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關(guān)于電容式濕度傳感器的應(yīng)用
電容式濕度傳感器
摘要：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原件電容器為基本感濕原件，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其硬件電路有濕敏電容器、轉(zhuǎn)換電路、E2PROM、單片機(jī)、調(diào)制解調(diào)器HT2012、帶濾波器及波形濾波器等組成。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。
原理：電容式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種裝置，它本身就是一種可變電容器。由于這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高，分辨率高，能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于位移、加速度、振動(dòng)、壓力、壓差、液位、等分含量等檢測(cè)領(lǐng)域。
這里主要介紹電容式傳感器的原理、結(jié)構(gòu)類型、測(cè)量電路及其工程應(yīng)用。當(dāng)被測(cè)量的變化使S、d 或ε任意一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，電容量也隨之而變，從而完成了由被測(cè)量到電容量的轉(zhuǎn)換。當(dāng)式中的三個(gè)參數(shù)中兩個(gè)固定，一個(gè)可變，使得電容式傳感器有三種基本類型：變極距型電容傳感器、變面積型電容傳感器和變介電常數(shù)型電容傳感器。電容式傳感器的測(cè)量電路就是將電容式傳感器看成一個(gè)電容并轉(zhuǎn)換成電壓或其他電量的電路。因此，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)行二極管充放電法等。調(diào)頻電路實(shí)際是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)過放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來(lái)。
調(diào)頻電容傳感器測(cè)量電路具有較高的靈敏度，可以測(cè)量高至0.01μm 級(jí)位移變化量。信號(hào)的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測(cè)量，并與計(jì)算機(jī)通信，抗干擾能力強(qiáng)，可以發(fā)送、接收以達(dá)到遙測(cè)遙控的目的。 因此，在實(shí)際應(yīng)用中，常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，既使靈敏度提高1倍，又使非線性誤差大大降低，抗干擾能力增強(qiáng)。
電容式傳感器，顧名思義，指的是電容與傳感器的組合。它是傳感器的其中一種，因而也是由敏感元件、傳感元件、測(cè)量電路組成。所不同的是，它以各種類型的電容器為傳感元件，將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)化為電容量的變化，再經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率，以達(dá)到檢測(cè)或控制的目的。在過去，電容式傳感器主要應(yīng)用于位移、加速度、角度和振動(dòng)等機(jī)械量的精密測(cè)量；現(xiàn)在多用于壓力、壓差、液位、成份含量等方面的測(cè)量。電容式傳感器的特點(diǎn)是：測(cè)量范圍大；靈敏度高；動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；小功率、高阻抗；機(jī)械損失�。唤Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)；但寄生電容影響大，而且變間隙式電容傳感器存在非線性誤差。電容式傳感器的分類也是多種多樣的，按工作原理可分為變間隙式（變極距型）、變面積式、變介電常數(shù)式（變介質(zhì)型）；按極板結(jié)構(gòu)分為平板式和圓柱式；按被測(cè)量分為位移、壓力、應(yīng)力、濕度、溫度等類型。 現(xiàn)在以平板電容器為例來(lái)說(shuō)明其工作原理。如圖1所示。
x
圖1平板電容器
其電容為：C??d??0?
rSd,?為極板間介質(zhì)介電函數(shù)，?0為真空介電
常數(shù)，?0?.6?(pF/cm),是介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)，C??rs3.6?d。 當(dāng)即板間距離?d（令:△d=x）后的電容為C1??S(d0?x)。?CC0?(C1?C0)0?(d0?x)這是實(shí)際非線性關(guān)系。靈敏度 Sn?(?C0)x?(d0?x)，當(dāng)x相對(duì)于do很小時(shí)可以近似為:d0?x?d0 時(shí)，?CC0?d0，這是理想的線性關(guān)系。理想情況下:Sn?d0
非線性誤差：ef?d?x(?C)S?(?CC)Lx ?1?0?(?CC)Ld0d0
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圖2變極距型傳感器的特性曲線
由上述可知，可以通過提高靈敏度和減小非線性誤差的方法來(lái)改善電容式傳感器的性能。但是影響電容式傳感器的因素很多，溫度、電容電場(chǎng)邊緣效應(yīng)和寄生或分布電容等等都會(huì)對(duì)電容式傳感器產(chǎn)生影響。我們可以采取相應(yīng)的措施來(lái)減少這些影響，如增大初始電容和加裝等位環(huán)，靜電屏蔽，電纜驅(qū)動(dòng)等。
C
凹形玻璃膜片
電容式傳感器的運(yùn)放測(cè)量電路原理圖如圖1-3所示，圖中Cx為電容
式傳感器電容；Ui是交流電源電壓;Uo是輸出信號(hào)電壓; Σ是虛地點(diǎn)。（傳感器為平板電容，Cx=εS/d）由運(yùn)算放大器工作原理可得
???U?CdUoi?S
此式說(shuō)明運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離d成線性關(guān)系。 電容式傳感器的應(yīng)用比較廣，主要用于測(cè)量位移、壓力、速度、介質(zhì)、濃度、物位等物理量。相應(yīng)地，產(chǎn)生了很多類型的電容式傳感器，如電容式位移傳感器、電容式壓力傳感器、電容式加速度傳感器、電容式液位傳感器等等。
現(xiàn)以電容壓力傳感器為例說(shuō)明其應(yīng)用。如圖1-4中所示膜片為動(dòng)電極，兩個(gè)在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構(gòu)成差動(dòng)電容器。當(dāng)被測(cè)壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時(shí)，所形成的兩個(gè)電容器的電容量，一個(gè)增大，一個(gè)減小。該電容值的變化經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對(duì)應(yīng)的電流或電壓的變化。
現(xiàn)在傳感器的應(yīng)用十分廣泛，其發(fā)展趨勢(shì)逐漸趨向固態(tài)化、集成化、多功能化、圖像化以及智能化。
上述就是到目前為止，我對(duì)傳感器和電容式傳感器的認(rèn)識(shí)和了解。 電容式傳感器具體特點(diǎn)如下：
(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)
電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，精度高，可以做得很小，以實(shí)現(xiàn)某些特殊的測(cè)量，電容式傳感器一般用金屬作電極，以無(wú)機(jī)材料作絕緣支承，因此可工作在高低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣的環(huán)境中，能承受很大的溫度變化，承受高壓力、高沖擊、過載等；能測(cè)超高壓和
低壓差。
(2)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好
電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小，可動(dòng)部分可以做得小而薄，質(zhì)量輕，因此固有頻率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特適合于動(dòng)態(tài)測(cè)量；可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測(cè)量高速變化的參數(shù)、如振動(dòng)等。
(3)分辨率高
由于傳感器的帶電極板間的引力極小，需要輸入能量低，所以特別適合于用來(lái)解決輸入能量低的問題，如測(cè)量極小的壓力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力非常高，能感受0.001μm ，甚至更小的位移。
(4)溫度穩(wěn)定性好
電容式傳感器的電容值一般與電極材料無(wú)關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又由于本身發(fā)熱極小，因此影響穩(wěn)定性也極微小。
(5)可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)
如回轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)或偏心、小型滾珠軸承的徑向間隙等，采用非接觸測(cè)量時(shí)，電容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。
不足之處是輸出阻抗高，負(fù)載能力差，電容傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十皮法到幾百皮法，使傳感器輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源 時(shí)，輸出阻抗更高，因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象；寄生電容影
響大，電容式傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電容、測(cè)量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大，降低了傳感器的 靈敏度，破壞了穩(wěn)定性，影響測(cè)量精度，因此對(duì)電纜的選擇、安裝、接法都要有要求。
電容式傳感器可用來(lái)測(cè)量直線位移、角位移、振動(dòng)振幅(測(cè)至0.05μm 的微小振幅)，尤其適合測(cè)量高頻振動(dòng)振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量，還可用來(lái)測(cè)量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測(cè)量電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等。在自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中也常常用來(lái)作為位置信號(hào)發(fā)生器。
電容式液位傳感器是利用被測(cè)介質(zhì)面的變化引起電容變化的一種變介質(zhì)型電容器。為用于檢測(cè)非導(dǎo)電液體的電容式傳感器。它是通過將被測(cè)介質(zhì)的液面高度變化轉(zhuǎn)為電容器電容量的變化，當(dāng)被測(cè)液體的液面在電容傳感器的兩同心圓柱形電極間變化時(shí)，引起極間不同介電常數(shù)介質(zhì)的高度發(fā)生變化。
電容式傳感器是基于把被測(cè)非電物理量轉(zhuǎn)換為電容量的原理進(jìn)行測(cè)量的，它在工業(yè)中被廣泛用于壓力、差壓、物位、液位、振動(dòng)和位移等多種參數(shù)的檢測(cè)。
電容傳感器有三種類型：變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型，其中極距型和介電常數(shù)型電容傳感器為非線性，而變面積型是線性的，在實(shí)際使用中為提高傳感器的線性度和抗干擾能力，增大靈敏度，常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。
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。
電容式濕度傳感器的敏感元件為濕敏電容 ,主要材料一般為高分子聚合物 、金屬氧化物. 這些材料對(duì)水分子有較強(qiáng)的吸附能力 , 吸附水分的多少隨環(huán)境濕度而變化 . 由于水分子有較大的電偶極矩 ,吸水后材料的電容率發(fā)生變化. 電容器的電容值也就發(fā)生變化. 同樣 , 把電容值的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào) ,就可以對(duì)濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè). 例如 , 聚苯乙烯薄膜濕敏電容. 通過等離子體法聚合的聚苯乙烯具有親水性極性基團(tuán) . 隨著環(huán)境濕度的增減,它吸濕脫濕,電容值也隨之增減。從而得到的電信號(hào)隨濕度的變化而變化。
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)，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）。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。
濕敏電容器的感濕是材料是固態(tài)高分子聚合物,具有全互換性，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下不需校正，和長(zhǎng)時(shí)間下快速脫濕，高可靠性，長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性和快速反應(yīng)等特點(diǎn) 。
結(jié)論：本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用的是電容式傳感器方面的知識(shí)，其中的知識(shí)點(diǎn)包括電容式傳感器，濕敏電容器等。本設(shè)計(jì)是通過對(duì)指定環(huán)境的濕度測(cè)量，輸出顯示，并對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，經(jīng)測(cè)試，該智能電容式濕度傳感器符合HART的技術(shù)規(guī)范，可直接掛在通信總線上，無(wú)需考慮傳感器的匹配信號(hào)問題，簡(jiǎn)化系統(tǒng)布線設(shè)計(jì)，降低了成本，減少了故障率，確�？煽客ㄐ�。同時(shí)，測(cè)量準(zhǔn)確度高，抗干擾能力強(qiáng),傳輸距離遠(yuǎn)。 參考文獻(xiàn)
[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．
[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．
[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．
[4]http://wenku.baidu.com/view/9983eaeef8c75fbfc77db2a5.html
[5] http://wenku.baidu.com/view/cc202f563c1ec5da50e2702f.html
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