（测试计量技术及仪器专业论文）基于dsp技术的湿度传感器测试系统硬件设计及固件开发.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 基于d s p 技术的湿度传感器测试系统 硬件设计及固件开发 摘要 湿度是我们日常生活中经常接触的物理量，湿度的检测需要采用湿度传 感器来进行。在我国，各行各业对湿度传感器的需求量很大，但是测试的低 效率限制了产量的进一步提高。因此如何解决传感器的自动批量测试问题成 为制约生产效率提高的主要因素。 本文介绍了电容式湿度传感器复数电压法测量原理，建立了基于d s p 技 术的湿度传感器复数电压法测量模型，并将此模型应用于电路设计，简化了 电路，减少了误差环节，为实现高精度快速测量提供了理论依据。 本文设计了湿度传感器的测试系统，使用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为主控器 件对硬件电路设计；利用高速s p i 接口的d a 芯片m a x 5 7 2 2 产生正弦波：利 用u s b 接口芯片p d i u s b d l 2 进行高速u s b 总线传输；利用数字电子开关 c d 4 0 5 1 进行多路通道选择设计，增强了系统的灵活性、适应性与扩展性。 本系统实现了3 2 路电容式湿度传感器的性能参数电容值f o 和品质因数 值( q ) 的高精度、高速测量，在对3 0 l o o p f 的电容性元件进行测量时，其引 用误差为0 2 。该系统的实现解决了湿度传感器生产过程中检测误差大和 速度慢的问题，也为组建其它类似的检测系统提供了可以借鉴的方法和系统 构架。 关键词d s p ；u s b 总线；湿度传感器；复数电压 譬釜鎏：三銮兰王兰璧圭兰堡薹蚤 h a r d w a r e d e s i g n a n df i r m w a r e d e v e l o p m e n to f h u m i d i t y a b s t r a c t h u m i d i t yi sap h y s i c sq u a n t i t yt h a ti so f t e ne n c o u n t e r e di no u rd a i l yl i f e t h eh u m i d i t ym e a s u r e m e n ti sa c c o m p l i s h e db yt h eh u m i d i t ys e n s o ni no u r c o u n t r y , t h e r ei s av e r yh i g hd e m a n df o rh u m i d i t ys e n s o ri ne v e r yf i e l d b u tt h e l o we f f i c i e n c yo ft h em e a s u r e m e n tr e s t r i c t st h ef u r t h e rg r o w t ho ft h ep r o d u c t i o n t h e r e f o r e ，h o wt os o l v et h ep r o b l e mo fa u t o m a t i cb a t c hm e a s u r i n gb e c o m e st h e c h i e ff a c t o rt h a tr e s t r i c t st h ei m p r o v e m e n to f p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y t h ep a p e ri n t r o d u e e dt h em e a s u r e m e n tt h e o r yo fc a p a c i t i v eh u m i d i t ys e n s o r c o m p l e xn u m b e rv o l t a g e a n de s t a b l i s h e sh u m i d i t ys e n s o rc o m p l e xn u m b e r v o l t a g em e a s u r em a t h e m a t i c sm o d e lb a s e do nd s pt e c h n o l o g yw h i c hi su s e di n c i r c u i td e s i g nt os i m p l et h ec i r c u i ta n dr e d u c et h ee r r o rs e g m e n t a l lo ft h e s e w e r ep r o v i d e dat h e o r yt or e a l i z a t i o nh i g hp r e c i s i o na n dh i g hs p e e dm e a s u r e m e n t t h e p a p e r d e s i g n sh u m i d i t y s e n s o rm e a s u r e s y s t e m w h i c hu s e s t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 aa st h em a i nc o n t r o ld e v i c et or e a l i z eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n ； u s i n gh i g hs p e e ds p ii n t e r f a c ed ac h i pm a x 5 7 2 2b r i n gs i n ew a v e ；u s e su s b i n t e r f a c ec h i p p d i u s b d l 2 f o r h i g hs p e e d b u sc o m m u n i c a t i o n a n d u s e s d i g i t a l e l e c t r o n i cs w i t c hc d 4 0 51f o rm u l t i r o u t ec h a n n e l ss e l e c t i o nd e s i g n t h e ya r e i m p r o v e da g i l i t y , a d a p t a b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t yo f t h es y s t e m t h es y s t e ma c c o m p l i s h e st h em e a s u r e m e n to fc a p a c i t a n c e ( oa n dq u a l i t y f a c t o r ( 9o ft h e3 2 一r o u t ec a p a c i t i v eh u m i d i t ys e n s o rw i t hh i g hs p e e da n dh i g h a c c u r a c y i nt h em e a s u r e m e n t o f3 0 - 1 0 0 p fc a p a c i t a n c e t h eq u o t ee r r o ri s0 2 t h ea c c o m p l i s h m e n to ft h i ss y s t e mn o to n l ys o l v e st h ep r o b l e mo fh i g he r r o ra n d l o ws p e e di nt h ep r o c e s so fp r o d u c i n gh u m i d i t ys e n s o rb u ta l s op r o v i d e s r e f e r e n c eo fm e t h o da n ds y s t e mf r a m ef o rd e s i g n i n gs i m i l a rm e a s u r es y s t e m k e y w o r d sd s p ；u s bb u s ；h u m i d i t ys e n s o r ；c o m p l e x n u m b e rv o l t a g e i i 1 。1 课题背景 第1 章绪论 现代信息技术的三大支柱是传感器技术、通讯技术、计算机技术，它们分 别构成了信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”【1 【2 1 。传感器技术是信 息社会的重要技术基础，传感器的数量、质量直接决定了信息技术系统的功能 和质量。传感器作为捕捉信息的器件，在高度信息化社会的科学技术发展中占 有重要的地位。 传感器发展的总趋势是集成化、多功能化、智能化和系统化。传感器领域 的主要技术正在现有基础上延伸和提高，加速新一代传感器的开发和产业化。 微电子技术，大规模集成电路技术、计算机技术，光电子技术，超导电子等新 技术的发展，均为加速研制新一代传感器提供了发展的条件。 当今世纪是人类全面进入信息电子化的时代，随着人类探知领域和空间的 拓展，使得人们需要获得的电子信息种类日益增加，需要信息传递的速度加 快，信息处理能力增强，因此要求与此相对应的信息采集技术一传感技术必须 跟上信息化发展的需要。它是人类探知自然界信息的触觉，为人们认识和控制 相应的对象提供条件和依据。作为现代信息技术的三大核心技术之一的传感技 术，将是当今世界各国在高新技术发展方面争夺的一个重要领域 3 】 4 】 “。 传感器是流程自动控制系统和信息系统的关键基础之器件，其技术水平直 接影响到自动化系统和信息系统的水平，自动化技术水平越高，对传感器技术 依赖程度越大。在信息社会中，人们为了推动社会生产力的发展，需要用传感 器来检测许多非电量信息，如力、压力、流量、速度、温度、湿度以及生物量 等等。不难看出，传感器技术是涉及国民经济及国防科研各领域的重要技术。 一些早己形成传感器产业的发达国家已经把传感器技术作为重点技术加以发 展。 湿敏传感器属于敏感类传感器，目前世界年产湿度传感器的数量是非常大 的，我国的产量也是可观的，仅气象、环保、纺织、生化等行业需求量就很大， 另外农业、食品、木材、煤炭等对湿度传感器的需求也在不断增加。 1 2 湿度测量在生产生活中的应用及意义 空气湿度与人类关系密切。人t i 的日常生活和生产活动以及动植物的生长 和生存，都与周围环境的湿度息息相关，从日常生活、家电、交通、到医疗、 气象、工农业都需要进行湿度测量。如：为防止库中的食品、武器弹药、金属 材料等物品霉烂、生锈必须保证在于燥的环境中；而水果、种子、肉类等又需 要保证在一定湿度的环境中，这些都须对湿度进行测量与控制6 1 。茶叶、烟草 等加工，各类纺织企业更离不开对湿度的控制。在家电上湿度测量广泛应用于 空调机、微波炉、摄像机等电器。在农业生产中也大有作为，果园、大棚蔬菜 ( 蔬菜大棚的湿度需控制在7 0 r h 以上) 等种植都需对湿度进行监控。 随着科学技术的发展，对湿度控制需求越加迫切，要求湿度传感器向微型 化和集成化方向发展，同时要求传感器抗污染。对环境湿度的控制将直接影响 产品质量和产品的成败问题。如纺织厂的棉纱质量与湿度有直接关系，湿度要 进行控制。纺织工业加工原料主要是纤维材料，纤维材料具有吸湿的特性，吸 湿量多少与环境空气的湿度有关。因此，随着工农业，国防、科技及整个国民 经济的迅猛发展，对环境湿度豹控制和检测越来越受到人们的重视，市场也越 来越大。 1 3 课题相关领域发展现状 1 3 1 湿度传感器及敏感元件发展现状 传感器属于多学科交叉、技术密集的高技术产品，其技术水平决定于科学 研究的水平，而我国在传感器研究方面科研投资强度偏低，科研设备落后，加 之我国存在科研和生产脱节的现象，所以影响了传感器科研成果的转化，造成 了我国传感器产品综合实力较低，阻碍了传感器产业的发展。 高分子湿度传感器的研究始于1 9 3 8 年，由美国的达姆( fw ，d u m m o r e ) 在 金属丝状电极的上面浸涂一层聚乙烯醇和氯化锂的混合感湿膜，而研制出的浸涂 式氯化锂湿度传感器。此后，电解质、有机高分子、各种感湿材料组成的传感器 相继出现。自从1 9 7 8 年芬兰v a i s a l a 公司成功地研制了h u m i c a p 以来，高分子 湿度传感器优异性能在国际上获得了越来越多领域的承认，特别是湿度量程宽、 响应时间短、湿滞回差小、制作简单、成本低等优点，成为其它湿度传感器激烈 哈尔滨理丁大学工学硕士学位论文 的竞争对手。在气象、纺织、集成电路生产、家用电器、食品加工及蔬菜保鲜 等方面得到了广泛的应用。我国从1 9 8 0 年开始研制高分子湿度传感器。随着 应用的深入和扩大，我国研制的高分子湿度传感器的某些性能已得到了很大的提 高，有的接近或赶上了国外有的厂家生产的湿度传感器。 敏感元件与传感器发展的总趋势是集成化、多功能化、智能化和系统化。 传感器领域的主要技术正在现有基础上予以延伸和提高，加速新一代传感器的 开发和产业化，可以预期 7 ： 1 微机械加工技术( m e m t 技术) 将高速发展，成为新一代微传感器、 微系统的核心技术，是2 l 世纪传感器技术领域中带有革命性变化的高新技 术。它不仅可以制成简单的三维结构，而且可以做成三维运动结构与复杂的力 平衡结构。采用m e m t 技术形成的微传感器和微系统，具有划时代微小体 积、低成本、高可靠等独特的优点。 2 新型敏感材料将加速开发，微电子、光电子、生物化学、信息处理等各 种学科，各种新技术的互相渗透和综合利用，可望研制出一批先进传感器。 3 传感器应用领域得到新的拓展，二次传感器和传感器系统的比例大幅度 增长，集成化、智能化传感器与变送器将会呈现畅销势头。 1 3 2 数据采集及传感器测试技术现状 数据采集技术( d a t aa c q u i s i t i o n ) 是信息科学的一个重要分支，它研究信息数 据的采集、存贮、处理以及控制等作业。在智能仪器、信号处理以及工业自动 控制等领域，都存在着数据的测量与控制问题。将外部世界存在的温度、压 力、流量、位移以及角度等模拟量( a n a l o gs i g n a l ) 转换为数字信号( d i g i m i s i g n a l ) ，再收集到计算机并进一步予以显示、处理、传输与记录这一过程， 即称为“数据采集”。相应的系统即为数据采集系统( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ， 简称d a s ) 。 数据采集系统的任务：采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别 的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处 理，得出所需的数据。与此同时，将计算得到的数据迸行显示或打印，以便实 现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统 用来控制某些物理量。 随着电子计算机的广泛应用，社会的数字化程度越来越离，数据采集也随 之越来越重要。数据采集技术在许多场合，如航天、航空、通信、交通、邮电 。 。，； 些耋篓耋三銮= 三耄堡圭兰篓篁塞 。 等都得到了大量的应用。传感器输入信号可以是模拟信号( 如温度、压力、电 阻、电压、电流、应变等) ：也可以是数字信号( 如开关状态监测、事件捕获、 测频计数等) ，测量结果经模块内部a d 转换后用r s 4 8 5 通讯方式经屏蔽双绞 线送至主计算机进行采集，用户可根据需要采用相应的软件对采集到的信号进 行处理。 1 3 3 d s p 技术的应用状况 d s p 的发展己有2 0 年历史了，d s p 芯片己达到相当高的水平，每天都有 新的d s p 应用产品开发成功并走向市场，成为i t 产业中蛀活跃的领域。今天 绝大部分d s p 的开发工具和d s p 应用产品并不是d s p 芯片厂自己创造和研兖 的，d s p 芯片制造商的主要注意力放在改进芯片设计、改革制造工艺，想法提 高运算速度、增加功能、降低功耗、减小成本等方面，而不可能再花大力气去 从事开发工具、应用软件和实际应用系统的研发。现在国际上已形成包括d s p 芯片设计、制造，d s p 开发工具研制生产，应用和咨询共同组成的产业链。全 球有5 万多客户选用t i 定制的软件开发环境，使他们能非常容易地将d s p 综 合到他们的系统中去。围绕d s p 周边的业务就由许许多多趵称为第三方 ( t h i r dp a r t y ) 的小公司承担，t i 的t h i r dp a r t y 有6 5 0 多家公司，他们生产数 千种基于d s p 的产品。今天大多数d s p 应用产品都不是d s p 芯片制造商事先 设计好的，很多甚至是从未想到过的，都是数以千计的小公司在寻找各种各样 的商机、开发新的软件和新的产品，为今天的人类提供琳琅满目的数字化产 品。 当前d s p 主要应甭已经广泛十分广泛应用于：宽带i n t e r a c t 、无线通信系 统、数字消费电子和汽车电子等等。而且d s p 的应用领域仍在不断地扩大， 发展迅速异常。 1 3 ，4 通讯技术方式 针对p c 机恧言。主要刍通讯方式有3 种：r s 一2 3 2 串行总线，u s b 接口 和并行接口，其中使用最常见，也是最方便的是前两者。 1 r s - - 2 3 2 串行通信总线 r s - - 2 3 2 串行通信是由美国电气工业学会( e i a ) 1 9 6 9 年推荐的，是目前 常使用的串行通信总线接口，在异步串行通信中应用最广。标准串行接口的电 气特性，有满足可靠传输时的最大通信速度和传输距离指标。这两个指标之间 4 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 具有相关性，适当降低通信速度，可以提高通信距离，反之亦然。它标准的信 号传输速率最高只能达到2 0 k b s ，最大传输距离仅为1 5 米。 r s 2 3 2 采用与一般微处理器、单片机不同的逻辑电平。它的逻辑0 规定为 + 5 + 1 5 v 之间，逻辑1 电平为一5 一1 5 v 之间。在实际应用中需要进行微处理 器和r s 一2 3 2 间信号电平的转换。 2 通用串行总线u s b 当今的计算机外部设备都在追求高速度和高通用性，为了满足用户的需 求，以i n t e l 为首的七家公司( i n t e l ，c o m p a q ，m i c r o s o f t ，m m ，d e c ， n o r t h e r n ，t e l e c o m ) ，以及日本n e c 于1 9 9 4 年1 1 月推出了u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 通用串行总线协议的第一个草案，专用于低、中速的 计算机。外设u s b 可把多达1 2 7 个，外设同时连到用户的系统上，所有的外 设通过协议来共享u s b 的带宽其1 2 m b p s 的带宽，对于键盘、鼠标等低、中 速外设是完全足够的。在2 0 0 0 年发布的u s b 规范版本2 0 中，已经将u s b 支持的带宽提升到4 8 0 m b p s 。u s b 允许外设在主机和其它外设工作时进行连 接配置使用及移除，即所谓的即插即用p 1 u g & p l a y ，同时u s b 总线的应用可 以清除p c 上过多的i o 端口而以一个串行通道取代，使p c 与外设之间的连 接更容易。自从1 9 9 6 年2 月u s b 规范版本1 0 发布短短几年间u s b 不光成 为了微机主板上的标准端口，而且还成为了所有微机外设包括键盘、鼠标、显 示器、打印机数字相机、扫描仪和游戏柄等等与主机相连的标准协议之一，这 种连接较以往普通并口p a r a l l e lp o r t 和串口s e r i a lp o r t 的连接而占主要的优点 是速度高功耗低支持即插即用p l u g & p l a y 和使用维护方便捧】l 。 1 4 课题研究的目的和意义 传感器技术是信息社会的重要技术基础，传感器的数量、质量直接决定了 信息技术系统的功能和质量。湿敏传感器属于敏感类传感器，目前世界年产湿 度传感器的数量是非常大的，我国的产量也是可观的，仅气象、环保、纺织、 生化等行业需求量就很大，另外农业、食品、木材、煤炭等对湿度传感器的需求 也在不断增加。高分子电容式湿度传感器作为第三代湿敏传感器的代表，由于 其测湿范围竞、响应速度快、温漂小、稳定性好，使用方便等优点，己得到了 广泛的应用。 但市场并不意味着效益，如何提高生产效率，如何更有效地控制产品质量 和成本就成了能否占领市场的关键。然而我国在湿度传感器的生产上，制约其 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 批量生产和成本降低的关键因素之一是检测 1 。检测的低效率常使高效的工业 化产出不能转换为合格的市场商品，传统的检测仪器也不能得出有效的可靠性 和质量参数，更缺乏对多次检测的结果进行综合分析的能力，使我国产品缺少 与国外同类产品进行竞争的依据。所以需要有效地改进现有的测试方法，使现 有的测试方法适应工业化生产的需要。尤其利用最新的计算机技术、总线技 术、软件技术，在传统测试仪器的基础上，研制一套装置与分析仪器。这对于 提高湿度传感器的产量，控制元件的质量，提高产品的可靠性都具有十分重要 的意义，对湿度传感器的进一步研制与开发也提供了方便的分析工具。 ! ：垒耋型三查耋三兰堡兰釜篓耋 第2 章湿度传感器 最早的湿度测量主要利用毛发或纤维在不同湿度下其长度发生变化，随着 社会需要向高精尖领域的发展，尽管这种湿度测量方法仍在使用，但已远远不 能满足各种要求 1 ”。当今已很成熟的湿度测量方法有：利用伸缩、利用水的蒸 发、检测露点、检测物质的电特性、利用电磁波和利用吸收式等特殊功能与应 用领域的湿度测量传感器【1 2 】。 湿度测量中用到两个很重要的参数：绝对湿度和相对湿度，绝对湿度是指 单位体积湿气中水蒸气的质量。相对湿度是指湿气中水蒸气的摩尔分数与相同 温度和压力条件下饱和水蒸气的摩尔分数之百分比。 根据湿度测量原理的不同，将湿度传感器给与不同的分类。 2 1 伸缩式湿度传感器 根据伸缩式湿度传感器测定的选材，可分为毛发性和尼龙丝型湿度传感 器。毛发湿度传感器是利用脱脂毛发的线性尺寸随环境起的水汽含量而变的原 理制成。尼龙丝湿度传感器是利用其线性尺寸的变化与气体中湿度之间的关系 来确定气体的湿度。 伸缩式湿度传感器具有装置简单，使用方便等特点。若将伸缩式湿度传感 器与记录仪配套使用，则可以连续记录气体中的相对湿度。伸缩式湿度传感器 在常温测量中具有使用价值。但这种湿度传感器的精度不高，误差范围大约为 5 r h ，响应速度低，在吸湿与脱湿过程中有迟滞现象。实验证明，湿度在 9 0 以上时，毛发湿度计是不可靠的。湿度在1 0 以下时，其灵敏度也大大降 低。 2 2 蒸发式湿度传感器 蒸发式湿度传感器，一般称为干湿球湿度计，由两支完全相同的温度计组 成，一支称干球温度计，温泡暴露在空气中，测量环境温度，另一支温度计 用特殊纱棉包裹与水容器相连保持湿润，当湿球周围空气处于不饱和状态时， 湿球纱棉上的水分就不断蒸发，由于水分蒸发需要吸收热量，从而使湿球的温 度下降为l 。艺一兀= 丁为干湿差，则湿球吸收的热量根据定压比热计算 鉴至堡矍三奎茎三耋堡圭兰篓鎏耋 为： 龃，= 一c p 吖。( 瓦一0 ) 式中， c ，是以g 为质量单位的定压比热，m 。是空气的摩尔质量， g 水的蒸发潜热，则水蒸发需要的潜热是： 酿l = l m 。惦。一秘 ( 2 一1 ) 若是每 ( 2 2 ) 根据能量守恒定律，则有： 以= f( 2 3 ) 整理后可得： x = x 。一c 。m 。( c r 。) ( l m ，) 或x = g ：一一尸( t l ) ( 2 - 4 ) 式中爿= 了c p 等= 鲁，称为干湿球系数。 干湿球测湿法原理简单，但其测量受到风速、温度计本身准确度、大气压 力测量准确度等因素的影响，尤其是方程系数a 值，取决于仪器结构、使用条 件等多种因素的影响。因此对于干湿表的测量状况和湿度值计算方法必须十分 注意。 2 3 露点传感器 露点传感器是利用冷却方法使气体中的水汽达到饱和而结露，根据结露点 的温度来测量气体中的相对湿度。露点是流体的液相和气相平衡的温度点。在 露点上，只存在饱和水蒸气的一个值。因此，只要知道压力，便可根据此温度 确定绝对湿度。最常用的测量露点的方法是将欲测其温度的表面冷却，直到露 珠( 或雾) 初次冷凝其上为止，这是，立即读出表面温度。此时对于冷面上气 体的湿度，冷面将对应于唯一的温度，准确地测量此时冷面的温度，即为该气 体的露点温度”“。 测量露点的瞬时冷凝有光电法、电阻法和核子法等多种方法，其中光电法 应用得最为普遍。光电法要求冷凝表面的抛光达到与镜面一样的反射度。光束 射在镜上，一个或几个光传感器接收镜面反射的光，冷凝使反射到传感器的光 量发生突变( 参见图2 - i ) 。电阻法的冷凝器是在绝缘材料的表面上镶嵌金属电 极，发生冷凝时，表面的电阻就发生变化。核子法冷凝器中，d 或p 粒子辐射 源的位置与冷凝表面平齐。当辐射源上形成冷凝时，辐射检测器便测出粒子流 中的水滴。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 冷凝 图2 - 1 光电式冷凝露点检测 f i g 2 1p h o t o e l e c t r i c i t yt y p ec o n d e n s a t i o nd o td e t e c t i o n 感器 镜面 冷凝式光学露点仪的关键技术之一是镜面制冷。目前采用的制冷方式主要 是半导体制冷和液氮制冷两种。半导体制冷便于进行连续控制，可对冷凝结露 的过程进行连续测量，达到动态平衡后确定露点。液氮制冷成本低，实现容 易，测量周期短，当时存在的缺点是制冷过程不易做到连续，只能进行单次测 量。 2 4 电子式湿度传感器 电子式湿度传感器是利用一些物质的电特性与周围气体湿度之间具有一定 关系来确定气体的湿度。可分为电阻、电容、电解式，电阻与电容组合式，热 敏电阻式湿度传感器等。电子传感器配测湿仪器近年来发展极为迅速，应用领 域在逐步拓宽，如工业、农业、食品业、家庭生活、环境保护、医药卫生等领 域；测量范围有粮食存储、食品加工与存储、金属表面、药品、加工与存储、 工作间卫生间、房屋建筑、大气监测等湿度测定；便于远距离传感，特别适合 于自动控制系统中湿度的控制和监测。 2 。4 。1 电阻式湿度传感器 它是利用某些吸湿性能较好的物质吸附水汽后，其电阻率变化的原理来测 定相对湿度，一般在中湿度( 4 0 9 0 r h ) 使用电阻型湿度传感器。电阻式 湿度传感器根据所用的吸湿材料来分，有固体电解质湿度传感器、高分子有机 物湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器等。 固体电解质湿度传感器，它在无碱玻璃衬底上涂敷氯化锂电解质组成湿敏 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 电阻。这类传感器必须经常清污，而且耐热性能差，响应速度慢，故应用较 少。高分子有机物湿度传感器，它在氧化铝基片上印刷固化了一对梳齿状金电 极，金电极表面涂敷了一层感湿膜组成的。虽然结构简单，但迟滞现象严重， 故使用价值不大。半导体陶瓷湿度传感器，金属氧化物半导体陶瓷材料具有线 性和热稳定性好，抗污染能力强，响应时间短，寿命长，适用范围宽等优点因 而这类传感器发展很快、品种多，故特别适用于湿度的半自动测量。半导体陶 瓷湿度传感器有m g c r 2 0 4 t i 0 2 型和z n c r 2 0 4 系列，国产m s c i 和m s c i i 型湿度传感器均属f e 30 4 半导体陶瓷型。 2 4 2 电容式湿度传感器 电容式湿度传感器利用某些物质吸附水汽后，其电介系数发生变化，从而 引起电容量改变的原理工作。该元件的基本结构是在基片上镀上一层梳状金底 部电极，再涂上高分子感湿膜，然后在膜上面镀上另一层透水性好的金膜作为上 部电极。有的湿度传感器再盖上一层多孔网罩以增加抗污染能力，延长使用 命。 早期感湿膜多采用醋酸纤维素及其衍生物。目前大多采用的是醋酸丁酸纤 维素。电容型湿敏材料常见的还有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等感湿 材料。这类湿度传感器近十年研究得比较活跃，其主要优点是响应时问快，滞后 性小，在低湿处的灵敏度也高，稳定性好，制作简单，易于实现小型化和集成化。主 要缺点是抗高湿能力差，长期稳定性有待进一步研究。 电容式湿度传感器用的电介质通常有两类；高分子有机介质和陶瓷。近年 来，等离子体复合膜和玻璃陶瓷作为介质的电容式湿度传感器得到较快发展。 在低湿度下( 3 0 r h 以下) 适用电容型湿度传感器为宜【1 4 j 【”j 。 电容式湿度传感器的感湿机理是基于电极间的高分子感湿材料吸附环境中 的水分子时，其介电常数也随之变化，其电容量与环境中水蒸气相对压 ( e 只) 关系可由下式表示： c p u = e 0 毛詈( 2 - 5 ) 式中：岛为真空介电常数；s 。为相对湿度u r h 时高分子的介电常数； s 为电容式传感器有效电容面积；d 为高分子感湿膜厚。 其中 “= s r + a w e 2 0 氍= b ( p p 。) = b u ! 0 0 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 式中：s ，为相对湿度0 r h 时高分子的介电常数：n ，b 为常数；矽为相 对湿度u r h 时，高分子中吸附水的介电常数。 高分子湿度传感器在结构上等同于一个变介电参数的平板电容器，当被测 环境湿度变化时，感湿膜吸附水分子使电容器的介电参数增大。平板电容的数 学表达式如下所示： g ，= o + k u( 2 - 8 ) c 。= p 。s d = s 。s d + 而l s d( 2 9 ) 式中：s ，一材料在不同相对湿度下的介电常数； 矗一0 r h 介电常数； k 是常数： u 是相对湿度； c ，一是元件在不同相对湿度时的电容量； s 一下电极面积； d 一感湿膜厚度。 对于一个固定的元件，矗，s ，d 均可视为常数，可以设： k 1 = s b s dk z = k s | dt 2 - 1 0 ) 所以： c ，= k + k 2 u ( 2 1 1 ) 由上式可以看见，c ，与“呈线性关系，从而由元件电容量的大小，即可决 定环境中相对湿度的大小。 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。高分子电容型湿度传感器的典型产品有r s d 2 型，其响应即可测范围( o 9 9 r h ) 都很好，但在高湿度情况下连续使用易于劣化。 高分子电容型湿度传感器属三层式结构，即上层为方块电极金属膜层，中 间是聚酰亚胺膜，下层是叉指状电极金属膜层，采用半导体硅片作为衬底材料 1 6 】。薄膜电容式湿度传感器结构如图2 2 。薄膜电容式湿度传感器体积很小， 高分子感湿膜很薄，并且将感湿电容制在基板上，基板起支撑感漏电容、增加 机械强度的作用，可防止感湿膜伸缩及变形而使电容值发生变化，要求基板的 材质对水的反应是惰性的，可用玻璃等材料制作。在基板上，利用微电子技术 手段中的蒸金、光刻、腐蚀等技术，制成一对下电极。 下面以聚酰亚胺膜作介质的高分子电容式湿度传感器为例介绍一下高分子 电容式湿度传感器。利用了聚酰亚胺膜可逆的吸收和放出水分子使其介电常数 随之变化的工作原理。元件采用聚酰亚胺( p i ) 为感湿材料，是将聚酰贬胺酸( p ：a ) 哈尔滇理工大学1 i 学硕士学位论文 涂在基片上，经亚胺化后制成的。吸水后，其介电常数与环境的相对湿度具有 线性关系。p i 本身的介电常数很小，只有2 9 3 ，而水的介电常数在室温时为 8 0 。已有很多理论和经验公式来描述p i 和水复合物的介电性，并与试验结果 作详细比较，根据l o o y e n g a 的半经验关系式： s = 矿( 占一s 芦) + s 芦 3 ( 2 - 1 1 ) 式中的占、和s ，分别为复合物、p i 和水的介电常数，v 为p i 吸水的体 积百分数湿度越大，薄膜吸附的水分子越多，v 越大，复合物介电常数s 就增大，正是根据这一原理制成p i 薄膜电容式湿度敏感元件当然，在p i 薄 膜吸收或放出水分子时，也会引起薄膜厚度的变化，但因p i 膜很薄，薄膜厚 度的变化对电容值的影响比介电常数对电容值的影响要小得多，主要是介电常 数f 的变化引起电容值的改变 上电极 感湿膜 下电极 绝缘层基 硅基片2s i 0 2 氧化层3 下电极4 上电极弓f 出端 5 感湿膜6 上电极7 内引线 图2 - 2 元件结构 f i g 2 2t h ec o m p o n e n ts t r u c t u r e 聚酰亚胺是典型的高分子电容式湿度传感器，是有很大溶解性的高分子电 解质，其溶液对温度、浓度及湿度都敏感，浓溶液比稀溶液稳定，可在低温下 贮存较长时间。制备湿度传感器时，将聚酰亚胺调至合适浓度，成膜，并进行 臼口日臼 哈尔滨埋工大学工学硕+ 学位论文 脱水环化17 1 。而上电极的制作实际就是金属膜的制造，可以采用溅射、蒸镀、 化学镀、旋涂等方法，其制作工艺与半导体工艺兼容，制造工艺流程如图2 3 。 清蒸刻涂刻固蒸 洗镀蚀覆蚀化镀 、 + 下 + 下 感 _ 感 感 _ 上 氧电电湿湿湿 电 化极极膜膜膜极 刻划焊初老测 产 蚀接 口 口h 上 _ 、 _ _ 试 _ 入 电片封测练库 极装筛 图2 - 3 工艺流程图 f i g 2 3t e c h n i q u ep r o c e s sc h a r t 2 4 3 热敏电阻式绝对湿度传感器 以上所述湿度传感器主要测定相对湿度。热敏电阻式绝对湿度传感器用来 测定绝对湿度，它将热敏电阻的一端封入到干燥空气中，另一端暴露在大气 中，水蒸汽接触到能自加热的热敏电阻，就会产生温度差输出信号。在湿度变 化的空气中，使用检测绝对水分量的绝对湿度传感器精度较好。 2 5 其它类湿度传感器 2 5 1 电磁波湿度传感器 电磁波湿度传感器是利用某些物质吸附水汽后，振荡频率、传播速度、整 流特性等物理性能发生变化的原理来测定相对湿度。电磁波湿度传感器有晶振 篁垒篓矍三查兰三耋塑：耋竺篓耋 式、二极管型、微波式、声表面波湿度传感器等。应用于特殊领域。 晶振式湿度传感器，石英振子的共振频率取决于振子的形状、切向和电极 等组成的负载，在电极表面上涂敷吸收湿膜，在吸附水汽后，测出频率的变化 即可测出相对湿度值。二极管型，由p d z n o 组成的二极管型湿度传感器，其 整流特性随p d 吸湿程度而变，类似的湿度传感器还有s n 0 2 湿敏二极管。微波 式湿度传感器，利用水汽吸收微波并使微波传输损耗发生变化的原理制成。声 表面波湿度传感器，将吸湿性的聚合物薄膜涂敷在s a w ( 声表面波) 延时振 子上，利用聚合物薄膜吸收水汽使弹性波传播速度发生变化的原理制成。 2 5 2 吸收式、分压式、红外线等湿度传感器 吸收式湿度传感器是利用化学吸收剂或其它干燥剂，吸收湿气体中水蒸汽 直到完全干燥，然后铡出水分的重量即可直接求出气体的湿度。应用于湿度小 于1 0 r h 特殊环境中。分压式湿度传感器应用于湿度大于9 0 r h 特殊环境 中：红外线湿度传感器广泛应用于食品加工过程【1 8 】。 2 6 本章小结 本章介绍了各种传感器及其测量原理，重点阐述了电容式湿度传感器，讲 述了其感湿机理，感湿材料和应用场合，同时，本章还介绍了市场上出现的各 种湿度传感器，从干湿球湿度计、毛发湿度计和露点仪湿度传感器到电子式湿 度传感器。随着仪器仪表向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，电 子式湿度传感器愈来愈得到了广泛的应用。 呈篓薹耋三銮耋三茎薹圭兰堡鎏兰 3 1 引言 第3 章方案设计及测量原理 高分子电容式湿度传感器生产已达到一定的规模。但要大批量生产，一个 关键的限制因素是：在产品生产出来之后，各项技术质量指标必须给出，这些 指标决定产品的质量性能及可用性，没有这些质量技术指标产品将不被认可。 但目前对这些质量技术指标的测试方法及手段存在以下几个问题： 1 湿度源( 湿度发生装置) 昂贵，不能为普及测试提供方便及良好的条 件： - 2 检测电路精度不高，易受外界散杂小电容的干扰； 3 手工测量，一次只能检测一个，费时费力，测试数量有限，且测试结果 因人而异： 4 测试系统与硬件的接口形式单一，不能适应计算机接口最新的发展。 因此，对湿度传感器性能作出快速、准确、有效的检测是企业急待解决的 问题。针对这些问题，设计目标为： 1 。提供一套高精度的湿度发生器，达到较高的性价比； 2 硬件测试电路的将散杂电容的干扰消除到最小，电容测试引用误差达到 0 2 ： 3 实现对湿度传感器的批量测试，测试系统能够实现对3 2 路湿度传感器 的同时测量，同时在硬件测试板做少量改动的情况下，实现按需任意路数测 试； 4 测试接口采用串行通信r s 2 3 2 接口和u s b 接口两种方式； 3 2 湿度传感器测量原理 目前湿度传感器在生产过程中还停留在手工测试阶段，存在很多问题，本 节对电容式湿度传感器进行了详细地分析，利用电容式湿度传感器的等效形 式，阐述了使用复数电压法测量对湿度传感器的测量过程，建立了复数电压法 电容式湿度传感器性能测试数学模型。 啥尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 2 1 电容式湿度传感器的等效形式及单元测量电路 电容式湿度传感器在测量过程中，就相当于一个微小电容，对于电容的测 量，主要涉及到两个参数，即电容值c 和品质参数q 。湿度传感器并不是一 个纯电容，它的等效形式如图3 1 虚线部分所示，相当于一个电容和 一个电阻的并联“”。湿度传感器构成的单元测量微分电路由湿度传感器 z ，与反馈电阻r ，构成了一个有源微分电路。输入信号矿。在经过该电 路后受反馈电阻和湿度传感器的影响形成输出电压k 。，由图3 1 中虚线 湿度传感器的等效形式可知： 而 图3 - 1湿度传感器z 。的等效形式及其构成的单元测量微分电路 f i g 3 一lt h ee q u i v a l e n tf o r mo f h u m i dc o m p o n e n t s z ca n d i t sc e l lm e a s u r ed i f f e r e n t i a l c o c f f i c i e n tc i r c u i t 上：上+ 上 z cr xx c 一扣 ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) 墨一以 + 得噜 可 = 写 卜入 代卜将 竺垒塞矍三查兰三兰堡圭茎堡冀圣 根据上式可得：圪一等( 的实部) ( 3 _ 4 ) = 一i r f v ，。( k 。，的虚部) ( 3 5 ) 令= 所以耸= 簧( 3 - 6 ) 托q=鲁(3-7) 根据( 3 咱) ( 3 - 7 ) 可得 q = 告( 3 - 8 ) 即品质因数q 的值为微分电路输出的复数电压虚部和实部的比值。 所以对q 值的测量就转换成对微分电路输出的复数电压虚部和实部的测 3 2 2 电容式湿度传感器复数电压法测量电路 图3 2 是电容式湿度传感器复数电压法测量的具体测量电路，其电路 组成包括三个部分：微分电路、反相电路和积分电呼2 0 j ( 图中用虚线圈起来表 示) 。 正弦波发生器产生的正弦信号y 。经过微分电路( 湿度传感器含在此电路 中) 后，信号变成圪。，对于k 。的输出，分成两路，一路直接经电子开关k 1 后进入积分电路，另一路先经过反相电路，使k 。得输出为圪。= 一v 。，经过屯。 子开关k 2 后，也同样进入积分电路。单片机电路用来控制湿度传感器通道的 切换、电子开关k ，、k 2 的闭合与断开和积分电路数据的采集与处理等。 3 2 3 复数电压法电容式湿度传感器性能测试数学模型的建立 如下图3 3 是电容式湿度传感器复数电压法在上述测量电路中的波形 图，( a ) 表示正弦波发生器产生的正弦波波形y 。；( b ) 表示经过微分电路 后相位发生了偏移的正弦波波形圪i t ( c ) 为对电容的实部进行整流后的 波形；( d ) 为对电容的虚部进行整流后的波形。其中( b ) 、( c ) 、( d ) 左 图为将湿度传感器等效成电容的理想情况，圪。比v ；。偏移等于一9 0 。的 波形，右图为实际湿度传感器的测试结果，圪。比矿。偏移小于一9 0 。的 堕垒堡矍三奎茎三主竺圭耋竺丝三 波形。 静+ 、 - 图3 - 2 电容式湿度传感器复数电压法测量电路 f i g 3 - ，m e a s u r i n gc i r c u i to fc o m p l e xn u m b e rv o l t a g et oc a p a c i t i v eh u m i d i t y c o m p o n e n t 从右图实际湿度传感器的测试结果中，可以看出，进行虚部测量时 的积分区间为( 0 t 2 ) ，进行实部测量的积分区间为( t 4 3 t 4 ) 。 先看实部积分的情况，输入信号一。= a s i n c o t ( c o = 2 n f ) ，以此时问为基 准，则输出k 吒。的相位延迟叫4 ( 即万2 ) ，在叫4 至3 t 4 时间内，k i 导 通，k 2 断开，对输出圪。进行积分，在3 t 4 至5 t 4 时问内，k 2 导通，k 1 断 开，对圪。进行积分，由于圪。和吃。幅值相同，方向相反，所以两个时间段的 积分值相同。 利用积分的对称性，实部积分值为圪，表达式为： ，- 3 7 _ = ( 一赢彰4 吒u t 西 ( 3 均) 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 v v v v l l zj 4 lzj l ， l i，l 。 ， ， 。 。 ， k l 。 。， v v v v k 1 j 4 izj