)，根據(jù)測(cè)得的環(huán)境溫 度，查得對(duì)應(yīng)的修正值，綜合兩

20、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(cè)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(cè)到上位機(jī)的信號(hào)后，將最近一次得測(cè)量值向上位機(jī)傳送。2.4測(cè)試結(jié)果以DM500高精度SAW濕度/露點(diǎn)測(cè)量?jī)x與所設(shè)計(jì)的傳感器對(duì)同一試樣進(jìn)行對(duì) 比測(cè)量結(jié)果見表1：表1相對(duì)濕度（RH）由于單片機(jī)的測(cè)量精度為:式中OSCF為晶振頻率，MHz,由于6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(cè)試結(jié)果中可以看出，該傳感器的測(cè)量精度可以達(dá)到%5.2以內(nèi)。經(jīng) 測(cè)試，該智能電容式濕度傳感器符合HART的技術(shù)規(guī)范