傳感器原理課程設(shè)計(jì)---電容式濕敏傳感器的設(shè)計(jì)

1、<p>　　《傳感器原理及應(yīng)用》課程設(shè)計(jì)</p><p>　　題目：電容式濕敏傳感器的設(shè)計(jì)</p><p>　　姓 名： </p><p>　　班 級(jí)： 10電信本（1）班 </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　

2、完成時(shí)間： 2012.6.10 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　近年來(lái)電容式傳感器的應(yīng)用技術(shù)有了較大的進(jìn)展，它不但廣泛的用于位移，振動(dòng)，角度，加速度等機(jī)械量的精密測(cè)量，而且還逐步應(yīng)用于壓力，差壓，液面，成分含量等方面的測(cè)量。由于電容測(cè)微技術(shù)的不斷完善，作為高精度非接觸式測(cè)量工具，電容式傳感器被廣泛應(yīng)用于科研和

3、生產(chǎn)加工過(guò)程中。隨著電子工藝集成度的提高，電容式傳感器在非電測(cè)量和自動(dòng)檢測(cè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。</p><p>　　70年代末以來(lái),隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了與微型測(cè)量?jī)x表封裝在一起的電容式傳感器。這種新型的傳感器能使分布電容的影響大為減小，使其固有的缺點(diǎn)得到克服。電容式傳感器是一種用途極廣，很有發(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅鳌?lt;/p><p>　　利用電容式傳感器的特點(diǎn)和在設(shè)計(jì)電路中的表現(xiàn)，設(shè)計(jì)了

4、其在濕度測(cè)量方面的應(yīng)用。電容式濕度傳感器是以高分子濕度濕敏元件電容器為基本感濕元件，利用單片機(jī)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析處理、顯示和遠(yuǎn)距離傳輸。本電路由電容式濕度傳感器其硬件電路有失敏電容器，轉(zhuǎn)換電路，E2PROM，單片機(jī)，調(diào)制解調(diào)器及波型濾波器等組成。測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)±2.5%，在測(cè)量相對(duì)濕度方面可以有很好的應(yīng)用。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電容式傳感器，電容式濕度傳感器，轉(zhuǎn)換電路，相對(duì)濕度</p>

5、<p><b>　　前言</b></p><p>　　人工氣候室是在環(huán)境試驗(yàn)、科學(xué)研究（諸如種養(yǎng)殖、植保、組培、生物工程）等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。它能模擬自然界的各種氣象條件,按照實(shí)驗(yàn)要求精確控制室內(nèi)的溫度、濕度、光照以及CO2等指標(biāo),復(fù)現(xiàn)各種氣候環(huán)境。為研究不同物種的生長(zhǎng)、發(fā)育、生理、生化過(guò)程創(chuàng)造了環(huán)境條件。因此,人工氣候室廣泛應(yīng)用在科研、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、冶金、化工、林業(yè)、

6、環(huán)境科學(xué)及生物遺傳工程等領(lǐng)域。</p><p>　　在人的日常生活中,人的居住空間也是一個(gè)人工環(huán)境。空氣污染,直接威脅人的身體健康;噪音污染,影響人的情緒、工作、休息、飲食,可以導(dǎo)致神經(jīng)衰弱;溫度過(guò)熱、過(guò)冷,導(dǎo)致人的不適,耗費(fèi)電能;空氣過(guò)濕,將使人們感到沉悶和窒息;空氣過(guò)燥,又會(huì)使人的口腔感到不適,甚至可能發(fā)生咽喉炎等疾病。如果能系統(tǒng)自動(dòng)控制這個(gè)最常見的空間,人的生活將更舒適。所以說(shuō),這是一個(gè)很有發(fā)展前途的課題,

7、國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)系統(tǒng)的研制[3]、 [5]。本文也就其中最難測(cè)量的物理量——濕度進(jìn)行研究。</p><p><b>　　1緒論</b></p><p><b>　　傳感器簡(jiǎn)介</b></p><p>　　傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測(cè)、感受外界的信號(hào)、物理?xiàng)l件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙霧），并將探

8、知的信息傳遞給其他裝置或器官。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。它一般由三不服組成：敏感元件，轉(zhuǎn)換元件和測(cè)量電路。敏感元件感受被測(cè)量，轉(zhuǎn)換元件將響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電參量，測(cè)量電路吧電參量接入電路轉(zhuǎn)換成電量，傳感器的核心部分是轉(zhuǎn)換元件，轉(zhuǎn)換元件決定傳感器的工作原理。

9、如圖1-1-1：</p><p>　　圖1-1-1：傳感器的組成</p><p>　　可以用不同的觀點(diǎn)對(duì)傳感器進(jìn)行分類：它們的轉(zhuǎn)換原理(傳感器工作的基本物理或化學(xué)效應(yīng))；它們的用途；它們的輸出信號(hào)類型以及制作它們的材料和工藝等。</p><p><b>　　傳感器靜態(tài)特性</b></p><p>　　傳感器的靜態(tài)特性是指

10、對(duì)靜態(tài)的輸入信號(hào)，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。因?yàn)檫@時(shí)輸入量和輸出量都和時(shí)間無(wú)關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個(gè)不含時(shí)間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標(biāo)，把與其對(duì)應(yīng)的輸出量作縱坐標(biāo)而畫出的特性曲線來(lái)描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、漂移等。 </p><p>　?。?）線性度：指?jìng)鞲衅鬏敵隽颗c輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離擬合直線的程度。定義為在全量

11、程范圍內(nèi)實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值與滿量程輸出值之比。 </p><p>　?。?）靈敏度：靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個(gè)重要指標(biāo)。其定義為輸出量的增量與引起該增量的相應(yīng)輸入量增量之比。用S表示靈敏度。 </p><p>　　（3）遲滯：傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到?。ǚ葱谐蹋┳兓陂g其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象成為遲滯。對(duì)于同一大小的輸入信號(hào)，傳感器的正反行

12、程輸出信號(hào)大小不相等，這個(gè)差值稱為遲滯差值。 </p><p>　?。?）重復(fù)性：重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃魅砍踢B續(xù)多次變化時(shí)，所得特性曲線不一致的程度。 </p><p>　?。?）漂移：傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時(shí)間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。產(chǎn)生漂移的原因有兩個(gè)方面：一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）。</p>&l

13、t;p>　　圖1-1-2是傳感器的幾種直線擬合方法：</p><p>　　理論擬合  過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合</p><p><b>　　端點(diǎn)連線擬合</b></p><p>　　圖1-1-2 幾種直線擬合方法</p><p>　　傳感器的動(dòng)態(tài)特性：是指?jìng)鞲衅髟谳斎胱兓瘯r(shí)，它的輸出的特性。在實(shí)際工作中，傳感器的動(dòng)

14、態(tài)特性常用它對(duì)某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)來(lái)表示。這是因?yàn)閭鞲衅鲗?duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)容易用實(shí)驗(yàn)方法求得，并且它對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)與它對(duì)任意輸入信號(hào)的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)有階躍信號(hào)和正弦信號(hào)兩種，所以傳感器的動(dòng)態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來(lái)表示。</p><p>　　新型傳感器的特點(diǎn)包括：微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化，它不僅促進(jìn)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造和

15、更新?lián)Q代，而且還可能建立新型工業(yè)，從而成為21世紀(jì)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。微型化是建立在微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)基礎(chǔ)上的，目前已成功應(yīng)用在硅器件上做成硅壓力傳感器。</p><p>　　1.2 電容式傳感器</p><p>　　電容式傳感器是把被測(cè)的機(jī)械量，如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由兩個(gè)平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的電容

16、器（如圖1-2-1）。若忽略邊緣效應(yīng)，平板電容器的電容為εA/δ，式中ε為極間介質(zhì)的介電常數(shù)，A為兩電極互相覆蓋的有效面積,δ為兩電極之間的距離。δ、A、ε 三個(gè)參數(shù)中任一個(gè)的變化都將引起電容量變化，并可用于測(cè)量。因此電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型、介質(zhì)變化型三類。極距變化型一般用來(lái)測(cè)量微小的線位移或由于力、壓力、振動(dòng)等引起的極距變化。面積變化型一般用于測(cè)量角位移或較大的線位移。介質(zhì)變化型常用于物位測(cè)量和各種介質(zhì)的溫度、密度、

17、濕度的測(cè)定。</p><p><b>　　圖1-2-1</b></p><p>　　圖1-2-2 變介質(zhì)型電容式傳感器</p><p>　　電容式傳感器也常常被人們稱為電容式物位計(jì)，電容式物位計(jì)的電容檢測(cè)元件是根據(jù)圓筒形電容器原理進(jìn)行工作的，電容器由兩個(gè)絕緣的同軸圓柱極板內(nèi)電極和外電極組成，在兩筒之間充以介電常數(shù)為e的電解質(zhì)時(shí)，兩圓筒間的電容量

18、為C=2∏eL/lnD/d，式中L為兩筒相互重合部分的長(zhǎng)度；D為外筒電極的直徑；d為內(nèi)筒電極的直徑；e為中間介質(zhì)的電介常數(shù)。在實(shí)際測(cè)量中D、d、e是基本不變的，故測(cè)得C即可知道液位的高低，這也是電容式傳感器具有使用方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和靈敏度高，價(jià)格便宜等特點(diǎn)的原因之一。圖1-2-3</p><p>　　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

19、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)合。通常電容式傳感器中的電容值變化都很微小。感應(yīng)被測(cè)量后其輸出電信號(hào)微弱，不能直接顯示記錄，必須借助轉(zhuǎn)換電路，將電容變化轉(zhuǎn)換為電流、頻率等信號(hào)進(jìn)行傳輸、顯示。</p><p><b>　　橋式電路</b></p><p>　　圖1-2-4 交流電橋的多種電路形式</p><p>　　調(diào)頻電

20、路調(diào)頻測(cè)量電路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)。</p><p><b>　　脈沖電路</b

21、></p><p>　　1-2-5 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理</p><p>　　上圖為差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理圖，圖中C1、C2為差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)電容，若用單組式，則其中一個(gè)為固定電容，其電容值與傳感器電容初始值相等；A1、A2是兩個(gè)比較器，Ur為其參考電壓。下圖為差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路各點(diǎn)波形圖，（a）圖為Cx1=Cx2時(shí)電路各點(diǎn)輸出波形，（b）圖為Cx1≠Cx2時(shí)電路各點(diǎn)的波形圖。<

22、/p><p>　　圖1-2-6 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路各點(diǎn)波</p><p>　　電容器傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜，靈敏度高，零磁滯，真空兼容，過(guò)載能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好和對(duì)高溫、輻射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng)性強(qiáng)等。缺點(diǎn)是輸出有非線性，寄生電容和分布電容對(duì)靈敏度和測(cè)量精度的影響較大，以及聯(lián)接電路較復(fù)雜等。</p><p>　　1.3 濕度傳感器  濕度是表

23、示空氣中水蒸氣的含量的物理量，常用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度、露點(diǎn)等表示。所謂絕對(duì)濕度就是單位體積空氣內(nèi)所含水蒸氣的質(zhì)量，也就是指空氣中水蒸氣的密度。一般用一立方米空氣中所含水蒸氣的克數(shù)表示，即為Ha=mV / V ，式中，mV 為待測(cè)空氣中水蒸氣質(zhì)量，V 為待測(cè)空氣的總體積。單位為g / m3 。相對(duì)濕度是表示空氣中實(shí)際所含水蒸氣的分壓（Pw ）和同溫度下飽和水蒸氣的分壓（PN ）的百分比，即HT=（Pw / PN ) Tx 100 % RH

24、。通常，用RH ％表示相對(duì)濕度。當(dāng)溫度和壓力變化時(shí)，因飽和水蒸氣變化，所以氣體中的水蒸氣壓即使相同，其相對(duì)濕度也發(fā)生變化。日常生活中所說(shuō)的空氣濕度，實(shí)際上就是指相對(duì)濕度而言。溫度高的氣體，含水蒸氣越多。若將其氣體冷卻，即使其中所含水蒸氣量不變，相對(duì)濕度將逐漸增加，增到某一個(gè)溫度時(shí)，相對(duì)濕度達(dá)100 % ，呈飽和狀態(tài)，再冷卻時(shí)，蒸氣的一部分凝聚生成露，把這個(gè)溫度稱為露點(diǎn)溫度。即空氣在氣壓不變下為了使其所含水蒸氣達(dá)飽和狀態(tài)時(shí)所必須冷卻到的溫

25、度稱為露點(diǎn)溫度。氣溫和露點(diǎn)的差越小，表示空氣越接近飽和。</p><p>　　隨著濕度的增加，高分子溶脹，內(nèi)部自由體積增加，載流子增多，同時(shí)高分子聚電解質(zhì)反離子的活化能降低，遷移率提高，材料的阻抗下降。反之，當(dāng)環(huán)境濕度變小時(shí)，水分子從離子聚合物中脫出，使材料電阻增大。通過(guò)測(cè)定其阻抗的變化，就可以監(jiān)測(cè)環(huán)境中相對(duì)濕度的大小。濕度傳感器作為一種重要的化學(xué)傳感器，在倉(cāng)貯、工業(yè)生產(chǎn)、過(guò)程控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、家用電器、氣象等方面

26、有著廣泛的應(yīng)用。通常，理想的濕敏傳感器的特性要求是，適合于在寬溫、濕范圍內(nèi)使用，測(cè)量精度要高；使用壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性好；響應(yīng)速度快，濕滯回差小，重現(xiàn)性好；靈敏度高，線形好，溫度系數(shù)?。恢圃旃に嚭?jiǎn)單，易于批量生產(chǎn)，轉(zhuǎn)換電路簡(jiǎn)單，成本低；抗腐蝕，耐低溫和高溫特性等。</p><p>　　陶瓷濕敏傳感器是近年來(lái)大力發(fā)展的一種新型傳感器。優(yōu)點(diǎn)在于能耐高溫，濕度滯后，響應(yīng)速度快，體積小，便于批量生產(chǎn)，但由于多孔型材質(zhì)，對(duì)塵埃影

27、響很大，日常維護(hù)頻繁，時(shí)常需要電加熱加以清洗易影響產(chǎn)品質(zhì)量，易受濕度影響，在低濕高溫環(huán)境下線性度差，特別是使用壽命短，長(zhǎng)期可靠性差，是此類濕敏傳感器迫切解決的問(wèn)題。 </p><p>　　當(dāng)前在濕敏元件的開發(fā)和研究中，電阻式濕度傳感器應(yīng)當(dāng)最適用于濕度控制領(lǐng)域，其代表產(chǎn)品氯化鋰濕度傳感器具有穩(wěn)定性、耐溫性和使用壽命長(zhǎng)多項(xiàng)重要的優(yōu)點(diǎn)，氯化鋰濕敏傳感器已有了五十年以上的生產(chǎn)和研究的歷史，有著多種多樣的產(chǎn)品型式和制作方法

28、，都應(yīng)用了氯化鋰感濕液具備的各種優(yōu)點(diǎn)尤其是穩(wěn)定性最強(qiáng)。 </p><p>　　氯化鋰濕敏器件屬于電解質(zhì)感濕性材料，在眾多的感濕材料之中，首先被人們所注意并應(yīng)用于制造濕敏器件，氯化鋰電解質(zhì)感濕液依據(jù)當(dāng)量電導(dǎo)隨著溶液濃度的增加而下降。電解質(zhì)溶解于水中降低水面上的水蒸氣壓的原理而實(shí)現(xiàn)感濕。</p><p>　　1.4 電容式濕度傳感器</p><p>　　電容式濕度傳感

29、器是以高分子濕度濕敏電容器為基本感濕元件,利用單片機(jī)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析處理、顯示和遠(yuǎn)距離傳輸,測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)±2.5%。</p><p><b>　　濕敏元件</b></p><p>　　濕敏電阻：濕敏電阻器是采用有機(jī)高分子膜涂敷在帶有導(dǎo)電電極陶瓷襯底上,形成阻抗隨相對(duì)濕度變化成對(duì)數(shù)變化的一種新型的濕度敏感元件，應(yīng)用原理為水分子的存在影響高分子膜內(nèi)部導(dǎo)電離子的

30、遷移率。具有感濕范圍寬、抗水性好、響應(yīng)迅速、抗污染能力強(qiáng)、一致性好，穩(wěn)定、低漂移、高精度、高可靠，耐水性好，無(wú)需加熱清洗及長(zhǎng)期使用性能穩(wěn)定可靠等諸多特點(diǎn)，有很寬廣的使用范圍。 </p><p><b>　　圖1-4-1</b></p><p>　　濕敏電容：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)

31、，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、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(cè)量范圍是（1%～99%）RH，在55%RH時(shí)的電容量為180pF（典型值）。

32、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。</p><p>　　高分子電容式濕敏元件：濕度測(cè)量和控制廣泛應(yīng)用于日常生活和工業(yè)過(guò)程,高分子電容式濕度傳感器具有響應(yīng)速度快、線性好、重復(fù)性好、測(cè)量范圍寬、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。高分子電容式濕敏元件的結(jié)構(gòu)如圖所示，這種濕敏元件基本上是一個(gè)電容器，在高分子薄膜上的電極是一層

33、很薄的金屬微孔蒸發(fā)膜發(fā)膜，水分子可通過(guò)兩端的電極被高分子薄膜吸附或釋放，這樣使異致高分子薄膜介電常數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化。因?yàn)榻殡娤禂?shù)隨空氣相對(duì)濕度變化而變化，所以只要測(cè)定電容值C的大小便可測(cè)得相對(duì)濕度。</p><p>　　圖1-4-2C=εS/d</p><p>　　式中:ε--高分子薄膜的介電常數(shù);d---高分子薄膜的厚度;S---電極的面積目前大多數(shù)采用醋酸丁酸纖維素作為高分子

34、薄膜材料，這種材料制成的薄膜吸附水分子后,不會(huì)使水分子之間相互作用，尤其在采用多孔金電極時(shí)，可使元件具有響應(yīng)速度快，無(wú)濕滯等特點(diǎn)。</p><p>　　高分子電容式濕敏元件的電容值與相對(duì)濕度的關(guān)系如圖所示。</p><p><b>　　圖1-4-3</b></p><p>　　上表列出了RSM-1型和RHS 型濕敏電容器的主要特性參數(shù)。它們具有

35、線性度好、精度高、體積小、響應(yīng)快、使用方便以及性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。它們適用于氣象、航天航空、國(guó)防工程、電子、紡織、煙草、糧食、醫(yī)療衛(wèi)生以及生物工程等各個(gè)領(lǐng)域的濕度測(cè)量和控制。</p><p><b>　　2 電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.1 高分子電容型濕敏元件應(yīng)用及其電路 </p><p>　　高分子電容型溫敏元件的應(yīng)用電路如圖2-1

36、-1所示。它由兩個(gè)時(shí)基電路IC1、IC2 組成。IC1及外圍元件組成多諧振蕩器，主要產(chǎn)生觸發(fā)IC2的脈沖。IC2和電容型濕敏元件及外圍元件組成可調(diào)寬的脈沖發(fā)生器，其脈沖寬度將取決于濕敏元件的電容值的大小。調(diào)寬脈沖從IC2的⑨腳輸出，經(jīng)R5、C3 濾波后成為直流信號(hào)輸出。它正比于空氣的相對(duì)濕度，其靈敏度為2mV/%RH 。</p><p>　　高分子電容型濕敏元件應(yīng)用電路</p><p>&

37、lt;b>　　圖2-1</b></p><p>　　2.2半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件及其電路圖</p><p>　　濕敏電阻的電阻-相對(duì)濕度特性曲線如圖2-1-2所示。</p><p>　　圖2-2-1電阻-濕度特性曲線</p><p><b>　　圖2-2-2</b></p><p>

38、　　圖2-2-2是這種濕敏元件應(yīng)用的一種測(cè)量電路。圖中R為濕敏電阻，為溫度補(bǔ)償用熱敏電阻。為了使檢測(cè)濕度的靈敏度最大，可使R=。這時(shí)傳感器的輸出電壓通過(guò)跟隨器并經(jīng)整流和濾波后，一方面送入比較器1與參考電壓U1比較，其輸出信號(hào)控制某一濕度；另一方面送到比較器2與參考電壓U2比較，其輸出信號(hào)控制加熱電路，以便按一定時(shí)間加熱清洗。</p><p>　　2.3 金屬氧化物濕敏元件應(yīng)用電路</p><p

39、>　　金屬氧化物濕敏元件由于電阻值與相對(duì)濕度的特性為非線性，而且存在著溫度系數(shù)，因此它們?cè)谑褂弥写嬖诨Q性差。溫敏元件的這種特性，要求在電路設(shè)計(jì)中必須考慮線性化處理和溫度補(bǔ)償問(wèn)題，如若不然，將會(huì)使測(cè)量誤差增大到無(wú)法使用的地步。</p><p>　　具有線性化處理及溫度補(bǔ)償功能的金屬氧化物溫敏元件應(yīng)用電路框圖</p><p><b>　　圖2-3-1</b><

40、;/p><p>　　具有線性化處理及溫度補(bǔ)償功能的金屬氧化物溫敏元件實(shí)際應(yīng)用電路</p><p><b>　　2-3-2</b></p><p>　　在圖2-3-2中，由IC1及外圍元件組成低頻振蕩器在它的反饋回路中串有兩個(gè)LED發(fā)光二極管VD2、VD3，以提高振蕩幅值的穩(wěn)定性。振蕩器可輸出頻率為900Hz、1.3V的正弦波信號(hào)，作為濕敏元件的工作

41、電壓源。 IC2與外圍元件組成對(duì)數(shù)壓縮電路，它是利用硅二極VD4、VD5正向電壓與電流成對(duì)數(shù)關(guān)系的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)壓縮的，從而實(shí)現(xiàn)續(xù)性化處理，用來(lái)補(bǔ)償濕敏元件的非線性。由于硅二極管VD4、VD5具有-2mV/℃的溫度特性，所以可以對(duì)濕敏元件起到一定的溫度補(bǔ)償作用，但這種補(bǔ)償是初步的，可能過(guò)大或過(guò)小。為了得到精確的補(bǔ)償效果，在由IC4組成的放大電路中，設(shè)置了由VD8及RP1等組成的溫補(bǔ)電路，通過(guò)調(diào)節(jié)RP1，可獲得理想的溫度補(bǔ)償。IC3

42、組成整流電路，整流后的直流電壓經(jīng)IC4放大后輸出。</p><p>　　2.4 HS1101濕度測(cè)量電路</p><p>　　HS1101在電路中相當(dāng)于一個(gè)電容器件，它的電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增加而增大，為了能將電容的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，我們?cè)O(shè)計(jì)了振蕩電路、消除零點(diǎn)電容影響電路、整流電路、積分電路、電壓—電流轉(zhuǎn)換電路、放大電路等，其工作原理簡(jiǎn)圖如圖2 所示。</p>&l

43、t;p><b>　　圖2-4-1</b></p><p>　　3 濕敏傳感器的主要特性參數(shù) </p><p><b>　　1．濕度量程</b></p><p>　　即感濕范圍。全濕度范圍用相對(duì)濕度（0~100）%RH表示，理想情況：0~100%RH；一般情況：5~95%RH。</p><p>

44、<b>　　2．感濕特性曲線</b></p><p>　　每種濕度傳感器都有其感濕特征量，如電阻、電容等，通常用電阻比較多。以電阻為例，在規(guī)定的工作濕度范圍內(nèi)，濕度傳感器的電阻值隨環(huán)境濕度變化的關(guān)系特性曲線，簡(jiǎn)稱阻濕特性。有的濕度傳感器的電阻值隨濕度的增加而增大，這種為正特性濕敏電阻器，如Fe3O4濕敏電阻器。有的阻值隨著濕度的增加而減小，這種為負(fù)特性濕敏電阻器，如TiO2－SnO2陶瓷濕敏

45、電阻器。對(duì)于這種濕敏電阻器，低濕時(shí)阻值不能太高，否則不利于和測(cè)量系統(tǒng)或控制儀表相連接。</p><p>　　感濕特征量：濕度變化所引起的傳感器的輸出量（電阻、電容、電壓、頻率等）。</p><p>　　感濕特性曲線：感濕特征量與環(huán)境濕度關(guān)系。一般要求：全量程連續(xù)、線性、斜率適當(dāng)。</p><p><b>　　3．感濕靈敏度</b></p&

46、gt;<p>　　簡(jiǎn)稱靈敏度，又叫濕度系數(shù)。其定義是在某一相對(duì)濕度范圍內(nèi)，相對(duì)濕度改變1％RH時(shí)，濕度傳感器電參量的變化值或百分率。</p><p>　　由于濕度傳感器感濕特性曲線的非線性，其靈敏度表示困難。目前濕敏電阻靈敏度表示為：R1%/R20%，R1%/R40%，R1%/R60%，R1%/R80%，R1%/R100%，其中R1%、R20%、…、R100%，表示相對(duì)濕度分別為1%RH、20%RH

47、、…、100%RH時(shí)，濕敏電阻相應(yīng)的電阻值。</p><p>　　各種不同的濕度傳感器，對(duì)靈敏度的要求各不相同，對(duì)于低濕型或高濕型的濕度傳感器，它們的量程較窄，要求靈敏度要很高。但對(duì)于全濕型濕度傳感器，并非靈敏度越大越好，因?yàn)殡娮柚档膭?dòng)態(tài)范圍很寬，給配制二次儀表帶來(lái)不利，所以靈敏度的大小要適當(dāng)。 </p><p><b>　　4 結(jié)束語(yǔ)</b></p&

48、gt;<p>　　我查找了多種濕敏傳感器的電路原理，在邊看邊學(xué)的基礎(chǔ)上完成了這次的設(shè)計(jì)論文。由于多方面原因我沒有做硬件方面的東西，所以具體的電路實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)沒有完成，也就沒有傳感器的側(cè)量數(shù)據(jù)。但理論的部分我一一介紹了，弄懂了里面的工作原理，信號(hào)出入作用的地方。另外也有些遺憾，如果有硬件的東西會(huì)更有說(shuō)服力。爭(zhēng)取以后能夠自己根據(jù)電路和原理能夠做出個(gè)電容式濕敏傳感器來(lái)。</p><p><b>　　

49、參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1]吳建平．傳感器原理及應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008． </p><p>　　[2] 張福恩,王巖．現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)與發(fā)展[J]．電子器件，2001． </p><p>　　[3] 吳道梯．非電量電測(cè)技術(shù)[M]．西安：西安交通大學(xué)出版社，2001． </p><p>　　[4]

50、 何利民．單片機(jī)高級(jí)教程[M]．北京：北京航天航空大學(xué)出版社．2000． </p><p>　　[5] 張玉艷，王玉田，王莉田．用于差動(dòng)電容式傳感器的高分辨率　電路的研究［Ｊ］．傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2002</p><p>　　[6] 張洪剛，吳敬國(guó)，鄭義忠．電容式傳感器及其納米量級(jí)定位技術(shù)［Ｊ］．傳感器技術(shù)，2001．</p><p>　　[7] 施昌彥、虞惠霞，實(shí)驗(yàn)室