【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，例如水泥、金屬冶煉、食品加工等涉及工 藝條件和質(zhì)量控制的許多工業(yè)過(guò)程的濕度測(cè)量與控制。因此，自 60 年代起，許多國(guó)家開(kāi)始竟相研制適用于高溫條件下進(jìn)行測(cè)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(wú)機(jī)物上。實(shí)踐已經(jīng)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(fā)展前途的多 功能傳感器。寺日、福島、新田等人在這方面已經(jīng)邁出了頗為成功的一步。他們于 1980 年研制成了稱之為“濕瓷 Ⅱ型”和“濕瓷 Ⅲ型”的多功能傳感器。前者可測(cè)控溫度和濕度，主要用于空調(diào)，后者可用來(lái)測(cè)量濕度和諸如酒精等多種有機(jī)蒸汽，主要用于食品加工方面 [7]。 （ 4） 光電式濕度傳感器： 近年來(lái) , 隨著光纖技術(shù)和光集成技術(shù)的發(fā)展 ,光學(xué)濕度傳感器受到極大關(guān)注 并被廣泛應(yīng)用。該類傳感器主要是利用光學(xué)材料在空氣相對(duì)濕度發(fā)生變化后 , 材 料媒介層理化性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化 , 從而引起波長(zhǎng)、波導(dǎo)及反射系 數(shù)等光學(xué)參數(shù)發(fā)生 變化來(lái)進(jìn)行濕度測(cè)量。由于光學(xué)濕度傳感器具有體積小、響應(yīng)快、抗電磁干擾、 抗高溫、動(dòng)態(tài)范圍大、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn) ,使其在惡劣的環(huán)境中發(fā)揮天然優(yōu)勢(shì)。在極端環(huán)境測(cè)量領(lǐng)域 ,光電技術(shù)的應(yīng)用解決了濕敏元件長(zhǎng)期暴露在待測(cè)環(huán)境中 , 容易被污染及腐蝕 , 從而影響其測(cè)量精度及長(zhǎng)期穩(wěn)定性這一難題 , 促進(jìn)了濕度傳感器領(lǐng)域的非接觸檢測(cè)和無(wú)損檢測(cè) [8]。 （ 5） 電容式濕度傳感器： 電容式濕度傳感器作為第三代濕度傳感器的代表，以其測(cè)量范圍寬、響應(yīng)速 度快、溫漂小、穩(wěn)定性好和使用方便等特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用，但目前國(guó)內(nèi)外 生 產(chǎn)的產(chǎn)品普遍存在著價(jià)格昂貴這一不利因素。本文根據(jù)谷物的介電常數(shù)隨谷物 濕度變化而改變的特性，采用濕度傳感器的傳統(tǒng)工藝，研制出了性能較為理想的廉價(jià)電容式濕度傳感器。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 研究的意義 工業(yè)分工中越來(lái)越細(xì)，對(duì)食物，設(shè)備，零件等工業(yè)產(chǎn)品的存儲(chǔ)提出了新的要求，不僅要求在常溫常濕下能順利運(yùn)行，而且在一些對(duì)溫度與濕度要求相當(dāng)高的領(lǐng)域也能不出現(xiàn)任何問(wèn)題，保證工業(yè)生產(chǎn)的有序性，這就對(duì)這些設(shè)備產(chǎn)品的生產(chǎn)，調(diào)試和存儲(chǔ)，實(shí)驗(yàn)提出了一系列的新的要求，而傳統(tǒng)的生產(chǎn)，調(diào)試，實(shí)驗(yàn)這些產(chǎn)品的設(shè)備并不能滿足這些急劇增長(zhǎng)的要求，故從源頭上 改變這樣的情況成為了新的熱點(diǎn)。 基于 AT89S52 溫度濕度測(cè)控系統(tǒng)，可把各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)信息有效的結(jié)合起來(lái)，既可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)的測(cè)量控制，整體的控制而且能根據(jù)不同的情況要求，來(lái)從軟件角度改變實(shí)際的功能，更加靈活。本論文以 AT89S52 溫度傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建簡(jiǎn)單的基于 AT89S52 溫度濕度測(cè)控系統(tǒng)。 基于 AT89S52 溫度濕度測(cè)控系統(tǒng)的作用在于控制溫度和濕度，創(chuàng)造不同的條件，從而能滿足不同的生產(chǎn)的需要，改變零件、產(chǎn)品等對(duì)自然環(huán)境的依賴性，更好的促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)，提高工業(yè)生產(chǎn)的效率。 文 章結(jié)構(gòu) 本文從先從影響溫度濕度測(cè)控的因素出發(fā)，分析溫度濕度測(cè)控系統(tǒng)的誤差，第三章重點(diǎn)介紹基于 AT89S52 溫度測(cè)控系統(tǒng)硬件，第四章介紹基于 AT89S52 溫度測(cè)控系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 第二章 AT89S52 溫濕度測(cè)控系統(tǒng)的誤差分析 用傳感器測(cè)量溫濕度時(shí)，面臨著復(fù)雜的傳熱影響。當(dāng)傳感器的測(cè)量端熱平 衡時(shí)，其溫濕度趨于穩(wěn)定，即傳感器的測(cè)量端向外傳遞的熱量是由氣體的熱量來(lái)補(bǔ)償?shù)?，這就使傳感器的測(cè)量端溫濕度與氣體溫度產(chǎn)生一個(gè)微小的傳遞誤差。在接觸式測(cè)溫中熱量是由導(dǎo)熱、對(duì)流和輻 射三種形式傳遞的。為減小傳熱誤差，計(jì)算、分析影響傳熱誤差的因素是十分必要的。相對(duì)于本系統(tǒng)而言，可以采取多種的誤差分析方法。 接觸式測(cè)溫中的導(dǎo)熱誤差 在接觸式測(cè)溫中，將溫度傳感器安裝插入在被測(cè)的流體中。當(dāng)溫度穩(wěn)定時(shí)，傳感器的插入深度不當(dāng)是造成測(cè)量誤差的主要原因。安裝在容器或管道上的傳感器測(cè)量端，可以認(rèn)為是一根細(xì)長(zhǎng)桿的導(dǎo)熱，傳感器的橫截面一般為圓形，其內(nèi)徑遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度表面熱阻又很大，故可認(rèn)為傳感器的測(cè)量端不存在徑向溫度梯度。這樣沿測(cè)量端長(zhǎng)度方向的導(dǎo)熱可以按一維穩(wěn)定導(dǎo)熱來(lái)看待。根據(jù)熱力學(xué)理論，可以推 導(dǎo)出當(dāng)測(cè)量溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，傳感器 (熱電偶 )端部的導(dǎo)熱誤差。 ()fwf TTTT ch L M??? （ 21） 公式中 2M A???? ，代入（ 21）式有 ()fwfTTTTch L A?????? （ 22） 歸并整理式（ 22），得到被測(cè)氣體實(shí)際溫度為 * ( )( ) 1wfT ch L TATch L A????????? （ 23） 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 式中 fT —— 氣流溫度 wT —— 熱電偶測(cè)量溫度 T —— 壁溫 L—— 熱電偶插入深度 M —— 綜合傳熱系數(shù) μ —— 熱電偶周長(zhǎng) α —— 氣流與熱電偶的對(duì)流傳熱系數(shù) λ —— 熱電偶導(dǎo)熱系數(shù) d —— 熱電偶直徑 A —— 熱電偶截面積 ch —— 雙曲余弦函數(shù) 在已知熱電偶插入深度 L、對(duì)流傳熱系數(shù) d、直徑 d 和器壁溫度 wT 的情況下，根據(jù)熱電偶指示溫 T，可按式（ 22）計(jì)算導(dǎo)熱誤差，按式（ 23）計(jì)算實(shí)際氣體溫度。 從式（ 21）可知增加溫度傳感器的插入深度 L 是減小導(dǎo)熱誤差比較現(xiàn)實(shí)和有效的措施。增加插入深度也可增加對(duì)流傳熱面積和導(dǎo)熱熱 阻。從式（ 21）不難得到，插入深度 L 應(yīng)在 4M 到 6M 之間。 L 小于 4M 時(shí)，由 L 引起的誤差顯著增大， L 大于 6M 時(shí)，對(duì)減小誤差無(wú)顯著影響。 例如，分別使用鋼保護(hù)套管和陶瓷保護(hù)套管的 tP 100 熱電阻，在室溫下插入不同深度測(cè)量冰水混合物溫度。得出測(cè)量誤差與插入深度關(guān)系如圖 21 所示。 圖 21 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 曲線①為鋼保護(hù)套管熱電阻插入深度與誤差關(guān)系曲線；曲線②為陶瓷保護(hù)套 管插入深度與誤差關(guān)系曲線。圖 22 說(shuō)明了傳感器插入深度與誤差關(guān)系，理論與實(shí)際基本一致。同時(shí)也說(shuō)明在 同樣介質(zhì)條件下，要滿足同樣誤差要求，導(dǎo)熱系數(shù)大的傳感器要比導(dǎo)熱系數(shù)小的傳感器插得更深一些。在確定傳感器插人深度時(shí)，應(yīng)十分注意的一個(gè)問(wèn)題是傳感器的斷裂。當(dāng)傳感器插入管道時(shí)，流體經(jīng)過(guò)保護(hù)套管的下游某處會(huì)產(chǎn)生漩渦即卡門(mén)漩渦。如果這種漩渦的頻率接近傳感器保護(hù)套管的固有頻率，則長(zhǎng)期在線使用時(shí)會(huì)使套管振動(dòng)斷裂。對(duì)這種情況，應(yīng)改變保護(hù)套管的長(zhǎng)度，使它的固有頻率不同于漩渦的頻率，必要時(shí)可以通過(guò)計(jì)算確定插入深度。因此，確定適當(dāng)?shù)牟迦肷疃瓤捎行У販p小測(cè)溫誤差。其次在器壁外面敷設(shè)保溫材料提高器壁溫度，并盡可能選取導(dǎo)熱系數(shù)小的、直 徑細(xì)的傳感器，也可以減小導(dǎo)熱誤差。 接觸式測(cè)溫中的輻射誤差 溫度傳感器與氣體、器壁間的輻射傳熱將使其測(cè)量端的溫度偏離被測(cè)氣流的溫度，這一誤差稱為輻射誤差。因而在測(cè)量高溫氣流溫度時(shí)，輻射誤差遠(yuǎn)大于導(dǎo)熱誤差。若氣體與熱電偶的熱交換以對(duì)流傳熱為主，不計(jì)輻射傳熱，當(dāng)氣流速度較大，氣體的輻射能力小，此時(shí)熱電偶與器壁間的輻射傳熱應(yīng)等于氣體以對(duì)流方式傳給熱電偶的熱量，從而可得輻射誤差。 440* [ ( ) ( ) ]1 0 0 1 0 0wf TTTT ???? ? ? （ 24） 式中ε 一熱電偶保護(hù)套管的黑度 α 一對(duì) 流傳熱系數(shù) δ 一絕對(duì)黑體的輻射常數(shù) 7 7 10 .W Km?? 由式 (24)可知，在氣體以對(duì)流傳熱為主時(shí)增加氣流的流動(dòng)速度，即增大對(duì)流 傳熱系數(shù)可減少導(dǎo)熱誤差，同時(shí)也可以減小輻射誤差。提高器壁溫度也可以減小 輻射誤差，將熱電偶安裝在遮熱罩中，就是基于這一考慮的。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 采用粗細(xì)不同的兩對(duì)熱電偶組成雙熱電偶，由于它們的直徑不同．其輻射散 熱面積不同，被測(cè)介質(zhì)對(duì)它們的放熱系數(shù)也不同。所以盡管熱電偶的材料相同， 它們所反映的被測(cè)溫度卻不同。如圖 24 所示，由雙熱電偶測(cè)得的溫度值 2T 和 39。2T 可推算出被測(cè)溫度 1T 值，修正輻射 誤差，具體分析修正情況如下。 當(dāng)雙熱電偶的插入深度適當(dāng)時(shí)，兩支熱電偶的輻射率相等，導(dǎo)熱誤差可忽略不計(jì)。由傳熱學(xué)理論得到所測(cè)的氣體溫度為 121442 244111 ( )fwwTTTTTT dT T d???????（ 25） 式中 d1 、 d2 —— 熱電偶直徑 T T2 —— 熱電偶相應(yīng)的指示溫度 wT —— 器壁溫度 式中等號(hào)右側(cè)第二項(xiàng)就是輻射誤差修正值。在一般情況下，熱電偶測(cè)量端的溫度遠(yuǎn)大于器壁溫度。即 4 4 4wT T T?? 故可得 12122111 ( )fTTTTTdTd????? （ 26） 在測(cè)量氣流溫度時(shí)，用粗、細(xì)雙支熱電偶分別測(cè)得 T T2，然后根據(jù)式（ 26） 修正指示值，便可得到氣流的實(shí)際溫度。 溫度傳感器測(cè)量瞬態(tài)溫度的誤差 溫度傳感器對(duì)其被測(cè)介質(zhì)溫度變化的響應(yīng)是人們十分關(guān)心的問(wèn)題。通常將溫度變化分為斜坡式變化，即介質(zhì)溫度隨時(shí)間從 T1 線性變化到 T2；及階躍式變化．即介質(zhì)溫度按正弦曲線隨時(shí)間常數(shù)表示等二種。時(shí)間常數(shù)τ隨溫度而變化。但在一般情況下，若被測(cè)介質(zhì)溫度變化相對(duì)較小時(shí)，可視熱電偶、熱電阻等溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)為定值。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 假定傳到傳感器上的所有熱量都是通過(guò)對(duì)流而來(lái)，而且所有傳來(lái)的熱量都被敏感器吸收。即系統(tǒng)的熱阻集中在 傳感器測(cè)量端周?chē)膶?duì)流傳熱膜上。而系統(tǒng)的熱容量則集中在傳感器測(cè)量端本身。利用牛頓冷卻定律和布萊克的熱容方程。推導(dǎo)出在時(shí)間為 t 時(shí)傳感器溫度 T 的微分方程的通解為 01t t tT T TcT C e e T e dt??? ? (27) 式中 C—— 積分常數(shù)，由邊界條件確定 Te—— 在時(shí)間 t 時(shí)刻時(shí)的介質(zhì)溫度 T— 一在時(shí)間 t 時(shí)的介質(zhì)溫度 τ —— 時(shí)間常數(shù) 若被測(cè)介質(zhì)溫度以斜坡式變化，將 t=0、 T＝ T1＝ C、 Te=T2+kt 邊界條件代人 式 (27)， k 為介質(zhì)溫度變化率 (℃ /s)，得溫度傳感器對(duì)斜坡式溫度變化的反應(yīng) (以 溫差表示 )為 21(1 ) ( )tte T TT T k e T T e?? ? ? ? ? (28) 若被測(cè)介質(zhì)溫度以階躍式變化，將 t=0、 T=T1=C、 Te=T2 邊界條件代入式(28)，得溫度傳感器對(duì)階躍式溫度變化的反應(yīng) (以溫差表示 )為 1()nteeT T T T e? ? ? (29) 若被測(cè)介質(zhì)溫度以周期性變化，將 t=O、 T=T1=C、 sin( )2 wteTT? 邊界條件代入式（ 27） (ω表示介質(zhì)的強(qiáng)迫脈動(dòng)頻率，單位為弧度 )，得傳感器的脈動(dòng)幅度與介質(zhì)的脈動(dòng)幅度之比為 m ax 122 21[1 ( ) ]TT??? ? (210) 由式 (27)、 (28)、 (29)可知，動(dòng)態(tài)誤差與傳感器的一階慣性環(huán)節(jié)時(shí)間數(shù) 有關(guān)，與傳感器的靜態(tài)精度及時(shí)間常數(shù)有關(guān)，與被測(cè)介質(zhì)溫度變化率有關(guān)。實(shí)際 測(cè)溫中，不同溫度測(cè)點(diǎn)對(duì)傳感器時(shí)間常數(shù)的要求是不一樣的，應(yīng)根據(jù)誤差要求推 算適宜的時(shí)間常數(shù)。對(duì)任何溫度測(cè)點(diǎn)，都應(yīng)選擇時(shí)間常數(shù)較小的溫度傳感器，以 盡量減少因溫度傳感器熱惰性對(duì)而動(dòng)態(tài)溫度變化的測(cè)量誤差。 相對(duì)濕度的溫度補(bǔ)償問(wèn)題 [9] 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 在計(jì)量法中濕度定義為“物象狀態(tài)的量”，即在一定溫度時(shí)，單位體積的空氣中所含水蒸汽的份量 (gm)，相對(duì)濕度是指在一定溫度時(shí)，空氣中的實(shí)際水蒸氣含量與 飽和值之比，用百分比表示。日常生活中常用相對(duì)濕度 (%RH 表示 )表示空氣狀況，是可直接觀測(cè)的最普通的濕度量值。絕對(duì)濕度 (absolute humidity)：?jiǎn)挝惑w積 (1m3) 的氣體中含有水蒸氣的質(zhì)量，即：