温室环境控制系统中检测元件的分析与研究

1、云南农业大学工程技术学院毕业设计说明书温室环境控制系统中检测元件的分析与研究一.前言 1.1课题背景 农业生产需要大面积采集大量信息以达到农作物生长的最佳条件, 影响植物生长的环境因素多种多样，譬如温度，湿度，光照，二氧化碳浓度等。而农业领域中的环境控制则能为现代下的新农业生产提供一个有利于农作物生长的环境。它可以提高农民收入，提高产业化水平，提高抵御自然灾害的能力，延长作物的生长时间，提高产量。 1.2 国内外温室控制技术发展概况 设施农业是利用人工建筑的设施，以可调控的技术手段，实施生产要素的全方位调控，为农业生物生长提供良好的环境条件，实施高产、高效的现代农业生产方式。狭义的设

2、施农业包括塑料大棚、温室、植物工厂化3种不同的技术层次，广义的设施农业主要包括设施栽培和设施养殖两个方面。目前，我国发展和应用较多的主要是塑料大棚、日光温室及连栋温室，也有少量先进工程技术的智能温室。其中能充分利用太阳光热资源、节约燃煤及减少环境污染的日光温室为我国所独创。（1）国内设施农业发展现状  我国设施农业的发展历史悠久，至今已形成多种类型，较为普遍采用的几种模式有：简易覆盖型（主要以地膜覆盖为典型代表）、简易设施型（主要包括中小拱棚）、一般设施型（如塑料大棚、加温温室、日光温室以及微滴灌系统等）和工厂化农业，其中以节能日光温室、普通日光温室和塑料大棚发展最快。简易

3、覆盖型、简易设施型和一般设施型农业技术含量低，粗放经营，经营规模较小。工厂化农业是设施农业的高级发展阶段，即利用高科技设施材料，运用先进的工程技术手段构建与田间传统农业截然不同的生产环境，如同在工厂中进行农业生产。通常包括加热系统、降温系统、通风系统、遮阳系统、微灌系统和中心控制系统。它属于集约高效型农业，在我国尚处于实验阶段，但代表我国设施农业的发展方向。目前，我国设施栽培已进入巩固、完善、提高、再发展的比较成熟阶段。设施栽培总体布局趋于合理，多数地区在发展中体现了以节能为中心，低投入、高产出的特色，设施设备的总体水平有了明显提高，设施类型向大型化发展，小型简易设施的比例近20年来下降了28

4、%。设施栽培的技术水平不断提高，专业品种的培育受到重视，设施栽培蔬菜的总产和单产大幅度提高，栽培作物的品种不断扩大和丰富，不但提高了经济效益，也促进了农民增收。设施栽培的科学研究，也得到了国家的重视与支持。 （2） 国外设施农业发展现状  设施农业是科技含量高、高投入、高产出、高效益的集约化生产方式，国外发展速度很快，全世界设施农业面积已达60余万公顷。荷兰、日本、以色列、美国、韩国、西班牙、意大利、法国、加拿大等国家设施农业十分发达，其设施设备标准化程度、种苗技术及规范化栽培技术、植物保护及采后加工商品化技术、新型覆盖材料开发与应用技术、设施综合环境调控及农业机

5、械化技术等有较高的水平，居世界领先地位。  日本、荷兰、美国等发达国家能为温室提供专用的耐低温、高温、高湿，具有多种抗性、优质高产的种苗，在脱毒、快繁等方面有很高的技术水平。荷兰农产品出口额达400亿美元。日、以、韩、西班牙等国优质蔬菜产出率亦相当高，以色列花卉出口量位居世界第二。 智能化温室综合环境控制系统开始普及，利用此系统可准确采集设施内室温、叶温、地温、湿度、土壤含水量、溶液浓度、二氧化碳浓度、风向、风速以及作物生长状况等参数，将室内温、光、水、肥、气等诸多因素综合，直接协调到最佳状态，可节能15%50%，并有节水、节肥、节药的效果。美国、加拿大等国开发了多种小型、

6、轻便、多功能的设施园艺耕作机具、播种育苗装置、灌水施肥装置、通风窗自动开闭的温（湿）度调节装置等。日本、韩国已研制出蔬菜嫁接机器人、无人行走车、施肥机器人等。法、意、德等国大部分设施农业均可进行无土栽培。无土栽培可向人们提供健康、营养、无公害、无污染的有机食品，营养液重复利用能节省投资、保护生态环境温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。国外对温室环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了

7、分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。像园艺强国荷兰，以先进的鲜花生产技术著称于世，其玻璃温室全部由计算机操作。日本研制的蔬菜塑料大棚在播种、间苗、运苗、灌水、喷药等作业的自动化和无人化方面都有应用等。 我国对于温室控制技术的研究较晚，始于20世纪80年代。我国工程技术人员在吸收发达国家温室控制技术的基础上，才掌握了人工气候室内微机控制技术，该技术仅限于温度、湿度和CO2浓度等单项环境因子的控制。之后，我国的温室控制技术得到了迅速发展。1995年，北京农业大

8、学研制成功了“WJG-1型实验温室环境监控计算机管理系统”，此系统属于小型分布式数据采集控制系统。1996年，江苏理工大学毛罕平等研制成功了使用工控机进行管理的植物工厂系统。中国农业机械化科学研究院研制成功了新型智能温室系统。该系统由大棚本体及通风降温系统、太阳能贮存系统、燃油热风加热系统、灌溉系统、计算机环境参数测控系统等组成。1997年以来，中国农业大学在温室环境的自动控制技术方面也取得了一定的成果。90年代末，河北职业技术师范学院的闰忠文研制了蔬菜大棚，其能够对温、湿度进行实时测量与控制。但由于我国农业现代化水平较低，农业劳动力大量过剩，温室的一次性投资大，资金短缺以及对操作人员的素质要

9、求比较高等因素，限制了温室控制技术在温室系统的扩展。 二. 环境因子介绍及其在温室系统中的重要性 2.1温度 温度是影响园林植物的重要因子之一，它不仅影响着植物的地理分布，而且还制约着植物生长发育的速度。1、温度的变化直接影响着植物的光合作用、呼吸作用、蒸腾作用等生理作用。每种植物的生长都有最低、最适、最高温度，称为温度的三基点。一般地，植物生长的温度范围为4-36。但是，不同植物及不同生长阶段对温度的要求差异较大。热带植物 如槟榔、椰子等要求日平均温度在18以上才能开始生长；亚热带植物如香樟、小叶榕、印度橡胶榕、竹等在15左右开始生长；暖温带植物如桃花、紫叶李、梅花等在10，甚至不到10就开

10、始生长，温带树种紫杉、云杉、白桦在5就开始生长。一般植物在0-35的温度范围内随温度上升，生长速度加快，随温度降低，生长速度减缓，但是，当温度超过植物所能忍耐的最低和最高温度极限时，植物的部分器官即受害甚至全株死亡。在实际生活中，低温对植物生长的影响较为突出，它使植物遭受寒害和冻害。寒害指气温在0以上植物遭受的伤害，寒害多发生于热带、亚热带地区；冻害指气温低于0时导致的植物伤害。当然，冻害的为害程度视极端低温值、低温持续的天数、降温速度而异，也与植物的抗性大小有关。在相同的低温条件下，降温速度越快，植物受伤害越严重，低温持续的时间越长，受伤害的程度越大。土壤低温对园林植物的危害也较大。温度对园

11、林植物开花的影响首先表现在花芽分化方面。此外，温度对花色也有一定的影响，其原因是花青素和色素的形成与积累受温度的控制，温度适宜时，花色艳丽，反之则暗淡。温度与植物景观在园林植物配置与造景时，应尽量提倡应用乡土树种，控制南树北移、北树南移，或经栽培试验可行后再用。如椰子在海南岛南部生长旺盛，结果累累，到了北部则果实变小，产量显著降低，在广州不仅不结实，甚至还有冻害；又如凤凰木原产热带非洲，在当地生长十分旺盛，花期先于叶开放，引至海南岛南部，花期明显缩短，有花叶同放现象，引至广州，大多变成先叶后花，花的数量明显减少，甚至只有叶片不开花，大大影响了景观效果。在园林实践中，由于不同园林植物对温度的适应

12、，因此应注意落叶与常绿树种的搭配，四季开花植物的搭配，做到四季有景、季季有花，以体现温度变化与植物景观的关系。农业设施内的湿度环境，包含空气湿度和土壤湿度两个方面。水是农业的命脉，也是植物体的主要组成成分，一般作物的汗水量高达80%95%，因此湿度环境的重要性更为突出。 2.2湿度 不同的蔬菜种类生长发育所需要的空气湿度不同，一般茄果类蔬菜生长发育适宜的湿度范围为5060%，西瓜、西葫芦、甜瓜等瓜类生长发育适宜的湿度范围为4050%，黄瓜为7080%，豆类蔬菜为5070%。在适宜的湿度范围内，作物生长发育良好，湿度过低，土壤干旱，植株易失水萎蔫；湿度过高，作物易旺长，并易诱发病害。 温室因其封

13、闭严密，室内空气湿度，一般可比室外露地条件下高20%以上。特别是灌水以后，如不注意通风排湿，往往连续35天，室内空气湿度都在95%以上，极易诱发真菌、细菌等菌类病害，并且易迅速蔓延，造成重大损失。因此，及时适宜的调控、降低设施内的空气湿度，是温室蔬菜栽培中，必须时刻注意的最为重要的技术措施。 如果不是极端干燥或过湿，作物的生育不受湿度的影响，叶片气孔能自由开闭调节蒸腾量。但在持续干燥条件下，叶片气孔关闭，影响光合作用，会抑制生育；果菜类开花期遇到极端过湿环境，花粉不能充分散开，花粉管伸展受阻，会产生畸形果。如果蔬菜生产是在封闭、半封闭条件下进行的，地面蒸发和作物蒸腾作用产生的水蒸汽凝结水大都滞

14、留在室内，使空气相对湿度和绝对湿度显著高于外界。傍晚温度下降，湿度过饱和后会产生雾。土壤湿度越高，室温越低，雾持续时间越长、浓度越大。雾在薄膜上凝结成水滴，润湿作物茎叶，好湿性病原菌便随水滴侵入气孔。 湿度是影响设施蔬菜病虫害发生的主要因素，高湿加上适宜发病的温度条件更会加速病虫害的发生。从以上分析可以知道，温度和湿度对植物的影响是非常大的，因此，对温度和湿度实现自动控制具有不可替代的意义. 随着科技进步，大棚温室改造农业势在必行，而大棚温室自动控制系统的成功，代表着我国设施农业最佳的发展方向。据一生态园的工作人员所说，过去没有自动控制系统，在需要灌溉的时候，往往需要上百人进行长达一周的灌溉；

15、而装备了自动控制系统以后，只需要坐在系统前面进行简单的操作就可以了。在我国农业设施落后、基础薄弱的条件下，自控控制技术成功地解决了设施农业生产中光、温、水、热、气等必需的气候条件不理想的问题，从真正意义上实现了农作物生长环境的人为控制，使农作物的产出和收获随时面市，达到了绿色无公害的产品标准。而只有将类似的高新农业技术和现实相结合，变成现实的生产力，我国的农业才能步入一个春天。 2.2.1作物对土壤湿度的要求 设施生产的农产品特别是园艺产品大都是柔嫩多汁的器官，含水量在90%以上。水是绿色植物进行光合生产中最主要的原料，水也是植物原生质的主要成分，植物体内营养物质的运输，要在水溶液中进行，根系

16、吸收矿质营养，也必须在土壤水分充足的环境下才能进行。作物对水分的要求一方面取决于根系的强弱和吸水能力的大小；另一方面取决于植物叶片的组织和结构，后者直接关系到植物的蒸腾效率。蒸腾系数越大，所需水分越多。根据作物对水分的要求和吸收能力，可将其分为耐旱植物、湿生植物和中生植物。1）耐旱植物 抗旱能力较强，能忍受较长期的空气和土壤干燥而继续生活。这类植物一般具有较强大的根系，叶片较小、革质化或较厚，具有贮水能力或叶表面有茸毛，气孔少并下陷，具有较高的渗透压等。因此，它们需水较少或吸收能力较强，如果树中的石榴、无花果、葡萄、杏和枣等；花卉中的仙人掌科和景天科植物；蔬菜中的南瓜、西瓜、甜瓜耐旱能力均较强

17、。2）湿生植物 这类植物的耐旱性较弱，生长期间要求有大量水分存在，或生长在水中。它们的根、茎、叶内有通气组织与外界通气，一般原产热带沼泽或阴湿地带，如花卉中的热带兰类、蕨类和凤梨科植物及荷花、睡莲等，蔬菜中的莲藕、菱、芡实、莼菜、慈菇、茭白、水芹、蒲菜、豆瓣菜和水蕹菜等。3）中生植物 这类植物对水分的要求属中等，既不耐旱，也不耐涝，一般旱地栽培要求经常保持土壤湿润。果树中的苹果、梨、樱桃、柿、柑橘和大多数花卉属于此类；蔬菜中的茄果类、瓜类、豆类、根菜类、叶菜类、葱蒜类也属此类。 2）.土壤湿度的调节与控制因为设施的空间或地面有比较严格的覆盖材料，土壤耕作层不能依靠降雨来补充水分，故土壤湿度只能

18、由灌水量、土壤毛细管上升水量、土壤蒸发量以及作物蒸腾量的大小来决定。土壤湿度的调控应当依据作物种类及生育期的需水量、体内水分状况以及土壤湿度状况而定。目前我国设施栽培的土壤湿度调控仍然依靠传统经验，主要凭人的观察感觉，调控技术的差异很大。随着设施园艺向现代化、工厂化方向发展，要求采用机械化自动化灌溉设备，根据作物各生育期需水量和土壤水分张力进行土壤湿度调控。设施内的灌溉既要掌握灌溉期，又要掌握灌溉量，使之达到节约用水和高效利用的目的。常用的灌溉方式有：1）淹灌或沟灌 省力、速度快。其控制方法只能从调节阀门或水沟入水量着手，浪费土地浪费水，不宜在设施内进行。2）喷壶洒水 传统方法，简单易行，便于

19、掌握与控制。但只能在短时间、小面积起到调节作用，不能根本解决作物生育需水问题，而且费时、费力，均匀性差。3）喷灌 采用全园式喷头的喷灌设备，用3千克/平方厘米以上的压力喷雾。5千克/平方厘米的压力雾化效果更好，安装在温室或大棚顶部2.02.5米高处。也有的采用地面喷灌，即在水管上钻有小孔，在小孔处安装小喷嘴，使水能平行地喷洒到植物的上方。4）水龙浇水法 即采用塑料薄膜滴灌带，成本较低，可以在每个畦上固定一条，每条上面每隔2040厘米有一对0.6毫米的小孔，用低水压也能使2030米长的畦灌水均匀。也可放在地膜下面，降低室内湿度。5）滴灌法 在浇水用的直径2540毫米的塑料软管上，按株距钻小孔，每

20、个孔上再接上小细塑料管，用0.20.5千克/平方厘米的低压使水滴到作物根部。可防止土壤板结，省水、省工、降低棚内湿度，抑制病害发生，但需一定设备投入。6）地下灌溉 用带小孔的水管埋在地下10厘米处，直接将水浇到根系内，一般用塑料管，耕地时再取出。或选用直径8厘米的瓦管埋入地中深处，靠毛细管作用经常供给水分。此法投资较大，花费劳力，但对土壤保湿及防止板结、降低土壤及空气湿度、防止病害效果比较明显。 2.2.2作物对空气湿度的要求及调控 （1)作物对空气湿度的要求设施内的空气湿度是由土壤水分的蒸发和植物体内水分的蒸腾，而在设施密闭情况下形成的。表示空气潮湿程度的物理量，称为湿度。通常用绝对湿度和相

21、对湿度来表示。设施内作物由于生长势强，代谢旺盛，作物叶面积指数高，通过蒸腾坐呀释放出大量水蒸汽，在密闭情况下水蒸气很快达到饱和，空气相对湿度比露地栽培要高得多。高湿，是农业设施湿度环境的突出特点。特别是设施内夜间随着气温的下降相对湿度逐渐增大，往往能达到饱和状态。蔬菜是我国设施栽培面积最大的作物，多数蔬菜光合作用适宜的空气相对湿度为60%85%，低于40%或高于90%时，光合作用会受到阻碍，从而使生长发育受到不良影响。不同蔬菜种类和品种以及不同生育时期对湿度要求不尽相同，但其基本要求大体如表1： 表1各类植物生长适宜湿度范围 Table 1kinds of plant growth suita

22、ble humidity range 类型 蔬菜种类 适宜相对湿度%较高湿型 黄瓜,白菜类,绿叶菜类，水生菜 85-90中等湿型 马铃薯，豌豆，蚕豆，根菜类 70-80较低湿型 茄果类 55-65较干湿型 西瓜，甜瓜，胡萝卜，葱蒜类，南瓜 45-65 （2)空气湿度的调节与控制1）通风换气 设施内造成高湿原因是密闭所致。为了防止室温过高或湿度过大，在不加温的设施里进行通风，其降湿效果显著。一般采用自然通风，从调节风口大小、时间和位置，达到降低室内湿度的目的，但通风量不易掌握，而且室内降湿不均匀。在有条件时，可采用强制通风，可由风机功率和通风时间计算出通风量，而且便于控制。2）加温除湿 是有效措

23、施之一。湿度的控制既要考虑作物的同化作用，又要注意病害发生和消长的临界湿度。保持叶片表面不结露，就可有效控制病害的发生和发展。3）覆盖地膜 覆盖地膜即可减少由于地表蒸发所导致的空气相对湿度升高。据试验，覆膜前夜间空气湿度高达95%100%，而覆膜后，则下降到75%80%。4）科学灌水 采用滴灌或地中灌溉，根据作物需要来补充水分，同时灌水应在晴天的上午进行，或采取膜下灌溉等等。加湿的方法 大型农业设施在进行周年生产时，到了高温季节还会遇到高温、干燥、空气湿度过低的问题，就要采取加湿的措施。1）喷雾加湿 喷雾器种类很多，可根据设施面积选择。2）湿帘加湿 主要是用来降温的，同时也可达到增加室内湿度的

24、目的。3）温室内顶部安装喷雾系统，降温的同时可加湿。 2.3光照 光对园林植物的影响主要表现在光照强度、光照长度和光质三个方面。不同光照强度要求的植物生态类型。根据植物对光强的要求，传统上将植物分成阳性植物、阴性植物和居于这二者之间的耐荫植物。阳性植物：要求较强光照，不耐蔽荫，在全光照下生长良好，否则枝条纤细，叶片黄瘦，花小而淡，开花不良，在自然植物群落中，大多为上层乔木。如木棉、橡皮树、银杏、紫薇、木麻黄、椰子、杨柳、棕榈及多数一、二年生草本植物。阴性植物：多原产于热带雨林或高山阴坡及林下，一般需光度为全日照的5-20%，不能忍耐过强光照。在自然植物群落中常处于中、下层，或生长在潮湿背阴处，

25、如红豆杉、肉桂、珠兰、中华常春藤、三七、人参、黄连、吉祥草、宽叶麦冬、蕨类、一叶兰、兰花、文竹等。耐荫植物；一般在充足光照下生长最好，但亦有不同程度的耐荫能力，需光度在阳性和阴性植物之间，大多数植物属于此类，如罗汉松、竹柏、栾树、君迁子、桔梗、白芨、棣棠、珍珠梅、杜鹃、山茶、八仙花、七叶树、五角枫等。园林植物耐荫性在植物配置与造景中的应用在植物配置与造景时，对温度、水分、土壤因子都可以通过适地适树以及加强管理、换土等措施来满足和控制，而植物的耐荫性，只有通过对各种树种及草本植物耐荫幅度的了解，才能在顺应自然的基础上，科学地配植，组成既美观又稳定的人工群落。根据经验来判断植物的耐荫性是目前在植物

26、造景中的主要依据，但是极不准确。2.4 空气中二氧化碳浓度温室是一个相对封闭的环境，作物在温室内不断进行着二氧化碳的吸收与释放过程，因此，温室内的二氧化碳浓度与外界环境有明显的差异。一般来说，白天温室内绿色植物光合作用旺盛，二氧化碳浓度急剧下降；夜间光合作用停止，作物呼吸作用释放二氧化碳，二氧化碳室内浓度逐渐升高。使得大棚里的二氧化碳浓度不足和日夜变化大，影响了植物的生长发育。利用现代化电子设备，可以根据各种植物的生 长需要，对二氧化碳的浓度进行测量和控制，将大棚里的二氧化碳的浓度控制在最佳状态，使植物始终处于最佳生长环境中，获得最好的收成。作物群体的二氧化碳来源包括空气和土壤。假定温室面积为

27、（），空间容积为V（），则其室内的浓度对时间的变化率可用下式表示 式中 _计算施用量，g/h; -室内空气设定的目标浓度，g/,在常温常压下，1g/相当于531ml/; -室外空气浓度，g/； n-换气次数，次/h; -净光合作用强度，一般1-8g/(.h）.基于浓度对时间的变化率，设计了红外吸收型二氧化碳传感器来监测温室内的浓度。三.环境因子检测元件介绍 3.1.1传感器的定义传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。 3.1.2传感器的作用人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人

28、们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏

29、观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、

30、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。 3.1.3传感器的灵敏度 灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化y对输入量变化x的比值。它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传

31、感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。4.1湿度检测元件的种类及特点4.1.1湿度传感器 选择测量范围和测量重量、温度一样，选择湿度传感器首先要确定测量范围。除了气象、科研部门外，搞温、湿度测控的一般不需要全湿程(0-100%RH)测量。在当今的信息时代，传感器技术与计算机技术、自动控制技术紧密结合着。测量的目的在于控制，测量范围与控制范围合称使用范围。当然，对不需要搞测控系统的应用者来说，直接选择通用型湿

32、度仪就可以了。下面列举一些应用领域对湿度传感器使用温度、湿度的不同要求，供使用者参考。用户根据需要向传感器生产厂提出测量范围，生产厂优先保证用户在使用范围内传感器的性能稳定一致，求得合理的性能价格比，对双方来讲是一件相得益彰的事情。选择测量精度和测量范围一样，测量精度同是传感器最重要的指标。每提高个百分点对传感器来说就是上一个台阶，甚至是上一个档次。因为要达到不同的精度，其制造成本相差很大，售价也相差甚远。例如进口的1只廉价的湿度传感器只有几美元，而1只供标定用的全湿程湿度传感器要几百美元，相差近百倍。所以使用者一定要量体裁衣，不宜盲目追求“高、精、尖”。生产厂商往往是分段给出其湿度传感器的精

33、度的。如中、低温段(0一80%RH)为±2%RH，而高湿段(80100%RH)为±4%RH。而且此精度是在某一指定温度下(如25)的值。如在不同温度下使用湿度传感器其示值还要考虑温度漂移的影响。众所周知，相对湿度是温度的函数，温度严重地影响着指定空间内的相对湿度。温度每变化0.1。将产生0.5%RH的湿度变化(误差)。使用场合如果难以做到恒温，则提出过高的测湿精度是不合适的。因为湿度随着温度的变化也漂忽不定的话，奢谈测湿精度将失去实际意义。所以控湿首先要控好温，这就是大量应用的往往是温湿度体化传感器而不单纯是湿度传感器的缘故。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的

34、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。电子式湿敏传感器的准确度可达2-3%RH，这比干湿球测湿精度高。湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。这方面没有干湿球测湿方法好。下面对各种湿度传感器进行简单的介绍。 (1）电阻式氯化锂湿度计 图1 氯化锂湿度传感器外形图 F

35、ig 1lithium chloride humidity sensor contour map 第一个基于电阻-湿度特性原理的氯化锂电湿敏元件是美国标准局的F.W.Dunmore研制出来的。这种元件具有较高的精度，同时结构简单、价廉，适用于常温常湿的测控等一系列优点。氯化锂元件的测量范围与湿敏层的氯化锂浓度及其它成分有关。单个元件的有效感湿范围一般在20%RH 以内。例如0.05%的浓度对应的感湿范围约为（80100）%RH ，0.2%的浓度对应范围是（6080）%RH 等。由此可见，要测量较宽的湿度范围时，必须把不同浓度的元件组合在一起使用。可用于全量程测量的湿度计组合的元件数一般为5个，

36、采用元件组合法的氯化锂湿度计可测范围通常为（15100）%RH，国外有些产品声称其测量范围可达（2 100）%RH 。 图2 电阻式氯化锂湿度计 Fig 2 the resistance of lithium chloride humidity profile 4.1.2电阻式湿度传感器 4.1.2.1 氯化锂电解质湿度传感器电解质溶液的电导率与溶液的浓度有关，而溶液的浓度在一定的温度下又是环境相对温度的函数，利用这个特性支撑了点知湿度传感器。电解质的材料很多，但以电解质氯化锂湿度传感器最为典型。（1）结构 氯化锂电解质湿度传感器其结构如图2所示，它是用一个圆筒形指支架作为元件的基体，在圆筒上

37、做两条相互平行的钯引线作为电极。在支架的表面上浸涂一层含有聚苯乙烯醋酸酯（PVAC）和氯化锂（LiCl）水溶液的混合液。当被涂溶液的溶剂挥发干后，即凝聚成一层其阻值可随环境湿度变化的感湿薄膜。 图3 氯化锂湿度传感器结构 pic 3 the structure of lithium chloride humidity sensor (1)工作原理 氯化锂为不挥发性盐，溶解于水后，则降低了水的蒸汽压，因此极易吸湿，也极易脱湿，同时盐的浓度相应变化，氯化锂在吸湿或脱湿过程中，感湿膜中氯化锂的点解平衡会移动，导电性能变化，即阻值变化。当溶液置于一定温湿场中，若环境相对湿度高，溶液将吸收水分，使浓度降

38、低，溶液电阻率增高。反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降，从而可以间接测量出气体中的相对湿度。(2)特性 氯化锂湿度传感器测量范围为（10% 95%）RH，在50% 80%相对湿度范围内，电阻与湿度呈线性变化关系，工作湿度为-1050，响应时间小雨60s。 图4 氯化锂湿度传感器的湿度-电阻特性 pic 4 lithium chloride humidity sensor humidity resistance characteristics 氯化锂湿敏元件的优点是滞后小，不受测试环境的影响，检测精度达±（2% 5%）RH，但其耐热性能差，不能用于露点温度以下测量，

39、器件重复性不理想。 氯化锂湿敏传感器的突出的优点是长期稳定性强，灵敏,可靠。其主要缺点是在高湿的环境中，潮解性盐的浓度会被稀释，从而导致使用寿命短;当灰尘附着时，潮解性盐的吸湿功能降低，重复性变坏。 针对电解质湿度传感器遇高湿或结露时，易造成氯化锂电解质液流失而损坏的特点，近年来利用高分子材料的吸湿性与胀缩性研制了高分子材料湿度传感器。某些高分子电介质吸湿后，介电常数明显改变，制成了电容式湿度传感器；某些高分子电解质吸湿后，电阻明显变化，制成了电阻式湿度传感器。4.1.2.2 高分子电阻式湿度传感器 图5 高分子电阻式湿度传感器外形Fig 5 the appearance of resisti

40、ve polymer humidity sensor(1)结构 高分子湿度传感器的结构如图4所示。基片由氧化铅构成，聚乙烯醇和聚苯乙烯磺酸锂组成感湿膜，用Au材料引出叉指形状作为电极，外层包裹有保护膜，以防止灰尘，水，油等与感湿膜接触。 图6 高分子湿度传感器结构图 Fig 6 structure of polymer humidity sensor (2)工作原理 高分子膜上的吸湿量与其化学结构有关。在低湿下，因吸附量小，不能产生电离子，所以测的的高分子湿度传感器的电阻值很高。当相对湿度增加时，吸附量也增加，吸附水就成为了到点通道，高分子电解质的正负离子对主要其载流子作用，使得高分子湿度传感

41、器的电阻值急剧下降。 聚苯乙烯磺酸锂是一种强电解质，具有极强的吸水性，吸水后电力，在其水溶液中就含有打捞的锂离子。如果在其上制备一对金属电极，通电后锂离子可参与到点，被测湿度俞高，其电阻值急剧下降。利用高分子电解质在不同湿度条件下电离产生的导电离子数量不等而使电阻值不同的原理，即可制成高分子电阻式湿度传感器。(3)特性 高分子电阻式湿度传感器的优点是感湿范围较宽，感湿特性曲线如图1-121所示。工作湿度在0 50，响应时间小于30s.但其缺点是对于含有有机溶媒气体的环境下测湿时，器件易损坏；另外不能用于80以上的高温。 图7 湿度-电阻值特性线 Fig 7 humidity - resista

42、nce characteristic line 4.2典型湿度测量电路 4.2.1电桥电路（1） 电路组成 电路由湿度传感器,振荡电路,电桥,放大器,整流器以及显示仪表组成那个。如图8和图9所示。 图8湿度传感器原理图 Fig 8 schematic diagram of humidity sensor 图9湿度传感器电路图 Fig 9 humidity sensor circuit diagram （2） 工作原理 振荡器对电路提供交流电源。电桥的一臂为湿度传感器，由于湿度变化使湿度传感器的阻值发生变化，于是电桥失去平衡，产生信号输出，放大器把不平衡信号加以放大，整流器将交流号，由直流毫安表

43、显示。振荡器和放大器都由9V直流电源供给。电桥法适合于氯化锂湿度传感器。 传感器一般才用壁挂式安装，在温室中通风良好的位置安装，有助于检测到环境中最准确的数据。 555构成的湿度控制电路 图10 湿度控制电路 Fig 10the humidity control circuit 如图为室内湿度控制电路。该控制器由降压整流电路、湿度传感器、单稳定时电路，可控硅控制电路等组成。其中降压整流电路为整个控制器提供VDD=+10V直流电压。湿度传感器采用型号为HOS201的氯化锂湿度传感器。当湿度从4080变化时,其阻值变化范围约为：从700M变至700k，相应使555脚电平从低电平变至高电平(>

44、1/3VDD)。单稳定时电路由IC和湿敏网络、R5、C1等组成。当湿度超过预定值时，555脚电位为高电平，555发生复位，脚输出的低电平使可控硅SCR导通，接通排气扇电源，进行排气降低湿度。排放时间由定时时间常数R5C1和控制端脚的电平所决定。调节W1，可预置排放时间。本控制器可在当室内的湿度超过某一值(如80)时，控制排气扇的启动，直至湿度降至规定的值。5.1温度传感器 利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。这些呈现规律性变化的物理性质主要有体。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻

45、和热电偶两类。 图11 热敏电阻外形 Fig 11thermistor shape 热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度变化这一特性制成的一种热敏元件。其主要特点是灵敏度高，体积小，使用方便。 热敏电阻一般可分为负温度洗漱（NTC）热敏电阻器,正温度系数（PTC）热敏电阻器和临界温度电阻器(CTR)三类。通常所说的热敏电阻一般是指NTC热敏电阻器。它是由某些金属氧化物的混合物制成的。 导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其阻值推算出被测物体的温度，利用此原理构成的传感器就是电阻温度传感器，这种传感器主要用于-200500温度范围内的温度测量。纯金属是热电阻的主要制造材料，热电阻的材料应具有以下

46、特性： 电阻温度系数要大而且稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。 电阻率高，热容量小，反应速度快。 材料的复现性和工艺性好，价格低。 在测温范围内化学物理特性稳定。目前，在工业中应用最广的铂和铜，并已制作成标准测温热电阻。 （1）导电机理 热敏电阻的导电性能主要是由内部的载流子（点子和空穴）密度和迁移率所决定的，当温度升高时，外层电子在热激发下大量成为载流子，使载流子的密度大大增加，活动能力加强，从而导致其阻值的急剧下降。（2）热敏电阻的电流-电压特性 伏安特性是热敏电阻的重要特性之一。它表示加在热敏店主上的端电压和通过电阻体的电流在电阻本身与周围介质热平衡时的相互关系，当流过热敏电阻

47、的电流很小时，曲线呈直线状，热敏电阻的伏安特性符合欧姆定律；随着电流的增加，热敏电阻的温度明显增加，由于负温度系数关系，其电阻的阻值减小，于是端电压的增加速度减慢，出现非线性；当电流继续增加时，热敏电阻自身温度上升更快，使其阻值大幅度下降，其减小速度超过电流增加速度，因此，出现电压随电流增加而降低的现象。 图12 热敏电阻伏安特性曲线Fig 12 the volt-ampere characteristic curve of thermistor 5.1.1常用的温度测量电路 图2-1所示是由热敏电阻构成的惠斯登电桥测温电路，适用于对温度进行测量及调节的场合。电路中，R1,R2,R3,RT构成

48、电桥，根据不同的测量环境，选择不同的桥路电阻值和电源电压值。当环境温度变化时，热敏电阻RT的电阻值则发生变化电桥输出电压U也会随之发生变化。因此，U的大小即可间接反映所测量温度的大小。 图13 惠斯登电桥测温电路Fig 13 the Wheatstone bridge circuit for measuring temperature 温度传感器常放置于环境中央位置，避免阳光直射，传感器才能准确获取环境中的温度数据。5.1.2 555构成的自动温度控制器电路 图14 555温控电路Fig 14 555 temperature circuitIC1 555 集成电路接成自激多谐振荡器，Rt 为热

49、敏电阻，当环境温度发生变化时，由电阻器R1、热敏电阻器Rt、电容器C1 组成的振荡频率将发生变化，频率的变化通过集成电路IC1 555 的3 脚送入频率解码集成电路IC2 LM567 的3 脚，当输入的频率正好落在IC2集成电路的中心频率时，8 脚输出一个低电平，使得继电器K 导通，触点吸合，从而控制设备的通、断，形成温度控制电路的作用。 6.1光照传感器 光电传感器是一种将被测量的变化转换成光学量的变化，再通过光电元件把光学量的变化转换成电信号的装置。图10是光电式传感器的原理框图，它一般由光源，光学通路，光电器件三部分组成。被测量作用于光源或光学通路，从而引起光量的变化，再由光电元件转换电

50、量信号，由测量电路输出。图15 光电式传感器的原理框图Fig 15 the principle diagram of photoelectric sensor光电式传感器有结构简单，非接触式测量，频谱宽，响应快，不易受电磁干扰的影响，可靠性高等优点，广泛应用于自动控制，机器人，航空航天，家用电器，工农业生产等领域。6.1.1光敏晶体管 （1）结构与工作原理 光敏晶体管与一般晶体管相似，具有两个PN结。但其特殊之处在于PN结 的作用不同于一般晶体管。图1-84所示为NPN型光敏晶体管的结构示意图。其中一个PN结作为受光结，作用相当于一个光敏二极管，具有光敏特性，即受光结应加反向电压。因此，一般用

51、基极-集电极作为受光结。可以认为，光敏晶体管实际上相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的三极管。只是它的集电极一边做得很大，以扩大光的照射面积。大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压，集电结就是反向偏置，当光照射在集电结上时，就会在结附近产生光生电子-光生空穴对，从而形成光电流，相当于晶体管的基极电流，并随受光的强弱相应变化。因此集电极电流是光生电流的N倍所以光敏晶体管有电流放大作用。图1-85所示为NPN型光敏晶体管的基本应用电路。 图16 光敏电阻结构图Fig 16 structure of photosensitive resistance 图17 光敏电阻

52、原理示意图Fig 17 schematic diagram of photosensitive resistance所以说，光敏晶体管兼有光敏二极管的特性，它在光信号变为电信号的同时又将信号电流放大。光敏二极管和光敏晶体管的种类很多，从制作材料才分，有硅，锗以及各种化合物晶体管；从形态上分，有单体型和集合型，集合型是在一块基片上有两个以上光敏二极管；还可以从对光的响应来分，有紫外，红外，可见光区域光敏晶体管。近年来又发展了一些新型光电管，如光电场效应管和光电可空管等。 图18 光敏电阻外形Fig 18 the appearance of photosensitive resistance（2）

53、伏安特性 图1-85 所示为硅光敏晶体管在不同照射强度下的伏安特性曲线。对同类光敏二极管和光敏晶体管的伏安特性相比，在相同集射极间电压条件下，光敏晶体管的光电流比相同管型的光敏二极管大几十到上百倍。 图19 光敏电阻伏安特性曲线Fig 19 the volt-ampere characteristic curve of photosensitive resistance6.2.1光敏电阻调光电路图20 大棚照明灯 换气扇自动控制器电路Figure 20 Photosensitive resistance dimmer circuit大棚照明灯 换气扇自动控制器电路如图3-14所示。电位器RP1

54、设定一个基准电位，光敏晶体管的输出接入集成运放的反相端，与基准电位相比较，当光照比较强时，光敏晶体管导通，输出电位比基准电位高，集成运放A1的7脚输出低电平，使后接的晶体管VT2截止，继电器K断电以控制外电路。当光照比较弱时，光敏晶体管截止，输出电位比基准电位低，集成运放A1的7脚输出高电平，使后接的晶体管VT2导通，继续器K通电以控制外电路。6.3特殊植物LED补光灯 Led植物补光灯，是植物生长灯的一种，依照植物生长规律必须需要太阳光，而植物补光灯就是利用太阳光的原理，灯光代替太阳光给植物提供更好的生长发育环境的一种灯具。光环境是植物生长发育不可缺少的重要物理环境因素之一，通过光质调节，控

55、制植株形态建成是设施栽培领域的一项重要技术。植物光合作用需要的光线，波长在400 720nm左右。440 480nm（蓝色）的光线以及640 680nm（红色）对于光合作用贡献最大。520 610nm（绿色）的光线，被植物色素吸收的比率很低。按照以上原理，植物灯基本都是做成红蓝组合、全蓝、全红三种形式，覆盖光合作用所需的波长范围。在视觉效果上，红蓝组合的植物灯呈现粉红色。红光促进植物发芽，开花, 蓝光促进植物生长，可以自主选择更合适的波长和颜色比例促进植物的生长。LED植物灯的红蓝灯色谱比例一般在5:1 10:1之间为宜，通常可选7 8:1的比例。当然有条件的可根据植物生长周期调整红色和蓝色光的比例最好。植物组织培养、蔬果种植、设施园艺与工厂化育苗和航天生态生保系统等。波长类型丰富、正好与植物光合成和光形态建成的光谱范围吻合；频谱波宽度半宽窄