设施农业中湿度传感器的应用状况研究与设计.doc

设施农业中湿度传感器的应用状况研究与设计摘 要：分析了近年来设施农业中湿度传感器的应用状况，对湿度传感器进行了介绍，设计了一种新型的测量湿度范围宽、精度高、功耗低的传感器电路。关键词：设施农业；湿度传感器；湿敏元件；设计1引言我国虽是农业大国，但要解决十二亿人口的吃饭问题还是个值得重视的问题。这个问题解决的关键在于提高农业生产效益和增强抗灾能力。随着社会的进步和科学的发展，设施农业已成为解决上述问题的一种农业新兴产业。设施农业是借助温室及配套装置来调节和控制作物生产环境条件的新农业生产方式，是农业摆脱自然制约的有效手段，是对常规农业的革命性发展，是高产、高效、优质和技术密集型的农业。近年来，国外如以色列、荷兰等国在设施农业中研究和生产方面已达到很高水平。我国近年来，塑料大棚和日光温室为主体的设施农业正迅速发展，但与国外相比，普遍存在科技含量低、劳动强度大、生产水平和效益低下。因此，迫切需要技术改进，以提高我国设施农业的整体水平。要实现高水平的设施农业，信息获取手段是最重要的关键技术之一。温度与湿度是其中最为关键的两种信息，由于温度的测控方法种类繁多，其配用的控制仪表也在不断更新，因此温度指示的精度和控制的效果一般都已达到生产、检测的需要。但测量湿度就比测量温度要复杂得多，因为温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素（大气压强、温度）的影响，湿度的校准也是一个难题。可人们还是希望湿度的测量也能像温度一样直观显示、控制。目前市场上和实际应用的湿度传感器普遍存在着使用比较复杂，价格比较昂贵等问题，因此，研究并设计一种性能价格比高的湿度传感器就显得尤为必要。2 国外湿度传感器的应用状况2.1湿度传感器介绍湿度传感器自1972年在专利中出现以来，得到迅速发展。从电解质到有机物再到金属及氧化物、半导体、玻璃陶瓷、高分子化合物，年年增加，其中用于检测的电阻式占多数，有机高分子材料发展也很快。半导体二极管及MOSFET式、限界电流式、表面式、光纤式等新型湿度传感器也不断出现。其中用于测定湿度的方法到目前为止已有各种各样，这些检测的方法主要有：（1）由于湿度交化产生物理伸缩的材料，如：毛发丝、青蛙皮、印壳膜等，可测量湿度；（2）利用水的蒸发可测定湿度，干球式湿度计就是利用这种原理制成的；（3）红外法是采取只有水蒸气选择吸收的波长进行测定；（4）电子湿度传感器只限于由于湿度改变而引起的电子性质变化类（如电阻、电容、频率等），这类传感器中的LiCl为电解质类的代表；（5）利用电磁波测定湿度，如利用微波式、晶振式等。湿度传感器的种类很多，从原理上可分成三大类：（1）电容式湿度传感器在一对电极间，夹有某种物质，当它吸附水蒸气时，使电极间电容量发生变化。（2）电阻式湿度传感器当空气中的水蒸气吸附在具有某种性质的电阻上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。这种湿度传感器种类很多，最常用的有陶瓷湿度传感器和高分子电阻式湿度传感器等。另外还有其它类型的湿度传感器，但大多都还没投入使用，仅限于理论上。像利用光学变化的湿度传感器，利用声表明波的湿度传感器及利用电磁波的湿度传感器等等。2.2湿度传感器在农业中的应用国外传感器在设施农业中的应用研究起源于20世纪60年代，90年代在设施农业中传感器的应用逐步形成完整体系，以荷兰为代表的欧美国家大力推广传感器在设施农业中的应用技术。（1）在微灌方式中，在土壤下埋有湿度传感器，可以传回有关土壤湿度的信息。以此了解真实需水情况，确定灌溉与否和时间长短；（2）在新型的生物与环境信息监控系统中，良好性能的湿度传感器用于检测环境湿度，一旦湿度不适宜农作物的正常生长，智能化的湿度传感器会自动发出报警信号，以提示另外一种湿度调节器增湿或降湿。（3）在日光温室中，调光有限，主要以调温、湿、CO2浓度、水、养分为主。其中对湿度的检测和控制当然需采用高性能的湿度传感器。（4）玻璃温室是荷兰、英国、法国、德国、日本等国家发展的一种现代化温室，在这种温室里面，湿度传感器遍及多个角落，土壤深层，土壤表层，地面的多个方位，空中的多个方位。这里对湿度传感器的准确度要求很高，而这些国家基本上已达到世界上湿度检测的最高标准0.5度，这为他们成功地实施玻璃温室奠定了一定的基础。3 国内湿度传感器的应用状况我国的湿度传感器研究起步于60年代中期。80年代初，受日本等发达国家的影响，众多的高校、研究所相继在这一领域开展工作。从1980年到1990年的10年间，测量的研究开发工作一度掀起了热潮。目前，全国除海南、广西、贵州外，其他省区和直辖市均有研究单位。据统计，连同生产及销售机构在内，现已有120多个单位涉及这方面工作。经过多年研究，高分子湿敏元件及传感器已产业化，而陶瓷湿度传感器虽经国家“六五”重点攻关，“七五”和“八五”也有少量投入，但因长期稳定性未能彻底解决，产业化步履艰难。不过，在材料开发、机理探索研究中取得了大量经验，为之后工作奠定了良好的基础。总之，十多年来，我国湿度测量技术取得了长足的进步。但随着传感器技术的发展和市场急增，我们不得不清醒看到我国测湿技术方面存在的问题及挑战。首先，从地域上来看，发展研究不均匀，主要集中研究的城市是上海，其次是北京。主要研究的地区是华北，其次是西南，西北最少。另外，从市场的供需情况来看，据资料载，我国在90年代编制规划时，曾预测到1995年我国湿敏元器件的年产量为266万只，总产值为1.85亿元。而今1995年已过，实际情况究竟如何呢？根据电子工业部1994、1995两年的生产与销售统计和1996年计划预计如表所示：年份 生产 销售1994年 11万只 6万只1995年 12万只 7万只1996年 13万只 7万只表中累计生产36万只，销售20万只，95年的实际生产仅为原预计的5%。差距如此大的原因经分析，主要是我国的传感器市场尚未开发出来。这方面除了受我国工业现代化整体发展水平以及行业管理机制大环境制约外，从湿度工作本身来讲，缺少价廉物美的商品则是根本性原因。世界的最高标准为0.5度，而我国的最高标准仅为1度；民航机场，高原大气物理研究所等行业乐于使用国外产品如劳兰Visala公司和荷兰Philip公司的高分子电容的现象，说明国产湿敏元件有不可忽视的质量问题。因此，提高国产元件的可靠性是未来研究工作的首要课题。就技术开发应用而言，“七五”“八五”出了科研成果，但因研究工作不充分，针对性差，缺乏实用性等原因，难以转化成产品。鉴于这种事实，要将湿度传感器大范围地使用在科技技术水平要求很高的设施农业中，是一个项很艰巨的任务。总的来讲，我国在设施农业中对湿度传感器的应用还没有大范围地推广，但这并不意味着应用少。实质上，在设施农业发展较快的近几十年里，湿度传感器在我国最受关注的设施农业类型塑料大棚和节能日光温室中已有较多的应用，另外在许多微灌系统中也应用较多，当然在许多研究领域就更多，只不过是取得的这些成果和欧美、日本等一些发达国家比起来，还有一段距离。对此，我们应该看清事实，找准路子，奋力追赶。基于这种情况，下面我介绍一种传感器，它是一种原理简单，操作容易，将会方便农民朋友使用的测湿设备，希望对我国农业的发展能够起到一定的作用。4 湿度传感器的设计4.1 设计思想选用RSM-1型湿敏电容为感湿元件，它的感湿曲线如图1所示。其中，容值随环境相对湿度的改变基本呈线性变化，而且全量程响应在0-100%RH变化中，电容值变化量为10-15pF，感湿灵敏度为0.1-0.15pF/%RH。近几年，WSC型系列湿度传感器，变送器均采用RSM型元件，由于其性能可靠而赢得信任，其缺点是低湿区灵敏度低，比如，以10%RH为低湿点校正值，当检测0%RH时，经过C/V转换，会出现3mv-2mv输出值。为此，在湿度部分加上了零点校正电路。4.2工作原理湿度测量部分运用多谐振荡器，如图2所示。 湿敏电容C1为多谐振荡器的一个时基电容，当容量随环境相对湿度变化时，振荡器脉冲波形占空比发生相应变化，取出脉冲信号的直流分量，差分输出，差分值即表示对应的相对湿度。 本设计为1.5-2mA小电流传感器，故Rc选择较大，由上式可知，大，牺牲增益，故又选择较大；当较大时，增大R1、R2有助于提高增益，而较小时，增大R1、R2适得其反，因此，根据K值大小，适当选择，R1，R2就可实现小电流的C/V转换。在湿度输出部分采用了二极管限幅，当上的0时，二极管导通，输出被钳制在零点上；当上的电压0时，二极管截止，输出电压等于上电压，该电路为下限幅器，它将波形中低于零的部分削去了，从而使零湿度时输出值钳制在零点上，提高了WSC系列湿度传感器在低湿区的灵敏度，图3是经过零点校正的输出特性曲线。4.3结论这种湿度传感器由于采用了高精度的湿敏电容，并且在C/V转换电路上对以往的电路有所改进，使工作电流减小，从而降低传感器功率损耗,并且为湿度传感器的全量程设计开辟了一条新路，使产品技术指标达到：测量范围：0-100%RH测量误差：2%（0-95%RH）温度系数：0.2%RH/摄氏度响应时间：10s补充说明：为了使湿度直接显示，可以在输出端接一个表盘，这个表盘是根据传感器湿度的输出特性，将输出的电压值按一定的比例转换成了相对湿度值，从而达到湿度的直接读取，这对于中国广大农民的实际文化水平普遍较低，是很有帮助作用的。参考文献：1孙良彦.国外湿度传感器的发展动态J.传感器世界,1995,(7).2王丽瑶.高精度、低功耗湿度传感器的设计J.传感器世界,1997,(2).3张勃，屈保中.电容式湿度传感器设计J.传感器技术，2004,(9).4邱斯益.谈谈热敏电阻湿度传感器的应用J.上海计量测试，1995，(5).5薛明军.集成湿度传感器1H3605及其应用J.国外电子元器件，2001，(1).6黄安荣.国外气体温度传感器的研究动向兼议我国湿度传感器技术问题及对策J.化学传感器，1997，12.7李晓利,陆品桢.我国湿度传感器及仪表的科研、生产和应用现状J.仪表工业，1989.8魏俊奇，张富.我国湿度传感器市场展望J.传感器世界，1996,4.Application Situation Research and Design of Humidity Sensorin Facilities AgricultureElectronic Information Engineering 2005 SUN Xiao-juan Turtor BAI Ze-sheng (College of Physics and Electronic Information ,Yanan University, Yanan 716000, China)Abstract：This paper analyses the application situation of humidity sensor and its research in the last years facilities agricultu