自動檢測課程設計報告--濕度傳感器及應用(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 電橋和差動放大，輸入同相加法器實現加法運算，補償環境溫度對濕度傳感器的影響，其中轉換電橋工作電壓由差動放大器輸出電壓通過電壓跟隨器提供。濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類。濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發生變化，利用這一特性即可測量濕度。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、酪酸醋酸纖維等。當環境濕度發生改變時，濕敏電容的介電常數發生變化，使其電容量也發生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。電子式濕敏傳感器的準確度可達23%RH，這比干濕球測濕精度高。濕敏元件的線性度及抗污染性差，在檢測環境濕度時，濕敏元件要長期暴露在待測環境中，很容易被污染而影響其測量精度及長期穩定性。這方面沒有干濕球測濕方法好。下面對各種濕度傳感器進行簡單的介紹。氯化鋰濕度傳感器（1）電阻式氯化鋰濕度計。這種元件具有較高的精度，同時結構簡單、價廉，適用于常溫常濕的測控等一系列優點。氯化鋰元件的測量范圍與濕敏層的氯化鋰濃度及其它成分有關。單個元件的有效感濕范圍一般在20%RH 以內。%的濃度對應的感濕范圍約為（80～100）%RH ，%的濃度對應范圍是（60～80）%RH 等。由此可見，要測量較寬的濕度范圍時，必須把不同濃度的元件組合在一起使用。可用于全量程測量的濕度計組合的元件數一般為5個，采用元件組合法的氯化鋰濕度計可測范圍通常為（15～100）%RH，國外有些產品聲稱其測量范圍可達（2 ～100）%RH 。（2）露點式氯化鋰濕度計露點式氯化鋰濕度計是由美國的 Forboro 公司首先研制出來的，其后我國和許多國家都做了大量的研究工作。這種濕度計和上述電阻式氯化鋰濕度計形式相似，但工作原理卻完全不同。簡而言之，它是利用氯化鋰飽和水溶液的飽和水汽壓隨溫度變化而進行工作的。碳濕敏元件碳濕敏元件是美國的 和 于1942年首先提出來的，與常用的毛發、腸衣和氯化鋰等探空元件相比，碳濕敏元件具有響應速度快、重復性好、無沖蝕效應和滯后環窄等優點，因之令人矚目。我國氣象部門于70年代初開展碳濕敏元件的研制，并取得了積極的成果，其測量不確定度不超過177。5%RH ，時間常數在正溫時為2～3s，滯差一般在7%左右，比阻穩定性亦較好。氧化鋁濕度計氧化鋁傳感器的突出優點是，體積可以非常小（例如用于探空儀的濕敏元件僅90μm厚、12mg重），靈敏度高（測量下限達110℃露點），響應速度快（一般在 到 3s 之間），測量信號直接以電參量的形式輸出，大大簡化了數據處理程序，等等。另外，它還適用于測量液體中的水分。如上特點正是工業和氣象中的某些測量領域所希望的。因此它被認為是進行高空大氣探測可供選擇的幾種合乎要求的傳感器之一。也正是因為這些特點使人們對這種方法產生濃厚的興趣。然而，遺憾的是盡管許多國家的專業人員為改進傳感器的性能進行了不懈的努力，但是在探索生產質量穩定的產品的工藝條件，以及提高性能穩定性等與實用有關的重要問題.上始終未能取得重大的突破。因此，到目前為止，傳感器通常只能在特定的條件和有限的范圍內使用。近年來，這種方法在工業中的低霜點測量方面開始嶄露頭角。陶瓷濕度傳感器在濕度測量領域中，對于低濕和高濕及其在低溫和高溫條件下的測量，到目前為止仍然是一個薄弱環節，而其中又以高溫條件下的濕度測量技術最為落后。以往，通風干濕球濕度計幾乎是在這個溫度條件下可以使用的唯一方法，而該法在實際使用中亦存在種種問題，無法令人滿意。另一方面，科學技術的進展，要求在高溫下測量濕度的場合越來越多，例如水泥、金屬冶煉、食品加工等涉及工藝條件和質量控制的許多工業過程的濕度測量與控制。因此，自60年代起，許多國家開始竟相研制適用于高溫條件下進行測量的濕度傳感器。 考慮到傳感器的使用條件，人們很自然地把探索方向著眼于既具有吸水性又能耐高溫的某些無機物上。實踐已經證明，陶瓷元件不僅具有濕敏特性，而且還可以作為感溫元件和氣敏元件。這些特性使它極有可能成為一種有發展前途的多功能傳感器。寺日、福島、新田等人在這方面已經邁出了頗為成功的一步。他們于 1980 年研制成稱之為“濕瓷 Ⅱ型”和“濕瓷 Ⅲ型”的多功能傳感器。前者可測控溫度和濕度，主要用于空調，后者可用來測量濕度和諸如酒精等多種有機蒸氣，主要用于食品加工方面。以上兩種是應用較多的傳感器，另外還有其他根據不同原理而研制的濕度傳感器如：氧化鋁濕度計、碳濕敏元件等濕度傳感器測量電路由濕度傳感器，差動放大器，同相加法放大器等主電路組成；為了實現溫度補償功能，選擇鉑電阻溫度傳感器采集環境溫度，通過轉換電橋和差動放大，輸入同相加法器實現加法運算，補償環境溫度對濕度傳感器的影響，其中轉換電橋工作電壓由差動放大器輸出電壓通過電壓跟隨器提供。 電路設計原理框圖原理框圖：圖31 原理框圖總的工作原理圖：差動放大電路差動放大器:是把二個輸入信號分別輸入到運算放大器的同相和反相二個輸入端，然后在輸出端取出二個信號的差模成分，而盡量抑制二個信號的共模成分的電路。采用差動放大器電路，有利于抑制共模干擾和減小漂移。圖41 差動放大電路溫度補償電路濕度傳感器具有正或負的溫度系數，其溫度系數大小不一，工作溫區有寬有窄。所以要考慮溫度補償問題。 對于半導體陶瓷傳感器，其電阻與溫度的的關系一般為指數函數關