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關于電容式濕度傳感器的應用
電容式濕度傳感器
摘要：利用電容式傳感器的特點和在設計電路中的表現(xiàn)設計了其在濕度測量方面的應用。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，利用單片機對測量結果進行分析處理，顯示和遠距離傳輸。本電路由電容式濕度傳感其硬件電路有濕敏電容器、轉換電路、E2PROM、單片機、調制解調器HT2012、帶濾波器及波形濾波器等組成。測量準確度達?2.5%，在測量相對濕度方面可以有很好的應用。
原理：電容式傳感器是將被測量的變化轉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構簡單，體積小，動態(tài)響應好，靈敏度高，分辨率高，能實現(xiàn)非接觸測量等特點，因而被廣泛應用于位移、加速度、振動、壓力、壓差、液位、等分含量等檢測領域。
這里主要介紹電容式傳感器的原理、結構類型、測量電路及其工程應用。當被測量的變化使S、d 或ε任意一個參數(shù)發(fā)生變化時，電容量也隨之而變，從而完成了由被測量到電容量的轉換。當式中的三個參數(shù)中兩個固定，一個可變，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。電容式傳感器的測量電路就是將電容式傳感器看成一個電容并轉換成電壓或其他電量的電路。因此，常用的測量電路主要有橋式電路、調頻電路、脈沖寬度制電路、運算放大器電路、二極管雙T 形交流電橋和環(huán)行二極管充放電法等。調頻電路實際是把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分,當輸入量導致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。
雖然可將頻率作為測量系統(tǒng)的輸出量，用以判斷被測非電量的大小，但此時系統(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。
調頻電容傳感器測量電路具有較高的靈敏度，可以測量高至0.01μm 級位移變化量。信號的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測量，并與計算機通信，抗干擾能力強，可以發(fā)送、接收以達到遙測遙控的目的。 因此，在實際應用中，常采用差動式結構，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。
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，將被測物理量的變化轉化為電容量的變化，再經(jīng)測量電路轉換為電壓、電流或頻率，以達到檢測或控制的目的。在過去，電容式傳感器主要應用于位移、加速度、角度和振動等機械量的精密測量；現(xiàn)在多用于壓力、壓差、液位、成份含量等方面的測量。電容式傳感器的特點是：測量范圍大；靈敏度高；動態(tài)響應好；小功率、高阻抗；機械損失�。唤Y構簡單，適應性強；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（變介質型）；按極板結構分為平板式和圓柱式；按被測量分為位移、壓力、應力、濕度、溫度等類型。 現(xiàn)在以平板電容器為例來說明其工作原理。如圖1所示。
x
圖1平板電容器
其電容為：C??d??0?
rSd,?為極板間介質介電函數(shù)，?0為真空介電
常數(shù)，?0?.6?(pF/cm),是介質相對介電常數(shù)，C??rs3.6?d。 當即板間距離?d（令:△d=x）后的電容為C1??S(d0?x)。?CC0?(C1?C0)0?(d0?x)這是實際非線性關系。靈敏度 Sn?(?C0)x?(d0?x)，當x相對于do很小時可以近似為:d0?x?d0 時，?CC0?d0，這是理想的線性關系。理想情況下:Sn?d0
非線性誤差：ef?d?x(?C)S?(?CC)Lx ?1?0?(?CC)Ld0d0
x
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、電容電場邊緣效應和寄生或分布電容等等都會對電容式傳感器產(chǎn)生影響。我們可以采取相應的措施來減少這些影響，如增大初始電容和加裝等位環(huán)，靜電屏蔽，電纜驅動等。
C
凹形玻璃膜片
電容式傳感器的運放測量電路原理圖如圖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是輸出信號電壓; Σ是虛地點。（傳感器為平板電容，Cx=εS/d）由運算放大器工作原理可得
???U?CdUoi?S
此式說明運算放大器的輸出電壓與極板間距離d成線性關系。 電容式傳感器的應用比較廣，主要用于測量位移、壓力、速度、介質、濃度、物位等物理量。相應地，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明其應用。如圖1-4中所示膜片為動電極，兩個在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構成差動電容器。當被測壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時，所形成的兩個電容器的電容量，一個增大，一個減小。該電容值的變化經(jīng)測量電路轉換成與壓力或壓力差相對應的電流或電壓的變化。
現(xiàn)在傳感器的應用十分廣泛，其發(fā)展趨勢逐漸趨向固態(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，我對傳感器和電容式傳感器的認識和了解。 電容式傳感器具體特點如下：
(1)結構簡單，適應性強
電容式傳感器結構簡單，易于制造，精度高，可以做得很小，以實現(xiàn)某些特殊的測量，電容式傳感器一般用金屬作電極，以無機材料作絕緣支承，因此可工作在高低溫、強輻射及強磁場等惡劣的環(huán)境中，能承受很大的溫度變化，承受高壓力、高沖擊、過載等；能測超高壓和
低壓差。
(2)動態(tài)響應好
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，可動部分可以做得小而薄，質量輕，因此固有頻率高，動態(tài)響應時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特適合于動態(tài)測量；可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數(shù)、如振動等。
(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解決輸入能量低的問題，如測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關，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)可實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應
如回轉軸的振動或偏心、小型滾珠軸承的徑向間隙等，采用非接觸測量時，電容式傳感器具有平均效應，可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。
不足之處是輸出阻抗高，負載能力差，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，尤其當采用音頻范圍內的交流電源 時，輸出阻抗更高，因此傳感器負載能力差，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、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導體構成的電容等“寄生電容”卻較大，降低了傳感器的 靈敏度，破壞了穩(wěn)定性，影響測量精度，因此對電纜的選擇、安裝、接法都要有要求。
電容式傳感器可用來測量直線位移、角位移、振動振幅(測至0.05μm 的微小振幅)，尤其適合測量高頻振動振幅、精密軸系回轉精度、加速度等機械量，還可用來測量壓力、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、測量電介質的濕度、密度、厚度等。在自動檢測和控制系統(tǒng)中也常常用來作為位置信號發(fā)生器。
電容式液位傳感器是利用被測介質面的變化引起電容變化的一種變介質型電容器。為用于檢測非導電液體的電容式傳感器。它是通過將被測介質的液面高度變化轉為電容器電容量的變化，當被測液體的液面在電容傳感器的兩同心圓柱形電極間變化時，引起極間不同介電常數(shù)介質的高度發(fā)生變化。
電容式傳感器是基于把被測非電物理量轉換為電容量的原理進行測量的，它在工業(yè)中被廣泛用于壓力、差壓、物位、液位、振動和位移等多種參數(shù)的檢測。
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，常采用差動式結構。
電容傳感器常用的測量電路主要有橋式電路、調頻電路、脈沖寬度 制電路、運算放大器電路、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，適用不同參數(shù)測量的場合。
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. 這些材料對水分子有較強的吸附能力 , 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 , 把電容值的變化轉變?yōu)殡娦盘?,就可以對濕度進行監(jiān)測. 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 . 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。當環(huán)境濕度發(fā)生改變時，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濕度成正比。濕敏電容的主要優(yōu)點是靈敏度高、產(chǎn)品互換性好、響應速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實現(xiàn)小 型化和集成化，其精度一般比濕敏電阻要低一些。國外生產(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，其測量范圍是（1%～99%）RH，在55%RH時的電容量為180pF（典型值）。當相對濕度從 0變化到100%時，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%，響應時間為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，在標準環(huán)境下不需校正，和長時間下快速脫濕，高可靠性，長時間穩(wěn)定性和快速反應等特點 。
結論：本設計主要應用的是電容式傳感器方面的知識，其中的知識點包括電容式傳感器，濕敏電容器等。本設計是通過對指定環(huán)境的濕度測量，輸出顯示，并對測量的數(shù)據(jù)進行分析，經(jīng)測試，該智能電容式濕度傳感器符合HART的技術規(guī)范，可直接掛在通信總線上，無需考慮傳感器的匹配信號問題，簡化系統(tǒng)布線設計，降低了成本，減少了故障率，確保可靠通信。同時，測量準確度高，抗干擾能力強,傳輸距離遠。 參考文獻
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