传感器电容式湿度传感器的应用重点

1、题目传感器电容式湿度传感器的应用姓名学号系（院）电子电气工程学院_班级目录前言31.绪论11.1电容式传感器的工作原理 11.2电容式传感器的特点42.系统设计62.1硬件电路设计62.2湿敏电容器的特性82.3电容式传感器数据处理82.4测试结果8结论10参考文献11淄博职业学院.、八、-刖言人类的生存和社会活动与湿度密切相关，随着现代化的实现，很难找出一个与 湿度无关的领域来。在电子科学技术日益发达的今天，人类对自身的生活环境及工 作环境要求越来越高。湿度的监测与控制在国民经济各个部门，如国防、科研、煤炭开采和井下监测以及人生活等诸多领域有着非常广泛的应用。众所周知，湿度的测量较复杂，而对

2、湿度进行控制更不易。人们熟知的毛发湿度计、干湿球湿度计 等已不能满足现代工作条件和环境的要求。为此，人们研制了各种湿度传感器，其 中电阻和电容型湿度传感器以其测量范围宽，响应速度快，测量精度高，稳定性好,体 积小，重量轻，制造工艺简单等显示出极大的优越性，在实际中得到了广泛应用。由 于应用领域不同，对湿度传感器的技术要求也不同。从制造角度看，同是湿度传感 器，材料、结构不同，工艺不同。其性能和技术指标有很大差异，因而价格也相差 甚远。湿度是一个重要的物理量，航天航空，计量等许多环境中需要在高温下进行 湿度的测量，很多行业中，如发电、纺织食品、医药、仓储、农业等，对温度、湿 度参量的要求都非常严

3、格，目前，在低温条件下，（通常是指100C以下），湿度测量已经相对成熟，有商品化产品，并广泛应用于各种行业，另外有许多以行业需要在高温环境下测量湿度，如航天航空、机车舰船、发电变电、冶金矿山、计量 科研、电厂、陶瓷、工业管道、发酵环境实验箱、高炉等场合，这时，湿度测量结 果往往不如低温环境下的测量结果理想，另外，在恶劣的环境下工作，例如气流速 度、温度、湿度变化非常剧烈或测量污染严重的工业化气体时，将使精度大大下 降。然而，随着科技的进步，人们对湿度的测量设备进行了越来越深层的研究，本 文就以电容型湿度传感器进行阐述。1.绪论1.1电容式传感器的工作原理电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量

4、变化的一种装置，它本身就是一 种可变电容器。由于这种传感器具有结构简单，体积小，动态响应好，灵敏度高， 分辨率高，能实现非接触测量等特点，因而被广泛应用于位移、加速度、振动、压 力、压差、液位、等分含量等检测领域。这里主要介绍电容式传感器的原理、结构类型、测量电路及其工程应用。当被 测量的变化使S、d或&任意一个参数发生变化时，电容量也随之而变，从而完成 了由被测量到电容量的转换。当式中的三个参数中两个固定，一个可变，使得电容 式传感器有三种基本类型：变极距型电容传感器、变面积型电容传感器和变介电常 数型电容传感器。电容式传感器的测量电路就是将电容式传感器看成一个电容并转 换成电压或其他电量的

5、电路。因此，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。调频电路实际是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。调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01卩n级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量，并与计算机通信，抗干扰能力强，可 以发送、接收

6、以达到遥测遥控的目的。因此，在实际应用中，常采用差动式结构，既使灵敏度提高1倍，又使非线性误差大大降低，抗干扰能力增强。电容式传感器，顾名思义，指的是电容与传感器的组合。它是传感器的其中一 种，因而也是由敏感元件、传感元件、测量电路组成。所不同的是，它以各种类型 的电容器为传感元件，将被测物理量的变化转化为电容量的变化，再经测量电路转 换为电压、电流或频率，以达到检测或控制的目的。在过去，电容式传感器主要应 用于位移、加速度、角度和振动等机械量的精密测量；现在多用于压力、压差、液 位、成份含量等方面的测量。电容式传感器的特点是：测量范围大；灵敏度高；动 态响应好；小功率、高阻抗；机械损失小；结

7、构简单，适应性强；但寄生电容影响 大，而且变间隙式电容传感器存在非线性误差。电容式传感器的分类也是多种多样 的，按工作原理可分为变间隙式（变极距型）、变面积式、变介电常数式（变介质 型）；按极板结构分为平板式和圆柱式；按被测量分为位移、压力、应力、湿度、温度等类型。V PU爪兀叨兀I片px 心口 从口匸引 丄 n I j oxx图1平板电容器其电容为：d S d A C r &为极板间介质介电函数，0&为真空介电常数,n 6. 30=(pF/cm,是介质相对介电常数，d s C r n&6 3=当即板间距离d ?(令: d=x)后的电容为(01x d S C = 0(00010x d x C

8、C C C C -=-=?这是实际非线性关系。灵敏度1 (00x d x C C S n -=?=，当x相对于do很小时可以近似为:00d x d -時,0d x C C =?，这是理想的线性关系。理想情况下:0d S n =非线性误差：001 ( ( (d x d x d LC C LC C S C C e f =-=?_?=/I!图2变极距型传感器的特性曲线由上述可知，可以通过提高灵敏度和减小非线性误差的方法来改善电容式传感 器的性能。但是影响电容式传感器的因素很多，温度、电容电场边缘效应和寄生或 分布电容等等都会对电容式传感器产生影响。我们可以采取相应的措施来减少这些 影响，如增大初始电

9、容和加装等位环，静电屏蔽，电缆驱动等。图3运算放大器式电路原理图/ 图4差动式电容压力传感器结构图电容式传感器的运放测量电路原理图如图1-3所示，图中Cx为电容式传感器电容；Ui是交流电源电压；Uo是输出信号电压；是虚地点。（传感器为平板电 容，Cx= S/d由运算放大器工作原理可得o &=此式说明运算放大器的输出电压与极板间距离 d成线性关系。电容式传感器的应用比较广，主要用于测量位移、压力、速度、介质、浓度、 物位等物理量。相应地，产生了很多类型的电容式传感器，如电容式位移传感器、 电容式压力传感器、电容式加速度传感器、电容式液位传感器等等。现以电容压力传感器为例说明其应用。如图 1-4中

10、所示膜片为动电极，两个在 凹形玻璃上的金属镀层为固定电极，构成差动电容器。当被测压力或压力差作用于 膜片并产生位移时，所形成的两个电容器的电容量，一个增大，一个减小。该电容 值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。凹形玻璃膜片C1.2电容式传感器的特点电容式传感器具体特点如下：(1结构简单，适应性强电容式传感器结构简单，易于制造，精度高，可以做得很小，以实现某些特殊 的测量，电容式传感器一般用金属作电极，以无机材料作绝缘支承，因此可工作在 高低温、强辐射及强磁场等恶劣的环境中，能承受很大的温度变化，承受高压力、 高冲击、过载等；能测超高压和低压差。(2动态响应好电容式传

11、感器由于极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小，可动部分可 以做得小而薄，质量轻，因此固有频率高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特适合于动态测量；可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于 测量高速变化的参数、如振动等。(3分辨率高由于传感器的带电极板间的引力极小，需要输入能量低，所以特别适合于用来 解决输入能量低的问题，如测量极小的压力和很小的加速度、位移等，可以做得很 灵敏，分辨力非常高，能感受 o.ool卩m甚至更小的位移。(4温度稳定性好电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料， 又由于本身发热极小，因此影响稳定性也极微小。(5可实现非接触测

12、量、具有平均效应如回转轴的振动或偏心、小型滚珠轴承的径向间隙等，采用非接触测量时，电 容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。不足之处是输出阻抗高，负载能力差，电容传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般 为几十皮法到几百皮法，使传感器输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电 源时，输出阻抗更高，因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定 现象；寄生电容影响大，电容式传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电 容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等寄生电容”却较大，降低了传感器的 灵敏度，破坏了稳定性，影响测量精度，因此对电缆的选 择、

13、安装、接法都要有要求。电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅(测至0.05卩n的微小振幅，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量，还可用 来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜 厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等。在自动检测和控制系统中也常常用来作 为位置信号发生器。电容式液位传感器是利用被测介质面的变化引起电容变化的一种变介质型电容 器。为用于检测非导电液体的电容式传感器。它是通过将被测介质的液面高度变化 转为电容器电容量的变化，当被测液体的液面在电容传感器的两同心圆柱形电极间 变化时，引起极间不同介电常数介质的高度发生变化。

14、电容式传感器是基于把被测非电物理量转换为电容量的原理进行测量的，它在 工业中被广泛用于压力、差压、物位、液位、振动和位移等多种参数的检测。电容传感器有三种类型：变极距型、变面积型和变介电常数型，其中极距型和介电常 数型电容传感器为非线性，而变面积型是线性的，在实际使用中为提高传感器的线 性度和抗干扰能力，增大灵敏度，常采用差动式结构。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。电容式湿度传感器的敏感元件为湿敏电容，主要材料一般为高分子聚合物、金 属氧化物这些材料

15、对水分子有较强的吸附能力，吸附水分的多少随环境湿度而变 化由于水分子有较大的电偶极矩，吸水后材料的电容率发生变化电容器的电容值 也就发生变化同样，把电容值的变化转变为电信号，就可以对湿度进行监测例如, 聚苯乙烯薄膜湿敏电容.通过等离子体法聚合的聚苯乙烯具有亲水性极性基团.随着环境湿度的增减，它吸湿脱湿，电容值也随之增减。从而得到的电信号随湿度的变 化而变化。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

16、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/C，湿度滞后量为 .5%，响应时间为5s。2.系统设计2.1硬件电路设计高分子电容式湿度传感器属电路参数型传感，其输出为电容值，传感器的相对 容值0C C与相对湿度RH成

17、正比关系，受温度的影响较小。在应用中需将电容 值转换为易于识别的电信号，考虑到功耗问题，转换电路采用低功耗的CMOS电路，图6是转换电路及图7为其输出波形。图6转换电路图7输出波形图中,C为电容式湿度传感器,U1的脉冲宽度为t仁k 1C 1,式中t 1为脉冲宽 度，ms;t 1为比例系数；C 1为电容值,pF;U 2的脉冲宽度为t 2=kC =k(CO+ C式中 t 2为脉冲宽度,ms;k为比例系数;C为湿敏电容器电容值,pF;C 0为湿敏电容器在相 对湿度0%RH温度为25C时的电容值,pF; 为湿敏电容器在相对湿度 0%RH时 的电容值改变量，量,pF。调节可变电阻器R P使得在相对湿度0

18、%RH时(25C,t仁t2,即k 1C仁kCO,当 湿度增加时,t 2增加，U 3的脉冲宽度t 3=t2- t仁k 即t 3与 C成正比,也即与相 对湿度%RH成正比。通过测量脉冲宽度即可知道相对湿度的高低，利用单片机内部计数器T0,测量t 3的脉冲宽度，通过查表法得到相应的相对湿度 RH。单片机采用Philips的 自带Flash ROM的P89C52 ,完成数据采样，数据分析，地址码设定和数据通信等功 能，是电容式湿度传感期待的管理中心。调制解调器HT2012是SMAR生产的适用于HART协议物理层的调制解调器, 符合Bell202标准，其工作方式为半双工通信方式，工作时钟频率为460.8

19、kHz2.2湿敏电容器的特性湿敏电容器的感湿是材料是固态高分子聚合物，具有全互换性，在标准环境下 不需校正，和长时间下快速脱湿，高可靠性，长时间稳定性和快速反应等特点。2.3电容式传感器数据处理通电后，传感器首先检测是否有脉冲信号及脉冲宽度是否在有效值范围内，判断前向通道工作（即湿敏电容器和转换电路工作 是否正常，实现传感器的自我诊 断，不正常，则报警提示，显示出错信息。在单片机内建立湿度和脉冲宽度以及温度和修正值的真值表，其中，湿度和脉冲宽度的真值表是以DM500高精度SAW湿度/露点测量仪对所设计的传感器进行标根据测得的脉冲宽度通过查表方式求得相应的湿度，同时，根据测得的环境温 度，查得对

20、应的修正值，综合两项结果得到实际的湿度值，送显并保存（设定存储时间 间隔。对位于相邻两分格值之间的脉宽信号，采用小邻域内近似线性化方法处理， 对于相对湿度低于10%RH或高于90%RH的情况,也按此方法顺延推算，若测量结 果按理论推算超出100%RH，则按粗大误差处理。传感器在检测到上位机的信号后，将最近一次得测量值向上位机传送。2.4测试结果以DM500高精度SAW湿度/露点测量仪与所设计的传感器对同一试样进行对 比测量,结果见表1:表1相对湿度（%RH）由于单片机的测量精度为：式中OSC F为晶振频率，MHz,由于S很小，可以忽略，因此，该传感器的准 确度主要取决于湿敏电容器和转换电路。从表1的测试结果中可以看出，该传感器的测量精度可以达到5. 2參内。经测试，该智能电容式湿度传感器符合HART的技术规范，可