【導(dǎo)讀】在我國，各行各業(yè)對濕度傳感器的需求量很大，但是測試的低效率限。制了產(chǎn)量的進一步提高。因此如何解決傳感器的自動批量測試問題成為制約生產(chǎn)。效率提高的主要因素。術(shù)的濕度傳感器復(fù)數(shù)電壓法測量模型，并將此模型應(yīng)用于電路設(shè)計，簡化了電路，減少了誤差環(huán)節(jié)，為實現(xiàn)高精度快速測量提供了理論依據(jù)。路通道選擇設(shè)計，增強了系統(tǒng)的靈活性、適應(yīng)性與擴展性。慢的問題，也為組建其它類似的檢測系統(tǒng)提供了可以借鑒的方法和系統(tǒng)構(gòu)架。電容式濕度傳感器的等效形式及單元測量電路??????電容式濕度傳感器復(fù)數(shù)電壓法測量電路???????

　　

【正文】 由水組成，水是一切TMS320LF2407A DSP核心芯片控制電路 D12USB 或232 通訊接口電路 PC 機 多路開關(guān)控制板 溫度源 29 生物和有機體賴以生存的物質(zhì)，只要有水和生物的地方，其周圍的空氣中 或多或少的含有水汽，這是因為水可以直接從液體變化成氣體，這種現(xiàn)象我們稱之為汽化。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 。另一種界面在氣體內(nèi)部與氣泡之間則成為沸騰，如開水的汽化。汽化過程與溫度、壓力、表面積和水中的雜質(zhì)有關(guān)。溫度高則汽化快，壓力大則汽化慢，表面積大則汽化容易，氣體中如含有油則汽化慢。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。我們此次設(shè) 計也主要用此原理?？諝庵械乃坎⒉粫驗橐后w的無休止的汽化而不斷的增加，當(dāng)氣體中的水汽的濃度或密度達到一定的程度就會達到一種動態(tài)的平衡，即濕度達到飽和狀態(tài)。飽和氣有四種情況 :氣體由純水汽組成的汽一液平衡 。由純水組的水汽與冰的平衡 :濕空氣與氣體水的飽和 。濕空氣與冰的飽和。 目前濕度測量多數(shù)是濕空氣中的濕度， 濕空氣可以是看成干空氣和水汽的二元混合物。千空氣雖然有多種氣體組成， 但一般情況下， 除高原干空氣的二氧化碳及微量工業(yè)氣體外， 空氣的其它成份是不隨時間地點而變化的， 可以把它當(dāng)作一元組分來看 待。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(biāo)準(zhǔn)也因為此法， 應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的濕度發(fā)生器， 精度 f %和 %. 濕度標(biāo)準(zhǔn) 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(dāng)一部分是以實驗為依據(jù)的。顯然，以實驗為依據(jù)的類型必須通標(biāo)準(zhǔn)來標(biāo)定過，就是對于那些具有較為堅實的理論 基礎(chǔ)的類型，要取得高的測量準(zhǔn)確度仍需依靠基準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)來校驗。標(biāo)準(zhǔn)的作用是提供準(zhǔn)確可靠，同時不以地域和時間為轉(zhuǎn)移的量值，用以直接地或通過次級標(biāo)準(zhǔn)來標(biāo)定和鑒定各種類型的測量儀器。 由于現(xiàn)存的濕度表示方法和單位相當(dāng)繁雜，同時因為濕度這個量用實物來體現(xiàn)比較困難，因此，迄今為止國際上關(guān)于濕度及其單位還沒有統(tǒng)一的定義，從而 30 也就無法根據(jù)定義來復(fù)現(xiàn)這個單位。目前各國使用的濕度計量標(biāo)準(zhǔn)，基本上是通過兩種并行的方式來實現(xiàn)量值的統(tǒng)一。其一是建立濕度的絕對測量方法，其二是制作能夠發(fā)生己知濕度氣體的裝置。并同時采用兩種方式作為 濕度計量標(biāo)準(zhǔn)，且把具有高精確度的重量法作為濕度的最高標(biāo)準(zhǔn) ( 即基準(zhǔn) ) ，而把恒濕氣體發(fā)生器作為傳遞量值的手段。在國際上，國際法制計量組織于 1977 年和 1978 年先后提出 “ 關(guān)于氣體濕度計量儀器的等級傳遞系統(tǒng)圖”等有關(guān)濕度標(biāo)準(zhǔn)的三個國際提案，如圖 4 1 所示。 重量法是一種古老的濕度測量方法，由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，隨著相應(yīng)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。其原理是基于干燥劑吸濕前后的重量變化。 重量法給的測量值是混合比，其定義式為 : )( ?vmtpvr ? （ 41） 式中： r為混合比（機水汽質(zhì)量 /單位干氣質(zhì)量） mv 為水汽質(zhì)量 由定義式可知，給出準(zhǔn)確的 r 值必須選擇一種高效的吸濕劑，一臺具有高靈敏度和準(zhǔn)確度的天平，并且準(zhǔn)確地測量在溫度 t 和壓力 P 時的干氣的體積 V和密度 P。除了以上要求外，重量法還具有以下特點 : ，因為要有充分的吸濕時間 。 平均濕度，不能測量瞬時濕度 。 1 %( 混合比 ) ，作為國家基準(zhǔn)可達 0 . 1 %以上。 31 濕度源設(shè)計 濕度源的測試方法很多，從原理來說，大致可劃分為五類 第一類是改變已知濕度氣體 ( 主要是指飽和濕氣 )狀態(tài)的方法。氣體的狀態(tài)是由壓力、溫度和體積來確定，對于飽和濕氣，若改變狀態(tài)，水汽含量亦隨之改變。于是可以利用熱力學(xué) 尸 、 v , T 關(guān)系配制出所要求的濕度氣體?；谶@一原理的方法有改變壓力的方法，即雙壓法 。改變溫度的方法，即雙溫法 。以及同時改變壓力和溫 度的方法。 第二類是混合法，它又可以分為混流法和分流法兩種。前者是將飽和濕氣或過熱蒸汽同千氣混合 。后者是將一股干氣精確地按比例分為兩股，其中一股用水汽飽和，另一股仍保持干燥，而后進行混合。 第三類是膜滲透法。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?；谶@一原理通常使用的方法是滲透管配氣技術(shù)。 第四類是濕度固定點法，即平衡水汽壓法。這種方法是利用某些鹽類或其它化合物 ( 如硫酸和甘油 )的水溶液在一定的條件下其氣相中的水汽分壓保持值定的原理。 第五類是化學(xué) 方法。根據(jù)定比定律，氫和氧在催化劑存在的情況下能按比例地化合，生成定量的水。 32 如上所述，使用各種濕度發(fā)生器可以精確的提供所需要的濕度量值，此外，也可以利用能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的平衡水汽壓力的化學(xué)體系來達到這個目的。這兩種方法各有特點。前者一般能夠取得較寬的濕度范圍和較高的準(zhǔn)確度，但裝置復(fù)雜，價錢昂貴，在企業(yè)中使用不現(xiàn)實 。后者相對來說準(zhǔn)確度較低，并且只能提供固定的濕度點，卻具有簡易和價廉的優(yōu)點，因此深受歡迎。 相對濕度傳感器多用于對空間靜止氣體的濕度進行監(jiān)測和控制，因此最好采用靜態(tài)法對其進行定量標(biāo)定 。常見的靜態(tài)標(biāo)定法為飽和鹽溶液法。它可提供工作標(biāo)準(zhǔn)濕度。我們將用飽和食鹽液法來提供工作標(biāo)準(zhǔn)濕度下面我們介紹其原理 及 結(jié)構(gòu)。 根據(jù)拉烏爾定律和享利定律，在定溫和平衡條件下，溶液的組分固定，則其水汽分壓為常量，而改變?nèi)芤旱慕M分則可以獲得不同的平衡水汽分壓。雖然，嚴(yán)格來說拉烏爾定律只適用于理想的稀溶液，但推廣到非理想溶液沒有很大的偏差。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。 由于在設(shè)定的溫度下，對于給定的鹽類，其飽和水溶液只能提供一個相對濕度點，因此，通過適當(dāng)?shù)剡x擇數(shù)種鹽就 能獲得不同的相對濕度。在任一溫度下，飽和溶液的濃度是固定不變的，因此，在實際應(yīng)用中不必確定實際濃度，而只要提供過量的溶質(zhì)，溶液就能保持飽和狀態(tài)，在飽和溶液中，過量的溶質(zhì)呈固態(tài)，所以很容易判別溶液的飽和度。由飽和鹽溶液提供的相對濕度范圍可以從 3 %到98%，其準(zhǔn)確度大約為 1%到 3% 。 采用這種方法，關(guān)鍵是要知道一些物質(zhì)的濕度固定點。根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)局( N S S ) 基本研究所的 Lewis Greenspan 發(fā)表的名為“ 二元飽和鹽水溶液濕度固定點”， 公布了 28 種物質(zhì)的飽和水溶液的濕度固定點，相對 濕度從 3 %到98 % 。 該裝置根據(jù)拉烏爾定律和享利定律，利用飽和鹽水溶液可以產(chǎn)生相對濕度固定點這一原理而研制的。該 Y v 度源由元件箱、循環(huán)泵、鹽槽 ( 5 個 )組成，采用單片機與虛擬儀器軟件控制濕度的發(fā)生流程，其整體結(jié)構(gòu)如圖 4 2 所示，濕度源為裝有不同飽和鹽溶液的鹽槽，用于產(chǎn)生不同的濕度點。循環(huán)泵和控制閥 可以 加速濕度平衡，縮短檢測時間。該 裝置 采用 5 種鹽，即 Mgc12 , NaBr, 33 Nacl , Kcl , KN03 ，它們的飽和水溶液分別對應(yīng) 5 種相對濕度點。 該裝置 濕度固定點的設(shè)置是利用選擇不同的鹽盒來實現(xiàn)的 [ 3 0 ] 。所有鹽盒都處于同一恒溫槽內(nèi)。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(yīng)的相對濕度。開動循環(huán)泵，可加速工作室內(nèi)的濕度平衡時間。在 5 5 0 ℃的溫度范圍內(nèi)，設(shè)定不同的溫度，可獲得不同溫度下的各相對濕度值。 該濕度箱從機械結(jié)構(gòu)上可以分為飽和鹽箱、控制箱、元件箱、氣體管道以及循環(huán)泵槽五個主要部分。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。 保證濕度源精度的必要措施 為了保證測試過程中的系統(tǒng)需要的性能參數(shù)，在濕度箱的設(shè)計中對以下幾 34 個方面進行了重點考慮，并提出了相應(yīng)的設(shè)計措施。 1 密封措施 :因為濕度箱的鹽槽、導(dǎo)管和元件箱構(gòu)成了封閉的氣體循環(huán)系統(tǒng)，在測試過程中需要在測試儀器的控制下進行濕度氣體的充分交換，所以對這幾個部分的在與外界空氣和相互之間的接口中都需要采 用密封措施。具體的措施是對于測試箱門和元件箱門的設(shè)計中采用密封磁條進行密封，在鹽槽的的有機玻璃缸體和缸蓋采用橡皮膠條進行密封，在鹽槽與導(dǎo)氣管、測試箱與導(dǎo)氣管的連接上采用氣體接頭進行密封。 :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。水與空氣相比具有較大的熱容量，在升溫和降溫時水的溫度與空氣相比具有較小的變化幅度，可以吸放熱量來平衡箱體內(nèi)空氣溫度的變化。故在濕度箱室內(nèi)懸 掛水袋可以增加整個濕度箱的熱容量，提高系統(tǒng)抗熱干擾的能力。同時在箱體內(nèi)部不宜懸掛水袋的地方固定苯板，實現(xiàn)溫度隔離的作用。 :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)。在設(shè)計時，要盡量增大鹽箱的接觸面積，減小測試箱的體積，減小通氣管道走線的長度來達到減小體積比的目的 ( 在系統(tǒng)中，該體積比己經(jīng)達到了 10 : 1 ) 。同時可以提高氣泵氣的速度，增加飽和液面的 面積來加快氣體交換。 :根據(jù)量值傳遞的原理，我們可以用高一級別的測試標(biāo)準(zhǔn)來檢定較低級別的測試裝置的精度。飽和鹽溶液定點濕度發(fā)生裝置在濕度測量基準(zhǔn)中屬于工作基準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)。在測試裝置中可以預(yù)留濕度檢定接口，其做法是在測試箱上側(cè)開有三個錐形的探孔，可以放置兩個溫度探頭 ( 干濕球法的探頭 )和濕敏探頭 ( 被一級標(biāo)準(zhǔn)檢定 ) 。如果不需要檢定時，可以采用錐形活塞密封探孔。 五 硬件電路設(shè)計及編程 硬件電路設(shè)計 35 硬件電路的設(shè)計分為四部分 : TMS320LF2407A 的主板設(shè)計、正弦波產(chǎn)生電路的設(shè)計、串行通訊口的設(shè)計和濕度開關(guān)板通道選擇的設(shè)計。以下幾節(jié)將會對它們的設(shè)計進行詳細的說明。 TMS320LF2407A 主板設(shè)計 TI公司在 1982 年成功推出其第一代 TMS320xx , TMS320xx ,TMS320C 10 , T MS320C14 \ C15 \ C16 \ C17 等 DSP 芯片之后相繼推出了第二代 TMS32 0C20 , T MS320C25 , T MS320C26 \ C28 等 DSP 芯片 ，第 三 代 T MS320C30 \ C31\C32DSP芯片，第四代 TMS320C40 \ C44DSP芯片，第五代 TMS320C5x \ C54xDSP芯片，第二代 DSP 芯片的改進型 TMS320C2X ) ， 集多個 D S P 芯片于一體的高性能 DSP 芯片 TmS320C8X ， 以及目前速度最快的第六代 T MS320C62X/67X等 DSP 芯片。 TMS320 家族中同一代器件都有相同的 CPU 結(jié)構(gòu)，但片內(nèi)存儲器和外圍配置是不同的。派生的器件使用新的片內(nèi)存 儲器和外設(shè)來滿足全球電子市場上大范圍的應(yīng)用需要。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。 TMS320LF2407A通過把一個高性能的 DSP內(nèi)核和微處理器的片內(nèi)外設(shè)計成為一個芯片的方案，成為傳統(tǒng)的微控制單元 ( MC U)和昂貴的多片設(shè)計的一種廉價的替代品。每秒 4000 萬條指令的處理速度，使 LF2407ADSP 的控制器可以提供遠遠超過傳統(tǒng) 16 位微控制器的性能。 TMS320LF2407A 的主要特點有 : 一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法。 ，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)。 RAM ，通常可通過獨立的數(shù)據(jù)總線在兩片芯片中同時訪問。 。 5 具有單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器。 。 ，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。 基本結(jié)構(gòu)包括 :哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用硬件乘法器、特殊 DSP 指令、快速的指令周期。 TMS320LF2407A 的資源豐富，采用高性能的靜態(tài) CMOS 技術(shù)， 36 使得供電電壓