传感器原理课程设计---电容式湿敏传感器的设计.doc

jinggangshan university传感器原理及应用课程设计题目：电容式湿敏传感器的设计姓 名： dwz 班 级： 10电信本（1）班 学 号： 1234567 完成时间： 2012.6.10 摘 要 近年来电容式传感器的应用技术有了较大的进展，它不但广泛的用于位移，振动，角度，加速度等机械量的精密测量，而且还逐步应用于压力，差压，液面，成分含量等方面的测量。由于电容测微技术的不断完善，作为高精度非接触式测量工具，电容式传感器被广泛应用于科研和生产加工过程中。随着电子工艺集成度的提高，电容式传感器在非电测量和自动检测中的应用越来越广泛。 70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。 利用电容式传感器的特点和在设计电路中的表现，设计了其在湿度测量方面的应用。电容式湿度传感器是以高分子湿度湿敏元件电容器为基本感湿元件，利用单片机对测量结果进行分析处理、显示和远距离传输。本电路由电容式湿度传感器其硬件电路有失敏电容器，转换电路，e2prom，单片机，调制解调器及波型滤波器等组成。测量准确度达2.5%，在测量相对湿度方面可以有很好的应用。关键词：电容式传感器，电容式湿度传感器，转换电路，相对湿度前言 人工气候室是在环境试验、科学研究（诸如种养殖、植保、组培、生物工程）等领域应用广泛的实验设备。它能模拟自然界的各种气象条件,按照实验要求精确控制室内的温度、湿度、光照以及co2等指标,复现各种气候环境。为研究不同物种的生长、发育、生理、生化过程创造了环境条件。因此,人工气候室广泛应用在科研、现代农业、医药、冶金、化工、林业、环境科学及生物遗传工程等领域。 在人的日常生活中,人的居住空间也是一个人工环境。空气污染,直接威胁人的身体健康;噪音污染,影响人的情绪、工作、休息、饮食,可以导致神经衰弱;温度过热、过冷,导致人的不适,耗费电能;空气过湿,将使人们感到沉闷和窒息;空气过燥,又会使人的口腔感到不适,甚至可能发生咽喉炎等疾病。如果能系统自动控制这个最常见的空间,人的生活将更舒适。所以说,这是一个很有发展前途的课题,国内外学者已经进行了相关系统的研制3、 5。本文也就其中最难测量的物理量湿度进行研究。1绪论1.1 传感器简介传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。它一般由三不服组成：敏感元件，转换元件和测量电路。敏感元件感受被测量，转换元件将响应的被测量转换成电参量，测量电路吧电参量接入电路转换成电量，传感器的核心部分是转换元件，转换元件决定传感器的工作原理。如图1-1-1：传感器的组成敏感元件转换元件基本电路 图1-1-1：传感器的组成可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。传感器静态特性传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。 （1）线性度：指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。 （2）灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。用s表示灵敏度。 （3）迟滞：传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。 （4）重复性：重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。 （5）漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。图1-1-2是传感器的几种直线拟合方法：理论拟合 过零旋转拟合 端点连线拟合 图1-1-2 几种直线拟合方法 传感器的动态特性：是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。新型传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。微型化是建立在微电子机械系统(mems)技术基础上的，目前已成功应用在硅器件上做成硅压力传感器。1.2 电容式传感器电容式传感器是把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器（如图1-2-1）。若忽略边缘效应，平板电容器的电容为a/，式中为极间介质的介电常数，a为两电极互相覆盖的有效面积,为两电极之间的距离。、a、 三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。图1-2-1 图1-2-2 变介质型电容式传感器电容式传感器也常常被人们称为电容式物位计，电容式物位计的电容检测元件是根据圆筒形电容器原理进行工作的，电容器由两个绝缘的同轴圆柱极板内电极和外电极组成，在两筒之间充以介电常数为e的电解质时，两圆筒间的电容量为c=2el/lnd/d，式中l为两筒相互重合部分的长度；d为外筒电极的直径；d为内筒电极的直径；e为中间介质的电介常数。在实际测量中d、d、e是基本不变的，故测得c即可知道液位的高低，这也是电容式传感器具有使用方便，结构简单和灵敏度高，价格便宜等特点的原因之一。图1-2-3电容传感器常用的测量电路主要有桥式电路、调频电路、脉冲宽度 制电路、运算放大器电路、二极管双t 形交流电桥和环行二极管充放电法等，不同电路各有特点，适用不同参数测量的场合。通常电容式传感器中的电容值变化都很微小。感应被测量后其输出电信号微弱，不能直接显示记录，必须借助转换电路，将电容变化转换为电流、频率等信号进行传输、显示。桥式电路 图1-2-4 交流电桥的多种电路形式调频电路调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分,当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。虽然可将频率作为测量系统的输出量，用以判就发生变化。虽然可将频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此必须加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。脉冲电路 1-2-5 差动脉冲调宽电路原理 上图为差动脉冲调宽电路原理图，图中c1、c2为差动式传感器的两个电容，若用单组式，则其中一个为固定电容，其电容值与传感器电容初始值相等；a1、a2是两个比较器，ur为其参考电压。下图为差动脉冲调宽电路各点波形图，（a）图为cx1=cx2时电路各点输出波形，（b）图为cx1cx2时电路各点的波形图。 图1-2-6 差动脉冲调宽电路各点波 电容器传感器的优点是结构简单,价格便宜，灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。 1.3 湿度传感器 湿度是表示空气中水蒸气的含量的物理量，常用绝对湿度、相对湿度、露点等表示。所谓绝对湿度就是单位体积空气内所含水蒸气的质量，也就是指空气中水蒸气的密度。一般用一立方米空气中所含水蒸气的克数表示，即为ha=mv / v ，式中，mv 为待测空气中水蒸气质量，v 为待测空气的总体积。单位为g / m3 。相对湿度是表示空气中实际所含水蒸气的分压（pw ）和同温度下饱和水蒸气的分压（pn ）的百分比，即ht=（pw / pn ) tx 100 % rh。通常，用rh 表示相对湿度。当温度和压力变化时，因饱和水蒸气变化，所以气体中的水蒸气压即使相同，其相对湿度也发生变化。日常生活中所说的空气湿度，实际上就是指相对湿度而言。温度高的气体，含水蒸气越多。若将其气体冷却，即使其中所含水蒸气量不变，相对湿度将逐渐增加，增到某一个温度时，相对湿度达100 % ，呈饱和状态，再冷却时，蒸气的一部分凝聚生成露，把这个温度称为露点温度。即空气在气压不变下为了使其所含水蒸气达饱和状态时所必须冷却到的温度称为露点温度。气温和露点的差越小，表示空气越接近饱和。随着湿度的增加，高分子溶胀，内部自由体积增加，载流子增多，同时高分子聚电解质反离子的活化能降低，迁移率提高，材料的阻抗下降。反之，当环境湿度变小时，水分子从离子聚合物中脱出，使材料电阻增大。通过测定其阻抗的变化，就可以监测环境中相对湿度的大小。湿度传感器作为一种重要的化学传感器，在仓贮、工业生产、过程控制、环境监测、家用电器、气象等方面有着广泛的应用。通常，理想的湿敏传感器的特性要求是，适合于在宽温、湿范围内使用，测量精度要高；使用寿命长，稳定性好；响应速度快，湿滞回差小，重现性好；灵敏度高，线形好，温度系数小；制造工艺简单，易于批量生产，转换电路简单，成本低；抗腐蚀，耐低温和高温特性等。陶瓷湿敏传感器是近年来大力发展的一种新型传感器。优点在于能耐高温，湿度滞后，响应速度快，体积小，便于批量生产，但由于多孔型材质，对尘埃影响很大，日常维护频繁，时常需要电加热加以清洗易影响产品质量，易受湿度影响，在低湿高温环境下线性度差，特别是使用寿命短，长期可靠性差，是此类湿敏传感器迫切解决的问题。 当前在湿敏元件的开发和研究中，电阻式湿度传感器应当最适用于湿度控制领域，其代表产品氯化锂湿度传感器具有稳定性、耐温性和使用寿命长多项重要的优点，氯化锂湿敏传感器已有了五十年以上的生产和研究的历史，有着多种多样的产品型式和制作方法，都应用了氯化锂感湿液具备的各种优点尤其是稳定性最强。 氯化锂湿敏器件属于电解质感湿性材料，在众多的感湿材料之中，首先被人们所注意并应用于制造湿敏器件，氯化锂电解质感湿液依据当量电导随着溶液浓度的增加而下降。电解质溶解于水中降低水面上的水蒸气压的原理而实现感湿。1.4 电容式湿度传感器电容式湿度传感器是以高分子湿度湿敏电容器为基本感湿元件,利用单片机对测量结果进行分析处理、显示和远距离传输,测量准确度达2.5%。湿敏元件湿敏电阻：湿敏电阻器是采用有机高分子膜涂敷在带有导电电极陶瓷衬底上,形成阻抗随相对湿度变化成对数变化的一种新型的湿度敏感元件，应用原理为水分子的存在影响高分子膜内部导电离子的迁移率。具有感湿范围宽、抗水性好、响应迅速、抗污染能力强、一致性好，稳定、低漂移、高精度、高可靠，耐水性好，无需加热清洗及长期使用性能稳定可靠等诸多特点，有很宽广的使用范围。 图1-4-1湿敏电容：湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。国外生产湿敏电容的主厂家有humirel公司、philips公司、siemens公司等。以humirel公司生产的sh1100型湿敏电容为例，其测量范围是（1%99%）rh，在55%rh时的电容量为180pf（典型值）。当相对湿度从0变化到100%时，电容量的变化范围是163pf202pf。温度系数为0.04pf/，湿度滞后量为1.5%，响应时间为5s。高分子电容式湿敏元件：湿度测量和控制广泛应用于日常生活和工业过程,高分子电容式湿度传感器具有响应速度快、线性好、重复性好、测量范围宽、尺寸小等优点。高分子电容式湿敏元件的结构如图所示，这种湿敏元件基本上是一个电容器，在高分子薄膜上的电极是一层很薄的金属微孔蒸发膜发膜，水分子可通过两端的电极被高分子薄膜吸附或释放，这样使异致高分子薄膜介电常数发生相应的变化。因为介电系数随空气相对湿度变化而变化，所以只要测定电容值c的大小便可测得相对湿度。图1-4-2c=s/d式中:-高分子薄膜的介电常数;d-高分子薄膜的厚度;s-电极的面积目前大多数采用醋酸丁酸纤维素作为高分子薄膜材料，这种材料制成的薄膜吸附水分子后,不会使水分子之间相互作用，尤其在采用多孔金电极时，可使元件具有响应速度快，无湿滞等特点。高分子电容式湿敏元件的电容值与相对湿度的关系如图所示。图1-4-3上表列出了rsm-1型和rhs 型湿敏电容器的主要特性参数。它们具有线性度好、精度高、体积小、响应快、使用方便以及性能稳定等特点。它们适用于气象、航天航空、国防工程、电子、纺织、烟草、粮食、医疗卫生以及生物工程等各个领域的湿度测量和控制。2 电路设计2.1 高分子电容型湿敏元件应用及其电路 高分子电容型温敏元件的应用电路如图2-1-1所示。它由两个时基电路ic1、ic2 组成。ic1及外围元件组成多谐振荡器，主要产生触发ic2的脉冲。ic2和电容型湿敏元件及外围元件组成可调宽的脉冲发生器，其脉冲宽度将取决于湿敏元件的电容值的大小。调宽脉冲从ic2的脚输出，经r5、c3 滤波后成为直流信号输出。它正比于空气的相对湿度，其灵敏度为2mv/%rh 。高分子电容型湿敏元件应用电路图2-12.2半导体陶瓷湿敏元件及其电路图湿敏电阻的电阻-相对湿度特性曲线如图2-1-2所示。图2-2-1电阻-湿度特性曲线 图2-2-2图2-2-2是这种湿敏元件应用的一种测量电路。图中r为湿敏电阻，为温度补偿用热敏电阻。为了使检测湿度的灵敏度最大，可使r=。这时传感器的输出电压通过跟随器并经整流和滤波后，一方面送入比较器1与参考电压u1比较，其输出信号控制某一湿度；另一方面送到比较器2与参考电压u2比较，其输出信号控制加热电路，以便按一定时间加热清洗。2.3 金属氧化物湿敏元件应用电路金属氧化物湿敏元件由于电阻值与相对湿度的特性为非线性，而且存在着温度系数，因此它们在使用中存在互换性差。温敏元件的这种特性，要求在电路设计中必须考虑线性化处理和温度补偿问题，如若不然，将会使测量误差增大到无法使用的地步。具有线性化处理及温度补偿功能的金属氧化物温敏元件应用电路框图 图2-3-1具有线性化处理及温度补偿功能的金属氧化物温敏元件实际应用电路2-3-2在图2-3-2中，由ic1及外围元件组成低频振荡器在它的反馈回路中串有两个led发光二极管vd2、vd3，以提高振荡幅值的稳定性。振荡器可输出频率为900hz、1.3v的正弦波信号，作为湿敏元件的工作电压源。 ic2与外围元件组成对数压缩电路，它是利用硅二极vd4、vd5正向电压与电流成对数关系的特性来实现对数压缩的，从而实现续性化处理，用来补偿湿敏元件的非线性。由于硅二极管vd4、vd5具有-2mv/的温度特性，所以可以对湿敏元件起到一定的温度补偿作用，但这种补偿是初步的，可能过大或过小。为了得到精确的补偿效果，在由ic4组成的放大电路中，设置了由vd8及rp1等组成的温补电路，通过调节rp1，可获得理想的温度补偿。ic3组成整流电路，整流后的直流电压经ic4放大后输出。2.4 hs1101湿度测量电路hs1101在电路中相当于一个电容器件，它的电容量随着所测空气湿度的增加而增大，为了能将电容的变化转换成电压的变化，我们设计了振荡电路、消除零点电容影响电路、整流电路、积分电路、电压电流转换电路、放大电路等，其工作原理简图如图2 所示。 图2-4-13 湿敏传感器的主要特性参数 1湿度量程即感湿范围。全湿度范围用相对湿度（0100）%rh表示，理想情况：0100%rh；一般情况：595%rh。2感湿特性曲线每种湿度传感器都有其感湿特征量，如电阻、电容等，通常用电阻比较多。以电阻为例，在规定的工作湿度范围内，湿度传感器的电阻值随环境湿度变化的关系特性曲线，简称阻湿特性。有的湿度传感器的电阻值随湿度的增加而增大，这种为正特性湿敏电阻器，如fe3o4湿敏电阻器。有的阻值随着湿度的增加而减小，这种为负特性湿敏电阻器，如tio2sno2陶瓷湿敏电阻器。对于这种湿敏电阻器，低湿时阻值不能太高，否则不利于和测量系统或控制仪表相连接。感湿特征量：湿度变化所引起的传感器的输出量（电阻、电容、电压、频率等）。感湿特性曲线：感湿特征量与环境湿度关系。一般要求：全量程连续、线性、斜率适当。3感