湿度传感器.ppt

项目4湿度传感器项目的提出：湿度的测量与控制湿度的测量传感器选择1．选择测量范围2、选择测量精度3、考虑时漂和温漂4．与传统测湿方法的关系湿度的测量传感器选择1．选择测量范围2、选择测量精度3、考虑时漂和温漂4．与传统测湿方法的关系4．与传统测湿方法的关系早在18世纪人类就发明了干湿球和毛发湿度计，而电子式湿度传感器是近几十年．特别是近20年才迅速发展起来的。由于传统测湿方法在人们的脑海中印象太深了，一些人形成了只有干湿球湿度计才是准确的固有概念。有些用户拿干湿球湿度计来对比刚购得的湿度传感器，如发现示值不同，马上认为湿度传感器不准。须知干湿球的准确度只有5％一7％RH，不但低于电子湿度传感器，而且还取决于干球、湿球两支温度计本身的精度；湿度计必须处于通风状态：只有纱布水套、水质、风速都满足一定要求时，才能达到规定的准确度。湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发生器来逐支标定，最常用分流式标准湿度发生器来进行标定。所以希望用户在需要校准时也采用相同的方法，避免用准确度低的器具去校准或比对精度高的传感器。湿度传感器的发展趋势在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多，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。此外，湿度的标准也是一个难题。国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。湿度传感器的分类湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要电阻式、电容式两大类。还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件（利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率）、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等电阻式传感器的工作原理和结构湿敏电阻湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。工业上流行的湿敏电阻主要有1、半导体陶瓷湿敏元件2、氯化锂湿敏电阻3、有机高分子膜湿敏电阻电阻式传感器的工作原理和结构湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，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。湿敏电阻器的主要参数：1.相对湿度是指在某一温度下，空气中所含水蒸气的实际密度与同一温度下饱和密度之比，通常用“RH”表示。例如：20%RH，则表示空气相对湿度为20%。2．湿度温度系数是指在环境湿度恒定时，湿敏电阻器在温度每变化1℃时，其湿度指示的变化量。3．灵敏度是指湿敏电阻器检测湿度时的分辨率。4．测湿范围是指湿敏电阻器的湿度测量范围。5．湿滞效应是指湿敏电阻器在吸湿和脱湿过程中电气参数表现的滞后现象。6．响应时间是指湿敏电阻器在湿度检测环境快速变化时，其电阻值的变化情况（反应速度）。湿敏电阻器的主要参数：1.相对湿度是指在某一温度下，空气中所含水蒸气的实际密度与同一温度下饱和密度之比，通常用“RH”表示。例如：20%RH，则表示空气相对湿度为20%。2．湿度温度系数是指在环境湿度恒定时，湿敏电阻器在温度每变化1℃时，其湿度指示的变化量。3．灵敏度是指湿敏电阻器检测湿度时的分辨率。4．测湿范围是指湿敏电阻器的湿度测量范围。5．湿滞效应是指湿敏电阻器在吸湿和脱湿过程中电气参数表现的滞后现象。6．响应时间是指湿敏电阻器在湿度检测环境快速变化时，其电阻值的变化情况（反应速度）。GY—HR002电阻式高分子湿度传感器，是一种新型的湿度敏感元件，具有感湿范围宽，响应速度快，抗污染能力强，性能稳定可靠，一致性好等特点。电容式传感器的工作原理和结构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。电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器——将被测非电量的变化转换为电容量变化。平板电容器的电容根据被测参数的变化分：变极距型电容传感器(d)变面积型电容传感器(A)变介质型电容传感器(ε)dAc变极距型电容传感器若d从d0→d0-Δd,电容量C0→C0+ΔC,则有00dAc()r0)111(0000dddAdAddAC0001ddddCC当时，变极距式电容传感器有近似线性关系，此时灵敏度10dd01ddCCK为了获得高灵敏度，一般d0较小，但——d0过小易引起电容器击穿或短路，可放置高介电常数材料如云母片dgd0图5-4放置云母片的电容器000ddAcgg一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20～100pF之间,极板间距离在25～200μm的范围内,最大位移应小于间距的1/10,故在微位移测量中应用最广。对于云母，5.8~6g变面积型电容传感器图5-5变面积型电容传感器原理图axcc0图5-6电容式角位移传感器原理图00CCC变电介质型电容式传感器柱式7dDhHdDhcln)(2ln201dDhdDHln)(2ln2010dDhCln)(2010电容的增量正比于被测液位高度，可测量一种流体的液位高度变介质型电容式传感器平板式8001200000021)()(21dLbCdLLLbcccrrrr电容变化与电介质的移动量L成线性关系可用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织器、木材或煤等非导电固体介质的湿度。电容器式传感器的灵敏度及非线性灵敏度（变面积型）非线性01ddCCK（忽略了线性及以上高次项）00011ddddCC...]1[3020000ddddddddCC泰勒展开保留二次项，并以此做为非线性误差：%100%100)(0020dddddd差动平板式电容传感器目的：提高灵敏度减小非线性误差...])()(1[/11302000001ddddddCddCC...])()(1[/11302000002ddddddCddCC...])(2)(22[50300021ddddddCCCC非线性误差：%100)(%100)/(2)/(220030dddddd灵敏度：02002])(1[2dddddCCK电容传感器的等效电路LcCRsRpCLc简化计算有效电容Ce:ceLjCjCj11CLCCce21两点注意：工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，工作频率应该先择低于谐振频率。电容式传感器的有效电容除与位移有关外，还与角频率有关。因此，在实际应用时必须与标定的条件（ω）相同。电容式传感器的测量电路电容传感器的特点：电容量小，变化更小（PF级）。理论上，交流电桥可作为电容传感器的测量电路，但由于电容及变化太小，不易实现。调频电路运算放大器式电路二极管双T形交流电桥脉冲宽度调制电路调频电路11LCf21特点：转换电路生成频率信号，可远距离传输不受干扰。具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01μm级位移变化量。但非线性较差，可通过鉴频器（频压转换）转化为电压信号后，进行补偿。运算放大器式电路12运算放大器要求：输入阻抗高（避免泄漏）、放大倍数大（接近理想放大器）ixoUCCUdACxdAUCUio特点：解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题要求Zi及放大倍数足够大为保证仪器精度，还要求电源电压的幅值和固定电容稳定由于Cx变化小，所以该电路实现起来困难二极管双T形交流电桥正负半周分析：正半周：C1充电，电流顺时针；C2放电，电流逆时针负半周：C2充电，电流逆时针；C1放电，电流顺时针若C1=C2，则电流抵消，若C1≠C2，则RL有信号输出LTLLoRdttItITRIU})]()([{1021)()()2(212CCfURRRRRRiLLL)(21CCMfUi几点说明：该电路电源频率Mhz级，电源电压几十伏，电源的稳定性对输出直接产生影响。当电容以PF级变化时，输出以V级变化。脉冲宽度调制电路C1充电，VF。当VFVref时，D=0Q=0，信号反转，Q=1。C1经D1放电。C2充电，VG。当VGVref时，D=0Q=0，Q=1，再次反转。C2经D2放电。设双稳态触发器输出高电平U1，低电平0B双稳态触发器A1A2R1R2QQ-AFGDD-UrefD1D221211)(TTTTUuuuBAABrefUUUCRT11111lnrefUUUCRT11222lnC1C2uo1211212121UddddUCCCCuAB当d1=d0-Δd,d2=d0+Δd时，有10UdduAB电容式传感器的应用（1）电容式压力传感器17电容式传感器的应用（2）加速度传感器18电容式传感器的应用（3）差动式电容测厚传感器19电容式传感器的应用（4）•湿度测量•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、酪酸醋酸纤维等。•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。CapacitorHM1500湿度传感器在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。电容式传感器的应用（5）油量测量右图其原理图，利用了圆柱型电容传感器。其电容为：当燃油增大，h2增大，△C也增大，即传感器的电容增大；燃油减少，h2减少，△C也减小，即传感器的电容减少。这样传感器就把油量的变化转换为电容的变化，通过测量电容的大小就能知道油量的多少。Capacitor电容式传感器的应用（6）电容式键盘常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种。电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。理论上这种开关是无触点非接触式的，磨损率极小甚至可以忽略不计，也没有接触不良的隐患，具有噪音小，容易控制手感，可以制造出高质量的键盘，但工艺较机械结构复杂。Capacitor此种键盘即利用极距式电容传感器以实现信息转换电容式传感器的应用（7）•电容传声器•传声器（Microphone）俗称话筒，音译作麦克风，是一种声－电换能器件，可分电动和静电两类，目前广播、电视和娱乐等方面使用的传声器，绝大多数是动圈式和电容式。•电容传声器以振膜与后极板间的电容量变化通过前置放大器变换为输出电压。它能提供非常高的音响质量，频率响应宽而平坦，是高性能传声器，但这种传声器制造工艺复杂，价格高，需外加60～200V的极化电压源，一般在专业领域使用较多。驻极体电容传声器大膜片电容传声器Capacitor电容式传感器的应用（8）指纹识别指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被称为第二代指纹识别系统。它的优点是体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。右图为指纹经过处理后的成像图：Capacitor指纹识别指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，金属导体阵