【正文】 器屬于多學科交叉、技術(shù)密集的高技術(shù)產(chǎn)品，其技術(shù)水平?jīng)Q定于科學研究的水平，而我國在傳感器研究方面科研投資強度偏低，科研設(shè)備落后，加之我國存在科研和生產(chǎn)脫節(jié)的現(xiàn)象，所以影響了傳感器科研成果的轉(zhuǎn)化，造成了我國傳感器產(chǎn)品綜合實力較低，阻礙了傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。此后， 電解質(zhì)、有機高分子、各種感濕材料組成的傳感器相繼出現(xiàn)。在氣象、紡織、集成電路生產(chǎn)、家用電器、食品加工及蔬菜保鮮等方面得到了廣泛的應用。隨著應用的深入和擴大， 我國研制的高分子濕度傳感器的某些性能已得到了很大的提高， 有的接近或趕上了國外有的廠家生產(chǎn)的濕度傳感器。傳感器領(lǐng)域的主要技術(shù)正在現(xiàn)有基礎(chǔ)上予以延伸和提高，加速新一代傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化 1 . 微機械加工技術(shù) ( ME MT技術(shù))將高速發(fā)展，成為新一代微傳感器、微系統(tǒng)的核心技術(shù)，是 2 1世紀傳感器技術(shù)領(lǐng)域中帶有革命性變化的高新技術(shù)。采用 ME MT技術(shù)形成的微傳感器和微系統(tǒng)，具有劃時代微小體積、低成本、高可靠等獨特的優(yōu)點。 3 ， 傳感器應用領(lǐng)域得到新的拓展，二次傳感器和傳感器系統(tǒng)的比例大幅度增長，集成化、智能化傳感器與變送器將會呈現(xiàn)暢銷勢頭。在智能儀器、信號處理以及工業(yè)自動控制等領(lǐng)域，都存在著數(shù)據(jù)的測量與控制問題。相應的系統(tǒng)即為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務:采集傳感器輸出的模擬信號并轉(zhuǎn)換成計算機能識別的數(shù)字信號，然后送入計算機，根據(jù)不同的需要由計算機進行相應的計算和處理，得出所需的數(shù)據(jù)。 隨著電子計算機的廣泛應用，社會的數(shù)字化程度越來越高，數(shù)據(jù)采集也隨之越來越重要。傳感器輸入信號可以是模擬信號( 如溫度、壓力、電阻、電壓、電流、應變等) 。 DS P技術(shù)的應用狀況 DSP的發(fā)展己有20年歷史了,DSP芯片己達到相當高的水平， 每天都有新的DSP應用產(chǎn)品開發(fā)成功并走向市場，成為IT產(chǎn)業(yè)中最活躍的領(lǐng)域。現(xiàn)在國際上己形成包括DS P芯片設(shè)計、制造，DSP開發(fā)工具研制生產(chǎn)，應用和咨詢共同組成的產(chǎn)業(yè)鏈。今天大多數(shù)DS P應用產(chǎn)品都不是D S P芯片制造商事先設(shè)計好的，很多甚至是從未想到過的，都是數(shù)以千計的小公司在尋找各種各樣的商機、開發(fā)新的軟件和新的產(chǎn)品，為今天的人類提供琳瑯滿目的數(shù)字化產(chǎn)品. 當前DSP主要應用己經(jīng)廣泛十分廣泛應用于:寬帶Internet 、無線通信系統(tǒng)、數(shù)字消費電子和汽車電子等等。 通訊技術(shù)方式 針對PC機而言，主要的通訊方式有3 種。 1 . RS 232串行通信總線 RS 232串行通信是由美國電氣工業(yè)學會 ( E IA) 1969年推薦的，是目前常使用的串行通信總線接口，在異步串行通信中應用最廣。這兩個指標之間具有相關(guān)性，適當降低通信速度，可以提高通信距離，反之亦然。 RS 232 采用與一般微處理器、單片機不同的邏輯電平。在實際應用中需要進行微處理器和RS 232 間信號電平的轉(zhuǎn)換。外設(shè)USB可把多達127個，外設(shè)同時連到用戶的系統(tǒng)上，所有的外設(shè)通過協(xié)議來共享 US B的帶寬其 12 Mbps的帶寬，對于鍵盤、鼠標等低、中速外設(shè)是完全足夠的。 Play ， 同時USB總線的應用可以清除PC上過多的v 0端口而以一個串行通道取代，使 PC與外設(shè)之間的連接更容易。 Play和使用維護方便。當今已很成熟的濕度測量方法有:利用伸縮、利用水的蒸發(fā)、檢測露點、檢測物質(zhì)的電特性、利用電磁波和利用吸收式等特殊功能與應用領(lǐng)域的濕度測量傳感器。相對濕度是指濕氣中水蒸氣的摩爾分數(shù)與相同溫度和壓力條件下飽和水蒸氣的摩爾分數(shù)之百分比。 伸縮式濕度傳感器 根據(jù)伸縮式濕度傳感器測定的選材，可分為毛發(fā)性和尼龍絲型濕度傳感器。尼龍絲濕度傳感器是利用其線性尺寸的變化與氣體中濕度之間的關(guān)系來確定氣體的濕度。若將伸縮式濕度傳感器與記錄儀配套使用，則可以連續(xù)記錄氣體中的相對濕度。但這種濕度傳感器的精度不高，誤差范圍大約為士s % 2 R H，響應速度低，在吸濕與脫濕過程中有遲滯現(xiàn)象。濕度在 1 0 %以下時，其靈敏度也大大降低。 是空氣的 摩爾 質(zhì)量， 若L9水的蒸發(fā)潛熱，則水蒸發(fā)需要的潛熱是: (22)根據(jù)能量守恒定律， 整理后可得: (23) ) （24）式中,成為干濕球系數(shù)。因此對于干濕表的測量狀況和濕度值計算方法必須十分注意。露點是流體的液相和氣相平衡的溫度點。因此，只要知道壓力，便可根據(jù)此溫度確定絕對濕度。此時對于冷面上氣體的濕度，冷面將對應于唯一的溫度，準確地測量此時冷面的溫度，即為該氣體的露點溫度測量露點的瞬時冷凝有光電法、電阻法和核子法等多種方法，其中光電法應用得最為普遍。光束射在鏡上，一個或幾個光傳感器接收鏡面反射的光，冷凝使反射到傳感器的光量發(fā)生突變 ( 參見圖2 1 ) 。核子法冷凝器中，a或p粒子輻射源的位置與冷凝表面平齊。 冷凝式光學露點儀的關(guān)鍵技術(shù)之一是鏡面制冷。半導體制冷便于進行連續(xù)控制，可對冷凝結(jié)露的過程進行連續(xù)測量，達到動態(tài)平衡后確定露點。 電子式濕度傳感器是利用一些物質(zhì)的電特性與周圍氣體濕度之間具有一定關(guān)系來確定氣體的濕度。電子傳感器配測濕儀器近年來發(fā)展極為迅速，應用領(lǐng)域在逐步拓寬，如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、食品業(yè)、家庭生活、環(huán)境保護、醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域。便于遠距離傳感，特別適合于自 動控制系統(tǒng)中濕度的控制和監(jiān)測。電阻式濕度傳感器根據(jù)所用的吸濕材料來分，有固體電解質(zhì)濕度傳感器、高分子有機物濕度傳感器、半導體陶瓷濕度傳感器等。這類傳感器必須經(jīng)常清污，而且耐熱性能差，響應速度慢，故應用較少。雖然結(jié)構(gòu)簡單，但遲滯現(xiàn)象嚴重，故使用價值不大。半導體陶瓷濕度傳感器有Mg Cr204 TiO : 型和ZnCr204 系列，國產(chǎn)MSc 一工 和MS c I I型濕度傳感器均屬Fe3O 。 電容式濕度傳感器利用某些物質(zhì)吸附水汽后，其電介系數(shù)發(fā)生變化，從而引起電容量改變的原理工作。有的濕度傳感器再蓋上一層多孔網(wǎng)罩以增加抗污染能力， 延長使用命。目前大多采用的是醋酸丁酸纖維素。這類濕度傳感器近十年研究得比較活躍， 其主要優(yōu)點是響應時間快， 滯后性小， 在低濕處的靈敏度也高， 穩(wěn)定性好， 制作簡單， 易于實現(xiàn)小型化和集成化。 電容式濕度傳感器用的電介質(zhì)通常有兩類。近年來，等離子體復合膜和玻璃陶瓷作為介質(zhì)的電容式濕度傳感器得到較快發(fā)展。 電容式濕度傳感器的感濕機理是基于電極間的高分子感濕材料吸附環(huán)境中的水分子時，其介電常數(shù)也隨之變化，其電容量與環(huán)境中水蒸氣相對壓( 習P o )關(guān)系可由下式表示:式中：為真空介電常數(shù)：為相對濕度U%RH時高分子的介電常數(shù)；S為電容式傳感器有效電容面積；D為高分子感濕膜厚。 為相對濕度U %R H時，高分子中吸附水的介電常數(shù)。平板電容的數(shù)學表達式如下所示: （28） （29） 式中：材料在不同相對濕度下的介電常數(shù)； 0%RH介電常數(shù) K—是常數(shù) u—是相對濕度 是元件在不同相對濕度時的電容量 S—下電極面積 d—感濕膜厚度對于一個固定的元件， S,d均可視為常數(shù)，可以設(shè)： （210） 所以： （211） 由上式可以 看見，C 。 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。高分子電容型濕度傳感器的典型產(chǎn)品有RSD 2型，其響應即可測范圍( 0 99 % RH)都很好，但在高濕度情況下連續(xù)使用易于劣化。在基板上，利用微電子技術(shù)手段中的蒸金、光刻、腐蝕等技術(shù)，制成一對下電極。利用了聚酞亞胺膜可逆的吸收和放出水分子使其介電常數(shù)隨之變化的工作原理。吸水后，其介電常數(shù)與環(huán)境的相對濕度具有線性關(guān)系。已有很多理論和經(jīng)驗公式來描述 P I和水復合物的介電性，并與試驗結(jié)果作詳細比較，根據(jù)looyenga 的半經(jīng)驗關(guān)系式: （211） 式中的 和: 分別為復合物、 P I 和水的 介電 常數(shù)，v為P I 吸水的體 ， P I 薄膜吸附的水分子越多，v越大，復合物介電常數(shù)就增大，正是根據(jù)這一原理制成P I ，在P I 薄膜吸收或放出水分子時，也會引起薄膜厚度的變化，但因 P i膜很薄，薄膜厚度的變化對電容值的影響比介電常數(shù)對電容值的影響要小得多，主要是介電常數(shù)￡的變化引起電容值的改變. 聚酞亞胺是典型的高分子電容式濕度傳感器，是有很大溶解性的高分子電解質(zhì)，其溶液對溫度、濃度及濕度都敏感，濃溶液比稀溶液穩(wěn)定，可在低溫下貯存較長時間。而上電極的制作實際就是金屬膜的制造，可以采用濺射、蒸鍍化學鍍、旋涂等方法，其制作工藝與半導體工藝兼容，制造工藝流程如圖 23 清洗 ，氧化蒸鍍下電極刻蝕下電極涂覆感濕膜刻蝕感濕膜固化感濕膜蒸鍍上電極刻蝕上電極劃片焊接熱敏電阻式絕對濕度傳感器用來測定絕對濕度，它將熱敏電阻的一端封入到干燥空氣中，另一端暴露在大氣中，水蒸汽接觸到能自加熱的熱敏電阻，就會產(chǎn)生溫度差輸出信號。 其它類濕度傳感器 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。應用于特殊領(lǐng)域。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。表面波濕度傳感器，將吸濕性的聚合物薄膜涂敷在 S A W ( 聲表面波)延時子上，利用聚合物薄膜吸收水汽使彈性波傳播速度發(fā)生變化的原理制成。應用于濕度于 1 0 %R H特殊環(huán)境中。紅外線濕度傳感器廣泛應用于食品加工過程。隨著儀器儀表向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展，電子式濕度傳感器愈來愈得到了廣泛的應用。但要大批量生產(chǎn)，一個關(guān)鍵的限制因素是:在產(chǎn)品生產(chǎn)出來之后，各項技術(shù)質(zhì)量指標必須給出，這些指標決定產(chǎn)品的質(zhì)量性能及可用性，沒有這些質(zhì)量技術(shù)指標產(chǎn)品將不被認可。 3 ， 手工測量，一次只能檢測一個，費時費力，測試數(shù)量有限，且測試結(jié)果因人而異。 因此，對濕度傳感器性能作出快速、準確，有效的檢測是企業(yè)急待解決的問題。 2 . 硬件測試電路的將散雜電容的干擾消除到最小， %: 3 ， 實現(xiàn)對濕度傳感器的批量測試，測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對 3 2路濕度傳感器的同時測量，同時在硬件測試板做少量改動的情況下，實現(xiàn)按需任意路數(shù)測試。采用串行通信R S 2 3 2 接口和U S B接口兩方式。 電容式濕度傳感器的等效形式及單元測量電路 電容式濕度傳感器在測量過程中，就相當于一個微小電容，對于電容的測量，主要涉及到兩個參數(shù)，即電容值C和品質(zhì)參數(shù)Q。輸入信號V 。 在經(jīng)過該電路后受反饋電阻和濕度傳感器的影響形成輸出電壓氣 u。所以 對Q值的 測量就轉(zhuǎn)換 成對微分電 路輸出的 復數(shù)電 壓虛部和實 部的測量 。 正弦波發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號 經(jīng)過微分電路( 濕度傳感器含在此電路中) 后， 信號變成氣 ，對于氣 的輸出， 分成兩路，一路直接經(jīng)電子開關(guān)K1 后進入積分電 路，另一路先經(jīng)過反 相電路， 使 得輸出為。單片機電路用來控制濕度傳感器通道的切換、電子開關(guān)K1 , K2 : 的閉合與斷開和積分電路數(shù)據(jù)的采集與處理等。 ( b ) 表示經(jīng)過微分電路后相位發(fā)生了偏移的正弦波波形, ( C ) 為對電容的實部進行整流后的波形。其中( b ) , ( c ) , ( d )左圖為將濕度傳感器等效成電容的理想情況， 比 偏移等于一 的波形，右圖為實際濕度傳感器的測試結(jié)果， 比 偏移小于一 的波形。 先看實部積分的情況，輸入信號，以此時間為基準，則輸出的相位延遲T/4（即），在T/4至3T/4時間內(nèi)，K1導通K2斷開，對輸出進行積分，在3T/4至5T/4時間內(nèi)，K2導通，K1斷開，對進行積分，由于和幅值相同，方向相反，所以倆個時間段的積分值相同。對虛部進行積分時，只要將式（32）虛部部分帶入，將積分區(qū)間改成（0~T/2）即可，虛部積分值為，有： （312）此表達式即測出虛部積分的值。由于上式（312）替換為： （313）令 （314）所以，K為常數(shù)，有： （315）可以看出，K為常數(shù)，虛部測量和電容C成正比，對虛部電壓的測量完成了電容值C的測量。 基于DS P技術(shù)的復數(shù)電壓法測試數(shù)學模型的應用 以上是采用模擬技術(shù)完成C, Q測量的方法，高速 D S P芯片的出現(xiàn)使我們可以運用求和運算代替上述的積分運算，采樣的時間段和積分時間段相同，將積分運算轉(zhuǎn)變成核心電路的內(nèi)部求和運算，其結(jié)果經(jīng)過修正后，即是要測量實部和虛部的值。由式（317）可見，虛部測量值正比于電容C的值，所以由 得值可以完成電容值C的測量值。 (318) 式中：實部測量值 修正系數(shù) 由式（38）可知：Q=，即可求出品質(zhì)參數(shù)的值。完成了濕度傳感器的測量。 從系統(tǒng)的角度來看，各個模塊在系統(tǒng)中都不是相互獨立的，而是一個統(tǒng)一的整體，在系統(tǒng)設(shè)計中，我們必須理清模塊間的從屬關(guān)系、數(shù)據(jù)流向和控制過程。溫度源模塊核心測控電路模塊串口通訊模塊 圖3 4硬件設(shè)計模塊框圖 圖3 5 是使用MC U 5 1 系列單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的過程，外部正弦波發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波信號經(jīng)過濕度傳感器后，經(jīng)過調(diào)試電