【文章內容簡介】 ，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(yè)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(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汽，主要用于食品加工方面 [7]。 （ 4） 光電式濕度傳感器： 近年來 , 隨著光纖技術和光集成技術的發(fā)展 ,光學濕度傳感器受到極大關注 并被廣泛應用。該類傳感器主要是利用光學材料在空氣相對濕度發(fā)生變化后 , 材 料媒介層理化性質會發(fā)生變化 , 從而引起波長、波導及反射系 數(shù)等光學參數(shù)發(fā)生 變化來進行濕度測量。由于光學濕度傳感器具有體積小、響應快、抗電磁干擾、 抗高溫、動態(tài)范圍大、靈敏度高等優(yōu)點 ,使其在惡劣的環(huán)境中發(fā)揮天然優(yōu)勢。在極端環(huán)境測量領域 ,光電技術的應用解決了濕敏元件長期暴露在待測環(huán)境中 , 容易被污染及腐蝕 , 從而影響其測量精度及長期穩(wěn)定性這一難題 , 促進了濕度傳感器領域的非接觸檢測和無損檢測 [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，以其測量范圍寬、響應速 度快、溫漂小、穩(wěn)定性好和使用方便等特點，得到了廣泛的應用，但目前國內外 生 產的產品普遍存在著價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電容式濕度傳感器。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 10 研究的意義 工業(yè)分工中越來越細，對食物，設備，零件等工業(yè)產品的存儲提出了新的要求，不僅要求在常溫常濕下能順利運行，而且在一些對溫度與濕度要求相當高的領域也能不出現(xiàn)任何問題，保證工業(yè)生產的有序性，這就對這些設備產品的生產，調試和存儲，實驗提出了一系列的新的要求，而傳統(tǒng)的生產，調試，實驗這些產品的設備并不能滿足這些急劇增長的要求，故從源頭上 改變這樣的情況成為了新的熱點。 基于 AT89S52 溫度濕度測控系統(tǒng)，可把各監(jiān)測點的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫信息有效的結合起來，既可以實現(xiàn)單個的測量控制，整體的控制而且能根據(jù)不同的情況要求，來從軟件角度改變實際的功能，更加靈活。本論文以 AT89S52 溫度傳感器技術為基礎構建簡單的基于 AT89S52 溫度濕度測控系統(tǒng)。 基于 AT89S52 溫度濕度測控系統(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的需要，改變零件、產品等對自然環(huán)境的依賴性，更好的促進工業(yè)生產，提高工業(yè)生產的效率。 文 章結構 本文從先從影響溫度濕度測控的因素出發(fā)，分析溫度濕度測控系統(tǒng)的誤差，第三章重點介紹基于 AT89S52 溫度測控系統(tǒng)硬件，第四章介紹基于 AT89S52 溫度測控系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)，進行系統(tǒng)測試。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 11 第二章 AT89S52 溫濕度測控系統(tǒng)的誤差分析 用傳感器測量溫濕度時，面臨著復雜的傳熱影響。當傳感器的測量端熱平 衡時，其溫濕度趨于穩(wěn)定，即傳感器的測量端向外傳遞的熱量是由氣體的熱量來補償?shù)模@就使傳感器的測量端溫濕度與氣體溫度產生一個微小的傳遞誤差。在接觸式測溫中熱量是由導熱、對流和輻 射三種形式傳遞的。為減小傳熱誤差，計算、分析影響傳熱誤差的因素是十分必要的。相對于本系統(tǒng)而言，可以采取多種的誤差分析方法。 接觸式測溫中的導熱誤差 在接觸式測溫中，將溫度傳感器安裝插入在被測的流體中。當溫度穩(wěn)定時，傳感器的插入深度不當是造成測量誤差的主要原因。安裝在容器或管道上的傳感器測量端，可以認為是一根細長桿的導熱，傳感器的橫截面一般為圓形，其內徑遠小于長度表面熱阻又很大，故可認為傳感器的測量端不存在徑向溫度梯度。這樣沿測量端長度方向的導熱可以按一維穩(wěn)定導熱來看待。根據(jù)熱力學理論，可以推 導出當測量溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)時，傳感器 (熱電偶 )端部的導熱誤差。 ()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），得到被測氣體實際溫度為 * ( )( ) 1wfT ch L TATch L A????????? （ 23） 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 12 式中 fT —— 氣流溫度 wT —— 熱電偶測量溫度 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 α —— 氣流與熱電偶的對流傳熱系數(shù) λ —— 熱電偶導熱系數(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）計算導熱誤差，按式（ 23）計算實際氣體溫度。 從式（ 21）可知增加溫度傳感器的插入深度 L 是減小導熱誤差比較現(xiàn)實和有效的措施。增加插入深度也可增加對流傳熱面積和導熱熱 阻。從式（ 21）不難得到，插入深度 L 應在 4M 到 6M 之間。 L 小于 4M 時，由 L 引起的誤差顯著增大， L 大于 6M 時，對減小誤差無顯著影響。 例如，分別使用鋼保護套管和陶瓷保護套管的 tP 100 熱電阻，在室溫下插入不同深度測量冰水混合物溫度。得出測量誤差與插入深度關系如圖 21 所示。 圖 21 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 13 曲線①為鋼保護套管熱電阻插入深度與誤差關系曲線；曲線②為陶瓷保護套 管插入深度與誤差關系曲線。圖 22 說明了傳感器插入深度與誤差關系，理論與實際基本一致。同時也說明在 同樣介質條件下，要滿足同樣誤差要求，導熱系數(shù)大的傳感器要比導熱系數(shù)小的傳感器插得更深一些。在確定傳感器插人深度時，應十分注意的一個問題是傳感器的斷裂。當傳感器插入管道時，流體經過保護套管的下游某處會產生漩渦即卡門漩渦。如果這種漩渦的頻率接近傳感器保護套管的固有頻率，則長期在線使用時會使套管振動斷裂。對這種情況，應改變保護套管的長度，使它的固有頻率不同于漩渦的頻率，必要時可以通過計算確定插入深度。因此，確定適當?shù)牟迦肷疃瓤捎行У販p小測溫誤差。其次在器壁外面敷設保溫材料提高器壁溫度，并盡可能選取導熱系數(shù)小的、直 徑細的傳感器，也可以減小導熱誤差。 接觸式測溫中的輻射誤差 溫度傳感器與氣體、器壁間的輻射傳熱將使其測量端的溫度偏離被測氣流的溫度，這一誤差稱為輻射誤差。因而在測量高溫氣流溫度時，輻射誤差遠大于導熱誤差。若氣體與熱電偶的熱交換以對流傳熱為主，不計輻射傳熱，當氣流速度較大，氣體的輻射能力小，此時熱電偶與器壁間的輻射傳熱應等于氣體以對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 一熱電偶保護套管的黑度 α 一對 流傳熱系數(shù) δ 一絕對黑體的輻射常數(shù) 7 7 10 .W Km?? 由式 (24)可知，在氣體以對流傳熱為主時增加氣流的流動速度，即增大對流 傳熱系數(shù)可減少導熱誤差，同時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。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 14 采用粗細不同的兩對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，被測介質對它們的放熱系數(shù)也不同。所以盡管熱電偶的材料相同， 它們所反映的被測溫度卻不同。如圖 24 所示，由雙熱電偶測得的溫度值 2T 和 39。2T 可推算出被測溫度 1T 值，修正輻射 誤差，具體分析修正情況如下。 當雙熱電偶的插入深度適當時，兩支熱電偶的輻射率相等，導熱誤差可忽略不計。由傳熱學理論得到所測的氣體溫度為 121442 244111 ( )fwwTTTTTT dT T d???????（ 25） 式中 d1 、 d2 —— 熱電偶直徑 T T2 —— 熱電偶相應的指示溫度 wT —— 器壁溫度 式中等號右側第二項就是輻射誤差修正值。在一般情況下，熱電偶測量端的溫度遠大于器壁溫度。即 4 4 4wT T T?? 故可得 12122111 ( )fTTTTTdTd????? （ 26） 在測量氣流溫度時，用粗、細雙支熱電偶分別測得 T T2，然后根據(jù)式（ 26） 修正指示值，便可得到氣流的實際溫度。 溫度傳感器測量瞬態(tài)溫度的誤差 溫度傳感器對其被測介質溫度變化的響應是人們十分關心的問題。通常將溫度變化分為斜坡式變化，即介質溫度隨時間從 T1 線性變化到 T2；及階躍式變化．即介質溫度按正弦曲線隨時間常數(shù)表示等二種。時間常數(shù)τ隨溫度而變化。但在一般情況下，若被測介質溫度變化相對較小時，可視熱電偶、熱電阻等溫度傳感器的時間常數(shù)為定值。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 15 假定傳到傳感器上的所有熱量都是通過對流而來，而且所有傳來的熱量都被敏感器吸收。即系統(tǒng)的熱阻集中在 傳感器測量端周圍的對流傳熱膜上。而系統(tǒng)的熱容量則集中在傳感器測量端本身。利用牛頓冷卻定律和布萊克的熱容方程。推導出在時間為 t 時傳感器溫度 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—— 在時間 t 時刻時的介質溫度 T— 一在時間 t 時的介質溫度 τ —— 時間常數(shù) 若被測介質溫度以斜坡式變化，將 t=0、 T＝ T1＝ C、 Te=T2+kt 邊界條件代人 式 (27)， k 為介質溫度變化率 (℃ /s)，得溫度傳感器對斜坡式溫度變化的反應 (以 溫差表示 )為 21(1 ) ( )tte T TT T k e T T e?? ? ? ? ? (28) 若被測介質溫度以階躍式變化，將 t=0、 T=T1=C、 Te=T2 邊界條件代入式(28)，得溫度傳感器對階躍式溫度變化的反應 (以溫差表示 )為 1()nteeT T T T e? ? ? (29) 若被測介質溫度以周期性變化，將 t=O、 T=T1=C、 sin( )2 wteTT? 邊界條件代入式（ 27） (ω表示介質的強迫脈動頻率，單位為弧度 )，得傳感器的脈動幅度與介質的脈動幅度之比為 m ax 122 21[1 ( ) ]TT??? ? (210) 由式 (27)、 (28)、 (29)可知，動態(tài)誤差與傳感器的一階慣性環(huán)節(jié)時間數(shù) 有關，與傳感器的靜態(tài)精度及時間常數(shù)有關，與被測介質溫度變化率有關。實際 測溫中，不同溫度測點對傳感器時間常數(shù)的要求是不一樣的，應根據(jù)誤差要求推 算適宜的時間常數(shù)。對任何溫度測點，都應選擇時間常數(shù)較小的溫度傳感器，以 盡量減少因溫度傳感器熱惰性對而動態(tài)溫度變化的測量誤差。 相對濕度的溫度補償問題 [9] 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 16 在計量法中濕度定義為“物象狀態(tài)的量”，即在一定溫度時，單位體積的空氣中所含水蒸汽的份量 (gm)，相對濕度是指在一定溫度時，空氣中的實際水蒸氣含量與 飽和值之比，用百分比表示。日常生活中常用相對濕度 (%RH 表示 )表示空氣狀況，是可直接觀測的最普通的濕度量值。絕對濕度 (absolute humidity)：單位體積 (1m3) 的氣體中含有水蒸氣的質量，即：