【正文】 濕度傳感器的數(shù)量是非常大的，我國的產(chǎn)量也是可觀的，僅氣象、環(huán)保、紡 織、生化等行業(yè)需求量就很大，另外農(nóng)業(yè)、食品、木材、煤炭等對濕度傳感器的需求也在不斷增加。而水果、種子、肉類等又需要保證在一定濕度的環(huán)境中，這些都須對濕度進行測量與控制。 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，對濕度控制需求越加迫切，要求濕度傳感器向微型化和集成化方向發(fā)展，同時要求傳感器抗污染。因此，隨著工農(nóng)業(yè)，國防、科技及整 個國民經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，對環(huán)境濕度的控制和檢測越來越受到人們的重視，市場也越來越大。自從 1978 年芬蘭 Vaisla 公司成功地研制了 Humicap 以來， 高分子濕度傳感器優(yōu)異性能在國際上獲得了越來越多領(lǐng)域的承認， 特別是 濕度量程寬、響應時間短、濕滯回差小、制作簡單、成本低 等優(yōu)點， 成為其它濕度傳感器激烈的競爭對手。 敏感元件與傳感器發(fā)展的總趨勢是 集成化、多功能化、智能化和系統(tǒng)化 。 2 . 新型敏感材料將加速開發(fā)，微電子、光電子、生物化學、信息處理等各種學科，各種新技術(shù)的互相滲透和綜合利用，可望研制出一批先進傳感器。將外部世界存在的溫度、壓力、流量、位移以及角度等模擬量 ( Analog Signal )轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再收集到計算機并進一步予以顯示、處理、傳輸與記錄這一過程，即稱為“ 數(shù)據(jù)采集”。數(shù)據(jù)采集技術(shù)在許多場合，如航天、航空、通信、交通、郵電等都得到了大量的應用。今天絕大部分 DSP 的開發(fā)工具和 DSP 應用產(chǎn)品并不是 DSP 芯片廠自己創(chuàng)造和研究， DSP 芯片制造商的主要注意力放在改進芯片設(shè)計、改革制造工藝，想法提高運算速度、增加功能、降低功耗、減小成本等方面，而不可能再花大力氣去從事開發(fā)工具、應用軟件和實際應用系統(tǒng)的 研發(fā)。而且 DSP 的應用領(lǐng)域仍在不斷地擴大，發(fā)展迅速異常。標準串行接口的電氣特性，有滿足可靠傳輸時的最大通信速度和傳輸距離指標。它的邏輯 0 規(guī)定為 +5+15 V 之間，邏輯 1 電平為 5 ~ 15 V 之間。在 20xx 年發(fā)布 USB 規(guī)范版本 中，已經(jīng)將 USB 支持的帶寬提升到 480 Mbps .USB 允許外設(shè)在主機和其它外設(shè)工作時進行連接配置使用及移除，即所謂的即插即用 Plug amp。 二 濕度傳感器 最早的濕度測量主要利用毛發(fā)或纖維在不同濕度下其長度發(fā)生變化，隨著社會需要向高精 尖領(lǐng)域的發(fā)展，盡管這種濕度測量方法仍在使用，但己遠遠不能滿足各種要求。 根據(jù)濕度測量原理的不同，將濕度傳感器給與不同的分類。 伸縮式濕度傳感器具有裝置簡單，使用方便等特點。實驗證明，濕度在 9 0 以上時， 毛發(fā)濕度計是不可靠的。 干濕球測濕法原理簡單，但其測量受到風速、溫度計本身準確度、大氣壓力測量準確度等因素的影響，尤其是方程系數(shù) A 值，取決于儀器結(jié)構(gòu)、使用條件等多種因素的影響。在露點上，只存在飽和水蒸氣的一個值。光電法要求冷凝表面的拋光達到與鏡面一樣的反射度。當輻射源上形成冷凝時，輻射檢測器便測出粒子流中的水滴。液氮制冷成本低，實現(xiàn)容易，測量 周期短，當時存在的缺點是制冷過程不易做到連續(xù)，只能進行單次測量 。測量范圍有糧食存儲、食品加工與存儲、金屬表面、藥品、加工與存儲、工作間衛(wèi)生間、房屋建筑、大氣監(jiān)測等濕度測定 。 固體電解質(zhì)濕度傳感器，它在無堿玻璃襯底上涂敷氯化鏗電解質(zhì)組成濕敏電阻。半導體陶瓷濕度傳感器，金屬氧化物半導體陶瓷材料具有線性和熱穩(wěn)定性好，抗污染能力強，響應時間短，壽命長，適用范圍寬等優(yōu)點因而這類傳感器發(fā)展很快、品種多，故特別適用于濕度的半自 動測量。該元件的基本結(jié)構(gòu)是在基片上鍍上一層梳狀金底部電極， 再涂上高分子感濕膜， 然后在膜上面鍍上另一層透水性好的金膜作為部電極。電容型濕敏材料常見的還有聚苯乙烯、聚酞亞胺、酪酸醋酸纖維等感濕材料。高分子有機介質(zhì)和陶瓷。 其中 ???ORU HaW 2?? (26) 1 0 0/)/( 0 buPb PW U ?? （ 27） 式中 :: ， 為相對濕度 0 % R H 時高分子的介電常數(shù) :a , b 為常數(shù) 。 與 U 呈線性關(guān)系， 從而由 元件電 容量的 大小，即可決定環(huán)境中相對濕度的大小。 高分子電容型濕度傳感器屬三層式結(jié)構(gòu)，即上層為方塊電極金屬膜層，中間是聚酞亞胺膜，下層是叉指狀電極金屬膜層，采用半導體硅片作為襯底材料 [ l 61 薄膜電容式濕度傳感器結(jié)構(gòu)如圖 220薄膜電容式濕度傳感器體積很小，高分子感濕膜很薄，并且將感濕電容制在基板上，基板起支撐感濕電容、增加機械強度的作用，可防止感濕膜伸縮及變形而使電容值發(fā)生變化，要求基板的材質(zhì)對水的反應是惰性的，可用玻璃等材料制作。元件采用聚酞亞胺 ( PI ) 為感濕材料，是將聚酞亞胺酸 ( P A ) 涂在基片上，經(jīng)亞胺化后制成的。制備濕度傳感器時，將聚酞亞胺調(diào)至合適濃度，成膜，并進行水環(huán)化 [ [ 1 7 1 。 其它類濕度傳感器 電磁波濕度傳感器 電磁波濕度傳感器是利用某些物質(zhì)吸附水汽后，振蕩頻率、傳播速度、整流特性等物理性能發(fā)生變化的原理來測定相對濕度。二極管型，由 P d Z n O 組成的二極管型濕度傳感器，整流特性隨 P d 吸濕程度而變，類似的濕度傳感器還有 S D O Z 濕敏二極管。 吸收式濕度傳感器 吸收式濕度傳感器是利用化學吸收劑或其它干燥劑，吸收濕氣體中水蒸直到完全干燥，然后測出水分的重量即可直接求出氣體的濕度。 小結(jié) 本章介紹了各種傳感器及其測量原理，重點闡述了電容式濕度傳感器，講述了其感濕機理，感濕材料和應用場合，同時，本章還介紹了市場上出現(xiàn)的各種濕度傳感器，從干濕球濕度計、毛發(fā)濕度 計和露點儀濕度傳感器到電子式濕度傳感器。但目前對這些質(zhì)量技術(shù)指標的測試方法及手段存在以下幾個問題 : 1 . 濕度源 ( 濕度發(fā)生裝置 )昂貴，不能為普及測試提供方 便及良好的條件 : 2 . 檢測電路精度不高，易受外界散雜小電容的干擾 。針對這些問題，設(shè)計目標為 : 1 . 提供一套高精度的濕度發(fā)生器，達到較高的性價比 。 濕度傳感器測量原理 目前濕度傳感器在生產(chǎn)過程中還停留在手工測試階段，存在很多問題，本節(jié)對電容式濕度傳感器進行了詳細地分析，利用電容式濕度傳感器的等效形式，闡述了使用復數(shù)電壓法測量對濕度傳感器的測量過程，建立了復數(shù)電壓法電容式濕度傳感器性能測試數(shù)學模型。 。 電容式濕度傳感器復數(shù)電壓法測量電路 圖 3 2是電容式濕度傳感器復數(shù)電壓法測量的具體測量電路，其電路組成包括三個部分 :微分電路、反相電路和積分電路。 復數(shù)電壓法電容式濕度傳感器性能測試數(shù)學模型的建立 如下圖 3 3 是電容式濕度傳感器復數(shù)電壓法在上述測量電路中的波形圖， ( a ) 表示正弦波發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波波形 。 圖 32 電容式濕度傳感器復數(shù)電壓法測量電路 從右圖實際濕度傳感器的測試結(jié)果中，可以看出，進行虛部測量時的積分區(qū)間為（ 0T/2），進行實部測量的積分區(qū)間為（ T/4~3T/4）。同時，電容量 C 的測量也包含在此表達式中。 進行虛部測量時，和上述積分時間段相同，在 T / 4 至 3 T / 4 時間段內(nèi)，對輸出 進行采樣，在 3 T / 4 至 5 T / 4 時間內(nèi)，對 進行采樣，由 于 和 .幅值相同，方向相反，所以兩個時間段的采樣值相同其表達式如下 : ???ni ibb xKD n 12 （ 316） 式中： n— 總共采樣的周期個數(shù) db 虛部測量值 Kb 修正值 xi 單次采樣結(jié)果： 由（ 313），（ 315）的推導，可得： db = Ck39。進行實部測量時，將采樣時間的起點改在 T/2 時刻，在 dsp 控制下，在 T/2 至 T 時間段內(nèi)，對輸出 vout 進行采樣，在 T 至 3T/2 時間內(nèi)，對 vout 進行采樣，由于 vout 和 vout 幅值相同，方向相反，所以兩個時間段的采樣值相同，表達式和虛部測量類似。 硬件模塊的實現(xiàn)方案 在本信息采集系統(tǒng) 硬件模塊中， 從功能 部件分，可以分為濕度源、 測控電路、通信接口三個部分。 溫度源模塊 核心測控電路模塊 串口通訊模塊 25 圖 35 以 MCU51 為核心的測量電路的實現(xiàn)過程 圖 3 6是采用 D S P 為核心的測量電路框圖，同上面 5 1 單片機測量過程相同，不同之處是少掉了正弦波發(fā)生器電路模塊，由于 D S P 是高速芯片，利用同步串口送出數(shù)字正弦波數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)經(jīng)過 D / A 轉(zhuǎn)換芯片之后，產(chǎn)生測量所需的正弦波，這個正弦波經(jīng)過濕度傳感器后，再經(jīng)過一系列的電路處理后，由 D S P 的 A/ D 采樣，數(shù)據(jù)采樣處理后的結(jié)果送往串口，由上位機顯示出測量值。能夠?qū)崿F(xiàn)高速測量 。 采用了 Texas Instruments 的高速 DS P 處理芯片 TMS320LF2407A 作為主控’器件，用來完成整個系統(tǒng)的控制、測量、運算，輸出以及與上位機的通信。在實際的測量中，如果采樣區(qū)間的不統(tǒng)一將造成數(shù)據(jù)有著很大的誤差，甚至出現(xiàn)結(jié)果誤判的情況。允許外設(shè)熱插拔，而不必關(guān)閉主機電源?？鄢糜诳偩€狀態(tài)控制和錯誤檢測等數(shù)據(jù)傳輸，最大理論速度也能達到 Mb / s 和 Mb/s 。 4，獨立供電。它可以有效彌補了以往接口方式的不足，簡了設(shè)備的連接和配置。 總體方案設(shè)計 由以上的分析，本系統(tǒng)的電路模塊設(shè)計框圖圖如圖 3 7所示。處理的結(jié)果通過串口電路傳給上位機，同時接收從上位機的信息。這部分設(shè)計電路同時還要考慮對于散雜小電容干擾的消除和批量測試中通道選擇的問題。在本系統(tǒng)中，利用弱電對強電的控制電路，通過計算機的控制面板，可以實現(xiàn)對濕度箱濕度源的自 動切換，同時進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳遞。過高或者過低的濕度，則會引起人們感覺不適。一般的情況下，空氣中的氮氣，二氧化碳氣體及稀有氣體的成份比較固定，而水汽的含量則會經(jīng)常變化。汽化的方式有蒸發(fā)和沸騰兩種，一種是氣體的自由表面作為氣一液的分界面的汽化過程稱為蒸發(fā)，如大海、江湖、池塘等表面的汽化 。在濕度測量中大多數(shù)屬于蒸發(fā)過程，如干濕球濕度計， 用濕球表面水分的蒸發(fā)來測量環(huán)境濕度，某些濕度發(fā)生器中制備飽和濕氣的過程等等。由純水組的水汽與冰的平衡 :濕空氣與氣體水的飽和 。因此， 在研究濕空氣時， 往往把它看成干空氣和水汽組成的二元氣體混合處理， 這樣可以使研究方法大大的簡便， 且不至于造成很大的誤差 . 濕度標準也因為此法， 應用干空氣和水汽在一定的壓力和溫度下， 按體積混合而成， 例如， 作為二級標準的濕度發(fā)生器， 精度 f %和 %. 濕度標準 測量濕度的儀器、方法和濕度傳感器種類繁多，僅從它們所依據(jù)的原理來劃分就不下二、三十種，而其中又有相當一部分是以實驗為依據(jù)的。目前各國使用的濕度計量標準，基本上是通過兩種并行的方式來實現(xiàn)量值的統(tǒng)一。 重量法是一種古老的濕度測量方法，由于科學技術(shù)的發(fā)展，隨著相應的測量設(shè)備精度的提高，才逐漸發(fā)展成為一種精密的測量方法。 平均濕度，不能測量瞬時濕度 。于是可以利用熱力學 尸 、 v , T 關(guān)系配制出所要求的濕度氣體。 第二類是混合法，它又可以分為混流法和分流法兩種。膜的一側(cè)是水 .由于膜兩側(cè)的水汽分壓不同，于是水汽通過膜向另一側(cè)滲透。 第五類是化學 方法。前者一般能夠取得較寬的濕度范圍和較高的準確度，但裝置復雜，價錢昂貴，在企業(yè)中使用不現(xiàn)實 。它可提供工作標準濕度。對于非揮發(fā)性溶質(zhì)，由于它的水汽壓很低其濃度的變化對水汽壓的影響可以忽略不計。 采用這種方法，關(guān)鍵是要知道一些物質(zhì)的濕度固定點。循環(huán)泵和控制閥 可以 加速濕度平衡，縮短檢測時間。在恒溫條件下，選擇不同的鹽盒后，經(jīng)一定的平衡時間，即可獲得由該盒內(nèi)飽和鹽溶液對應的相對濕度。下面列出了主要的設(shè)計參數(shù) 〔 單位 :MM) . 濕度箱體總體積： 640*450*730； 鹽箱的容積 ： 375*480*70； 元件箱容積： 150*155*75； 鹽的厚度： 1020； 面板的尺寸： 240*130； 電路板的尺寸： 150*155。 :由于濕度測試環(huán)境在具有恒定溫度的測試室，因而并不需要考慮溫度的長期產(chǎn)生溫度穩(wěn)定性，但是我們?nèi)孕枰跍y試箱與外界空氣有短暫接觸而波動時使用該測試箱內(nèi)部的溫度誤差最小。 :測試箱在通過氣道與鹽槽內(nèi)的氣體進行氣體交換時，通常需要較長的時間才能使測試箱的濕氣達到鹽箱的飽和氣濕度，而這個時間同測試箱濕氣與飽和氣體的體積比、氣體交換速度有關(guān)。飽和鹽溶液定點濕度發(fā)生裝置在濕度測量基準中屬于工作基準，在濕度等級中，干濕球溫度計法處于飽和鹽溶液法的上一等級，其測量精度達到國家二級標準。以下幾節(jié)將會對它們的設(shè)計進行詳細的說明。通過把存儲器和外設(shè)集成為一個單片器件， TMS320 系列降低了系統(tǒng)功耗，并節(jié)省了電路板的空間，提高系統(tǒng)的可靠性。 ，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)。