湿度传感器的应用研究（精选九篇）
湿度传感器的应用研究 篇1
关键词：相对湿度,湿敏元件,湿度测量电路,电容式湿度传感器
在国家经济发展越来越快速的时代中, 人们生活质量明显提高, 对环境的温度与湿度标准越来越关注与重视。随之, 我国相关部门针对温度测量以及湿度测量更进一步研究, 并结合多次试验研发出新型的湿度传感器, 并已经被广泛应用于各领域中, 例如:生活、生产、国防等多种领域。由于环境湿度参数测量难度较高, 要想达到一定的精标准要求, 必须要做到合理湿度控制。
一、湿度的含义以及表示
(一) 湿度含义
空气中的湿度也可以称之为空气中的含水量, 在对空气湿度测量过程中, 我们会用绝对湿度、相对湿度、混合比以及饱和压力等多种物理量进行湿度表示, 例如:在湿蒸汽和液体水中所测量的湿度我们称之为蒸汽湿度。一般情况下, 湿度与温度之间有一定的关联, 其温度高湿度就会大。
(二) 绝对湿度 (AH)
绝对湿度是水蒸气的质量包含在一定体积的空气, 一般其单位是立方米, 限制最高湿度的饱和状态。由式 (1) 体现:
其中, 蒸汽压, 单位Pa, Rw=461.52 (公斤) , 对水的气体常数;T表示温度, 单位为K;m表示空气溶解在水质量, 单位为G;V表示空气体积, 单位为m3。
(三) 相对湿度 (RH)
相对湿度是指空气、水蒸气饱和质量相同, 空气的温度越高, 湿度就会也明显。经过以上分析得知, 温度与湿度之间有一定的关系, 两者可以融合在一起应用, 在两者的作用下还可以分析出更多的温度参数。
进行相对湿度计算可采用式 (2) 计算方法:
计算式中, ρw表示绝对湿度, 单位为g/m3;ρw, max表示最高湿度, 单位为g/m3;E表示饱和蒸汽压, 单位为Pa;s表示比湿, 单位为g/kg;S表示最高比湿, 单位为g/kg。
传统的湿度测量所选用的器具主要以干湿球和毛发湿度计两种湿度计为主, 其测量效果低, 达不到精准测量要求。这两种湿度计制造成本较低、使用方便、操作简单, 因此适用于湿度测量要求不高的环境中。
二、电容式湿度传感器及其应用
测量空气湿度的方式很多, 其原理是根据某种物质从其周围的空气中吸收水分后引起的物理或化学性质的变化, 间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏元件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。下面介绍HS1100/HS1101湿度传感器及其应用。
(一) 特点
不需校准的完全互换性, 高可靠性和长期稳定性, 快速响应时间, 专利设计的固态聚合物结构, 有顶端接触 (HS1100) 和侧面接触 (HS1101) 两种封装产品, 适用于线性电压输出和频率输出两种电路, 适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。
相对湿度在0%~100%RH范围内;电容量由162p F变到200p F, 其误差不大于士20%RH;响应时间小于5 s;温度系数为0.04 p F/℃。可见精度是较高的。
(二) 湿度测量电路
HS1100/HS1101电容传感器, 在电路构成中等效于一个电容器件, 其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号, 常用两种方法:一是将该湿敏电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中, 所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号;另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中, 将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号, 可直接被计算机所采集。
集成定时器555芯片外接电阻R4, R2与湿敏电容C, 构成了对C的充电回路。7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C的放电回路, 并将引脚2、6端相连引入到片内比较器, 便成为一个典型的多谐振荡器, 即方波发生器。另外, R3是防止输出短路的保护电阻, R1用于平衡温度系数。
该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下:首先电源vs通过R4, R2向c充电, 经t充电, 时间后, Uc达到芯片内比较器的高触发电平, 约0.67vs, 此时输出引脚3端由高电平突降为低电平, 然后通过R2放电, 经t放电时间后, Uc下降到比较器的低触发电平, 约0.33vs, 此时输出引脚3端又由低电平跃升为高电平。如此翻来覆去, 形成方波输出。
三、电容式湿度传感器的研究
(一) 工作原理
很多时候, 我们所选用的感湿方法是直接对大气进行感湿, 这种方法响应速度较快, 并且具有灵敏高的特点, 也正因为如此, 很容易受到环境因素 (大气中的灰尘等杂物) 影响。因此, 为了降低影响度, 采用电容式湿度传感器进行间接性感湿。也就是说, 通过吸附大气的方式, 将大气中的水汽吸附到其他电介质材料中, 观察电子介质材料的变化, 采用科学依据进行空气湿度分析。虽然间接感湿响应速度要比直接感湿响应速度相对慢些, 但是间接感湿能够有效地对环境影响因素进行控制, 进而达到一定的准确性。
(二) 传感器所用的敏感元件及相关的物理特性
目前, 常见的感湿介质有三种, 分别是:多孔哇、空气以及聚酰亚胺, 此三种介质在湿度传感器测量中都有着不同的作用与效应。
本传感器主要和CMOS工艺相联系, 但是由于多孔哇与CMOS工艺存在矛盾, 同时多孔哇工艺制备条件较高, 工艺处理复杂, 孔隙与孔径大小控制难度大, 一致性也不够好, 其感湿机理比较复杂。因此CMOS湿度传感器的主要感湿介质将以聚酰亚胺和空气为主。但是, 由于用空气作为介质, 比较容易受到外界环境的干扰, 且表面水汽吸附影响较大, 对后序处理也需要极高的要求。
湿敏元件不仅对大气湿度响应敏感, 同时对大气温度响应敏感度也非常高, 通常情况下, 湿敏元件的温度系数应维持在0.2%到0.8%RH/℃之间, 特殊情况下, 湿敏元件的温度系数也会有所变动。因此, 本传感器的设计中, 应采用聚酰亚胺作为感湿的主要介质。
聚酰亚胺的特点有:高温耐性强, 可达400摄氏度以上, 适用于极高温度测量, 一般作用于200至300摄氏度的环境中, 熔点低, 绝缘性能非常强, 等级已经处于F-H级别中, 介电损耗率非常低, 因此, 可以说它是感湿介质总综合性能最强的有机高分子。目前, 聚酰亚胺材料以被广泛应用到各领域中, 并且取得了良好的应用效果。例如:航天、航空、纳米、液晶、激光等各领域已将其作为主要应用材料, 并对其应用与作用给予推广。
根据对聚酰亚胺性能的调查得知, 其性能主要表现在以下几点中:第一性能:热稳定性高, 聚酰亚胺初分解温度为500摄氏度左右。聚酰亚胺是由联苯四甲酸二酐和对苯二胺合成, 最高分解温度可达600摄氏度, 它属于热稳定性最高的一种聚合物材料。第二性能:低温耐性好, 经过多次低温试验结果表明, 聚酰亚胺可在-269摄氏度的液态氦中保持完整性。第三性能:机械性能, 聚酰亚胺的抗张强度最高可达400Mpa, 弹性膜量达到500Gpa, 是一种机械性能较强的工程塑料, 其应用性能较好。第四性能:原料回收率高, 很多聚酰亚胺对有机溶剂很难溶合, 耐水解性能较差, 正是利用这样的一种缺点, 将聚酰亚胺的特点更推进一步, 则是可通过碱性水解对原料进行回收, 其二酐和二胺的回收率可达到百分之八十以上。第五性能:热胀系数好, 同时抗辐射性能强。第六性能:介电性能, 通常情况下, 介电常数可控制在3.4左右, 在氟或者空气纳米的作用下, 聚酰亚胺介电常数可以控制在2.5左右, 有效降低介电常数。其介电损耗率低, 通常在10-3之间, 介电强度可控制在100到300KV/mm。例如:广成热塑性聚酰亚胺为300KV/mm, 体积电阻为1017Ω·cm。聚酰亚胺介电性能可维持度高, 可大大提高温度与频率范围, 使之应用效果明显提高。其他性能:聚酰亚胺除了以上性能, 还有自熄性能, 属于发烟率低的聚合物, 同时放气量较少, 即使在极高的真空下, 也会保持低放气量。最重要的一点是无毒性能, 扩大了应用范围, 餐饮、医药等各种服务业均可放心应用, 同时聚酰亚胺可不受消毒次数限制。聚酰亚胺还有一些品种的生物相容性较好, 可为各种实验室作为首选材料, 例如:血液、细胞等实验中均可引用。
(三) 传感器数学模型
要想提高湿度传感器的感湿性能, 需要对其结构进行合理设计, 电容湿度传感器的两极设计, 作用面设计、感湿介质设计以及介电常数控制等都需要根据相应的科学依据进行参考与分析。提高工作制作手法, 确保两级间距合理化, 同时还要将传感器的响应时间、线性度以及滞回等方面进行全面考虑, 在设计过程中, 要不断经过试验取得有效结果。这里选用类似于W型的结构。W型的电容湿度传感器的优点在于, 电容的两极比较接近, 提高了电容湿度传感器的灵敏度。其中的介质1和介质2都用聚酰亚胺作为湿敏材料。
(四) 系统测量电路
在测量时, 主要是将湿度传感器加入到多谐振荡器电路中。
利用多谐振荡器的功能, 可以将敏感电容的频变通过电路转变成电路输出频率的频变, 经过湿度传感器进行湿度参数值确定, 并通过电路将表示湿度的相应数字呈现出来, 实现智能化输出与控制。
多谐振荡电路的测量主要通过开关 (S1、S2) 可受输出电压 (VO) 进行有效控制为运行原理。运行中输出电压VO若是过高, S1、S2则成断开与闭合状态, 此时Cs进入充电模式。若是输出电压较低时, S1、S2成开启状态, Cs则处于放电模式。多谐振荡电路通过Cs的自动充电 (放电) 功能, 使电压值 (Vs) 的变化从而引起施密特触发器翻转。持续反复以上状态, 使输出电压信号V0为一周期性方波。若是Cs充电 (放电) 的电流处于同等状态, 均为Is, 此种方波称为对称方波。
如果定义, 对于上述施密特触发器的T/2周期时间为T/2= (VhCs) /Is。
电路输出频率为f0=Is/ (2VhCs) , 传感器电容Cs的值可受外界湿度的变化而影响, 所输出的频率是另一组湿度RH的函数, 即f0=f0 (RH) , 以上所测量的电路结果是介电常数和敏感电容的比值, 将电容的变化转换成频率变化, 进而输出可带有表示意义的数字特性。这种只是针对于外界湿度的变化而进行频率定标, 而当外界湿度处于恒定状态时, 则需要解决的是频率与时间周期的稳定性, 包括稳定漂移等问题。以此, 针对这些问题应该作进一步研究, 并作出一个合理的方案, 目前, 可依据原湿度传感器的结构以及湿度敏感电容作为参考与斟酌对象, 利用湿度不敏感的电容进行测量, 使环境漂移度控制在零标准上。在不敏感电容和感湿电容对多谐振荡电路进行交替开关过程中, 频率和时间周期的反应便可以作为湿度测量参数值。
四、总结
由于湿度传感器无密封性特点, 因此很容易受到外界因素的干扰, 所以, 要想达到准确测量则需要对含有酸、碱以及有机溶剂的介质控制, 同时更需要降低空气中尘埃的影响率, 最好选用较小的空间。若是湿度传感器受到时间与距离的制约, 则需要考虑信号衰弱问题, 若是距离已经超出二百米, 则需要采用具备频率输出信号功能的湿度传感器。同时还要不断提高湿度传感器的制造工艺水平, 开发更多的电路补偿功能, 为提高湿度传感器的研究做好基础准备。
参考文献
[1]汤辰, 万衡, 王凯凯.高分子电容型湿度传感器研制[J].电子器件, 2016 (03) .
湿度传感器的应用研究 篇2
摘要：SHT11是瑞士Sensirion公司生产的具有I2C总线接口的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器。该传感器采用独特的CMOSens TM技术，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点。文中对传感器的性能特点、接口时序与命令进行了详细的阐述，给出了SHT11与单片机的接口电路及相应程序。
关键词：数字式;温湿度传感器;I2C总线;单片机
1 概述
温湿度的测量在仓储管理、生产制造、气象观测、科学研究以及日常生活中被广泛应用，传统的模拟式湿度传感器一般都要设计信号调理电路并需要经过复杂的校准和标定过程，因此测量精度难以保证，且在线性度、重复性、互换性、一致性等方面往往不尽人意。SHT11是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSensTM技术的新型温湿度传感器。该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术结合起来，从而发挥出它们强大的优势互补作用。
2 性能特点
SHT11温湿度传感器的主要特性如下：
●将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一芯片(CMOSensTM技术);
●可给出全校准相对湿度及温度值输出;
●带有工业标准的I2C总线数字输出接口;
●具有露点值计算输出功能;
●具有卓越的长期稳定性;
●湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，并可编程为12位和8位;
●小体积(7.65×5.08×23.5mm)，可表面贴装;
●具有可靠的CRC数据传输校验功能;
●片内装载的校准系数可保证100%互换性;
●电源电压范围为2.4～5.5V;
基于光纤F-P腔的湿度传感器研究 篇3
关键词: 低精细度光纤F-P腔 多孔硅 湿度传感器
中图分类号: TN29 文献标识码: A文章编号: 1007-3973 (2010) 04-091-02
1 引言
空气湿度是人类环境表征的一个重要参数。人们的日常生活和生产活动以及动植物的生长和生存,都与周围环境的湿度息息相关,从日常生活、家电、交通、到医疗、气象、工农业都需要进行湿度测量。目前市场上提供的监测湿度的传感器大多是机械式和基于电化学的电子类湿度计。光纤传感器因为具有体积小,重量轻,不受电磁干扰,光纤传输全光信号,易于集成等一系列的优点而成为如今传感器发展制作中备受关注,而光纤类的湿度计在制作技术上尚不成熟,存在诸多弊病,光纤Bragg光栅式的对湿度响应较小,0-100%RH只有约100pm漂移量??,基于光纤端面镀膜的湿度敏感膜不稳定,易脱落。
光纤F-P腔式传感器除了具有其它光纤传感器的有点外还有传感器原理简单,传感精度极高等优点??。但是其制作过程复杂,成本较高,要做出可实用化的光纤F-P传感器还很困难。我们提出了一种新的方法制作光纤F-P腔,简化了F-P腔的制作过程,应用于湿度检测装置。
2 低精细度 F-P干涉理论
这里使用的是低精细度的F-P干涉??,即腔的两表面反射率不高,有很大的反射损耗,只能在反射光谱中检测倒干涉现象。此种F-P干涉模型如下图1所示,我们只需考虑光在第一个界面的反射光和第二个面的反射光在光纤内的干涉叠加即可。
图 1 低精细度光纤F-P腔干涉示意图
(2.1)
式中I1为入射光在第一个表面的反射光强,I2为入射光透过第一个表面以后在第二个表面反射一次再透射过第一个表面达到光纤内的光强,δ为两束光的相位差。假设第一个面的反射率为r1,第二个面的反射率为,r2为入射光,I则可以写出,入射光I和反射光I1,I2之间的关系
(2.2)
δ是光在F-P腔中往返一次的相位差,是光线入射第一个面以后的折射角。对于光线在光纤波导中传播,入射到光纤F-P腔的模型可认为光线为近轴光线,正入射的形式,则 为零,δ的公式简化为。由此可以看出光纤F-P腔的反射回来的干涉光强峰值仅与nd和相关。当满足关系式 时出现反射光强的最大值。即此时F-P干涉仪反射光输出的极大值条件为相邻光束的光程差等于入射波长的整数倍,即。定义两个相邻极大峰的间隔称为自由光谱宽度(FSR):
(2.3)
该值限制了传感器的动态范围,因为我们入射光源为包含不同波长的宽带光源,该值太小的话,会在就有可能发生不同级次的光谱发生重叠现象,使得进行光谱分析时会发生错误。
3 低精细度光纤F-P腔制备与湿度敏感
当空气中存在水分子的时候F-P腔内填充的吸湿材料会吸收水分子,致使腔内物质的折射率发生改变 ,腔长度改变,透射光谱峰值波长改变为而 和 ,都是随着空气中的相对湿度的变化而变化的,这其中主要是 的变化,所以我们通过监测透射光谱峰值波长的变化可以确定空气中相对湿度的变化。
多孔硅于1956年由美国贝尔实验室的Uhlir最先发现,目前对于多孔硅的研究主要集中在多孔硅的制备,微结构特征以及其发光特性的研究 。但是基于多孔硅的表面积和体积比大于200 ??的这样一种表面结构并且其具有相当活跃的化学性质,是以其表面可以非常容易地吸附大量的外界气体分子,从而改变多孔硅的光学特性,因此用其作为气体敏感材料应该也具有很好的应用前景,是以我们选择多孔硅填充于F-P腔内用作湿度敏感材料。三层膜的厚度分别为3.3nm半透半反射率银膜,30um多孔硅湿度敏感膜,50nm高反射率银膜第一层膜之所以选择半透半反膜是因为,这里需要有一定的透射率,让第二层膜反射回来并且希望I1和I2之间的光强相近,第二层膜选择较厚的高反射率银膜是希望光能尽可能减少损失。下图2为多孔硅断面SEM图片,图中疏松的竖条纹即是多孔硅的多孔结构。最下面一层黑色的为光纤的端面。
图4是光纤F-P腔与检测装置的相连的示意图,光源采用的是中心波长为1550nm的宽带光源,其发出的光进过3db耦合器以后到F-P腔,F-P腔有反射光谱和透射光谱,这里检测的是反射光谱,反射光在经过3db耦合器其中一束光被送到光谱仪,从光谱仪上可以读出F-P腔在一定浓度下的反射光谱,然后改变探头所处环境的湿度,观察光谱仪的光谱变化,并对比作出初步分析。
图2多孔硅表面形貌图 图3 传感探头实物图
图4 实验测试装置示意图
4 实验测试与结果分析
把做好的F-P光纤传感探头和center313型号的温湿度计的探头一起放置于利用化学方法产生的湿度恒定环境中,共有相对湿度为11%,33%,55%,73%,85%,97%,六个不同的湿度环境,测试过程为先把探头置于11%的相对湿度中,等待约20分钟,瓶内湿度稳定下来,且F-P探头的湿度敏感介质充分吸收湿度以后,利用光谱仪把此时的和波长相对应的损耗数据存储下来供分析使用,然后更换湿度瓶,重复以上过程,从97%的相对湿度开始测试再逐渐降低湿度,以观察其恢复性和重复性,光谱仪记录的数据是每间隔0.1nm记录一个数据,数据分析使用的是origin软件,下面的图片均是origin软件绘图得到的,以下实验结果。
图5 湿度上升测量 图6 湿度下降时测量
得到的光谱曲线图得到的曲线图
通过对实验数据的分析可以知道该传感器在低浓度的时候(相对湿度73%以下)有0.6nm每10个百分点的飘移,而相对湿度在73%以上时有1-3个nm每十个百分点的漂移这可能是多孔硅活跃的化学性质和其高的表面积和体积比在此发挥了作用,在湿度较高的时候有大得多的吸附作用。重复性在73%的相对湿度以下时也具有非常好的重复性。在85%的相对湿度以上时重复性稍差,原因可能是在高湿度环境下的响应时间较长,比较难以稳定。另外该传感器的两个峰值之间波长差约为23nm,即自由光谱宽度为23nm,相对于其对相对湿度的光谱响应度来说足够确定0到100%的相对湿度,不会发生重叠误差。
图9 传感器对湿度的上升 图 10波长峰值与
和下降响应时间测试 相对湿度的关系
响应时间测试
根据光纤F-P腔的光学性质,在腔长固定时,对固定波长的光有固定的损耗,而腔长变化以后损耗也会变化,利用这一特性我们以调谐激光器作为输入光源,让激光器的输入光波长固定在1550nm不变,检测装置用高精度的功率计取代光谱仪,变化相对湿度环境观察功率计上的读数稳定所需时间。上升响应时间为把湿度由11%直接变化到97%时传感器稳定所需的时间,下降响应时间为湿度由97%直接下降到11%所需的稳定时间,数据记录平均每间隔2秒记录一个数据,由图8示我们可以看到湿度从11%直接上升到90%时大约150s后功率计上的损耗趋于稳定,当湿度由90%直接下降到11%时间约为50s后功率计上显示的损耗趋于稳定。
5 结论
本人理论分析了光纤F-P腔的湿度传感理论的可行性,并且在实验结果的分析中得到了验证,光纤F-P腔的反射谱随着湿度的变化有很大的漂移量,在低相对湿度的时候得到了比较好的实验结果,但是在高相对湿度的时候线性度和重复性稍差,但是从这里的测试结果可以看到光纤F-P腔形式的传感器对于气体传感具有非常好的敏感性,此处在高相对湿度的线性度和重复性稍差可以考虑使用其它湿度敏感薄膜,如聚酰亚胺(PI),,Nafion等。如果要做其它气体传感器的话则选择与之相应的敏感薄膜作为F-P腔内的敏感物质。
(本论文实验得到了自然科学基金的支持,基金号60908020,特此感谢。)
注释:
金永君,尹向宝,关柏欧.FBG湿度传感器研究[J].光纤及电 缆应用技术,2009年第2期.
江毅,唐才杰. 光纤Fabry-Perot干涉仪原理及应用[M].国防工业出版社,2009.
金兴良,李伟.基于Nafion结晶紫传感膜的光纤湿度传感器研究[J].光学与光谱分析,VOL.25,No.8,pp1328-1331 August,2005.
光纤技术在湿度传感器中的应用 篇4
湿度是一个重要的物理量,航空航天、发电变电、纺织、食品、医药、仓储、农业等行业对湿度的要求都非常严格,对湿度参量进行有效实时监测和控制,是正常生产的前提。湿度传感器的种类很多,按所用湿敏材料可分为电解质湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器以及有机高分子聚合物湿度传感器[1,2,3];按测量原理可分为电阻式湿度传感器、电容式湿度传感器和光电式湿度传感器。理想的湿度传感器可在较宽的温度和湿度范围内使用;测量精度高,寿命长,稳定性好;响应速度快,湿滞回差小;灵敏度高,线性好,温度系数小;制造工艺简单,体积小;抗腐蚀,耐高低温等。
目前,低温条件下(通常指100℃以下)的湿度测量已经相当成熟,但高温环境下的湿度测量,在测量范围、测量精度、响应时间、组件使用寿命等方面却不尽人意。此外,在恶劣条件下,如气流速度、温度、湿度变化非常剧烈以及有严重污染的工业气体,会使湿度测量精度大大降低。为了适应上述要求,光纤式湿度传感器等各种新型湿度传感器迅速发展起来。
1 湿度的定义
空气的干湿程度称为“湿度”,常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、混合比、饱和差以及露点等物理量来衡量。通常空气温度越高,最大湿度就越大。绝对湿度(AH)是一定体积的空气中含有的水蒸气的质量,单位是g/m3,它的极限是饱和状态下的最高湿度。绝对湿度只有与温度一起才有意义,绝对湿度与温度的关系为:
式中m为空气中所含水的质量(g),V为空气的体积(m3),e为蒸汽压(Pa),T为热力学温度(K),Rw为水的气体常数,Rw=461.52 J/(kg·K)。
相对湿度(RH)是绝对湿度与最高湿度的比值,表示水蒸气的饱和度。相对湿度为100%的空气就是水蒸气饱和的空气。随着温度的增高,空气的最高湿度就越大,相对湿度的计算式为:
式中ρw为绝对湿度(g/m3),ρw,max为最高湿度(g/m3),E为饱和蒸汽压(Pa),s为比湿(g/kg),S为最高比湿(g/kg)。
2 光纤传光式湿度传感器
光纤传光式湿度传感器的基本工作原理是:当不同湿度的空气与湿敏薄膜接触后,湿敏薄膜的光学参数会发生改变,通过测量湿敏薄膜光学参数的变化即可获得相应的湿度。根据湿敏薄膜的反应原理,光纤传光式湿度传感器又可分为基于光吸收的湿度传感器和基于荧光效应的湿度传感器[4,5,6]。光纤传光式湿度传感器的探头设计、分子探针选择和化学传感膜(湿敏薄膜)的制备是关键,其中所选择的湿敏薄膜应不易受到与待测气体共存气体的影响,并且在测量前还应准确标定温度对薄膜光学性能的影响。
现以光纤传光式湿度传感器中较为典型的光敏薄膜式湿度传感器为例进行介绍。如图1所示,光敏薄膜(8 mm×8 mm)固定在两块带孔的塑料薄片(10 mm×6 mm)之间,插入1 cm的比色皿中,即形成三明治式的光敏薄膜式湿度传感器,将此传感器固定在分光光度计的样品池架上,让光路通过光敏薄膜,进行测量。其中传光光纤可采用普通的G.652光纤,光敏薄膜可选用具有较强选择性和敏感性的结晶紫材料。当不同湿度的气体接触结晶紫薄膜时,随着结晶紫薄膜中含水量的增加,干燥的Nafion(结晶紫薄膜)中的磺酸基的酸性逐渐减弱,双质子结晶紫失去质子变为单质子或非质子形式,颜色也变为绿色,对640 nm波长光的透射强度减弱。由Lamber-Beer定律定量表达为:
式中A为吸光度,a为吸收系数,L为有效光程长度,H为湿度。上式表明,吸光度A与湿度H呈线性关系。以640nm波长光作为检测光,根据信号光强的改变,可很容易地测得相应的湿度。
光敏薄膜式湿度传感器的测量范围为30%~100%RH,测量精度为5%RH,其结构简单,测量方便,运用了较成熟的测量原理和计算公式,后期的数据处理也较方便,是一种应用广泛的实验室测量器件。从实验初步结果来看,现有工艺制作的光敏薄膜与待测气体达到湿度平衡的时间多在2~20min,测量时间较长。另外,由于采用比色法测量,严格来讲,在测量之前还要进行标准湿度的标定,这势必又增加了测量时间。因而,目前光敏薄膜式湿度传感器还只适用于实验室测量。
3 光纤传感式湿度传感器
光纤传感式湿度传感器是以光纤作为敏感物质[7]。先将单模光纤的中间部分拉制成锥形,且锥形的束腰直径保持一定距离不变(类似“哑铃型”),束腰处外包层采用ESA(Electrostatic SelfAssembly,静电自组装)材料,光纤的锥形结构如图2所示;再在外包层外涂覆一层湿敏双层复合聚合物材料,其厚度为t涂覆层。光纤传感式湿度传感器的测量原理是:测量时将光输入光纤,光纤包层采用紫外光固化,其相关损耗只与温度有关,而光在锥形结构处的损耗还与外包层、涂覆层的厚度、湿度有关,通过光纤输出功率检测就可获得相应的湿度。
采用1 310 nm波长光,对涂覆层为聚合物(PDDA/Poly-R)[8]的不同锥形结构束腰半径t的光纤传感式湿度传感器进行测试,结果如图3所示。从图中可知,随着t涂覆层的增加,光纤的输出光功率逐渐减弱直至一个最小值,然后再逐渐增强;在束腰半径t=10~25μm时,随着t的降低,传感效果逐渐加强。但光纤传感式湿度传感器的设计并不是t越小越好,还应综合考虑灵敏度、尺寸、测量范围等。
仍采用1 310 nm波长光,对束腰半径t=10.5μm的不同n外包层的光纤传感式湿度传感器进行测试,结果如图4所示。图中测试曲线的斜率说明,随着n外包层的增大,湿度与输出光功率(即光能损耗)相关度逐渐加强。因此,采用n外包层较大的外包层更有利于提高光纤传感式湿度传感器的灵敏度。
分别采用1 310 nm及1 550 nm波长的光,对束腰半径t=12.5μm的聚合物(PDDA/Poly-R)涂覆层光纤传感式湿度传感器进行测试,结果如图5所示。从图中可知,在其它条件相同的情况下,采用1 550 nm波长的光,即使在涂覆层厚度较大的情况下,光纤传感式湿度传感器也显现出湿敏特性,而输入光波长为1 310 nm,则涂覆层厚度应薄一些。这与理论推导的结论较为符合。
光纤传感式湿度传感器结构紧凑,体积较小,系统更易小型化,适于现场测量[9,10]。在输入光波长为1 550 nm时,其测量范围为0~90%RH,灵敏度为0.03 dB/%RH,在26~65℃范围内有1 dB的漂移(在0~100℃范围内测得)。由于测量范围未覆盖0~100%RH,当空气湿度较大时测量精度较差,并且随着湿度进一步上升需要其它测量方法辅助,因而光纤传感式湿度传感器还需在测量范围方面作进一步的研究。
4 光纤光栅式湿度传感器
相对光纤传感式湿度传感器,光纤光栅式湿度传感器的结构更加紧凑,并且可通过测量波长的变化来获得相应的湿度,其测量精度更高[11,12,13,14]。光纤光栅式湿度传感器的典型结构如图6所示,由对温度、湿度敏感的光纤布拉格光栅FBG1与仅对温度敏感的FBG2串联构成,FBG1的涂覆层为改性聚酰亚胺(PI)湿敏薄膜。温度和湿度的变化使FBG的布拉格反射波长λB1和λB2发生漂移,变化量分别为Δλ1和Δλ2,由此可计算出温度、湿度变化值。
根据耦合模理论,FBG反射波长λBi(i=1,2)满足下式:
式中neff为FBG的有效折射率,Λi(i=1,2)为FBGi的光栅周期。等式右边的第一项为由相对湿度变化量ΔSH引起的弹光效应和温度变化量ΔT引起的热光效应共同作用的结果;第二项为ΔSH和热膨胀引起的FBG轴向应变之和。
由于湿敏涂覆层和光纤之间相互约束,ΔSH引起FBG1的轴向应变ΔΛ1/Λ1为自由状态下的轴向应变与约束应变之差,由弹性理论可得:
式中β,μH,EH分别为湿敏薄膜的湿膨胀系数、泊松比和弹性模量;rH,rF分别为湿敏薄膜和光纤包层横截面半径。考虑弹光效应、热光效应及热膨胀效应,FBG1的反射波长的相对变化量可表示为:
式中pe,ξ分别为光纤有效弹光系数和热光系数;αH,αF分别为湿敏薄膜及光纤的线膨胀系数;KT1,KS1分别为FBG1的温度和相对湿度灵敏度系数。
对于FBG2,由于β=0,KS2=0,故:
求解式(7)与式(8),即可获得相对湿度变化值ΔSH和温度变化值ΔT。
光纤光栅式湿度传感器测量精度高、测量速度快,可温度、湿度同时测量,耐高温,耐腐蚀,只要选用湿膨胀线性度好的材料(如PI),整体上会表现出极好的测量效果。在20~80℃,10%~90%RH范围内,光纤光栅式湿度传感器的输出功率与温度、湿度变化呈线性关系。光纤光栅式湿度传感器的湿滞回差≤±1.5%,长期稳定性优于电量湿度传感器;动态响应时间小于15 s(取决于PI湿敏涂覆层厚度)。主要受FBG解调系统精度和PI湿敏涂覆层厚度均匀性的限制,光纤光栅式湿度传感器的相对湿度和温度测量精度分别为±5%RH和±0.2℃。由于采用双FBG结构,光纤光栅式湿度传感器需要双波长的光源及光谱仪,因而系统成本相对较高。
5 结束语
随着湿度传感向非接触式和无损检测方向发展,越来越多的光纤技术应用在湿度传感领域。光纤式湿度传感器相对传统的湿度传感器有许多优势,如传感器制作工艺更简单、体积更小;抗腐蚀,耐温性能更好(直接测量可达200℃以上);使用寿命更长,稳定性更好;不受电磁干扰和核辐射影响;湿度测量范围较宽(典型值10%~90%RH);响应速度更快(典型值可小于15 s),湿滞回差更小(典型值≤±1.5%);灵敏度更高(最高0.03 dB/%RH),温度系数更小(典型值0.25 dB/℃)。但光纤式湿度传感器的测量范围还未覆盖100%RH,有待于进一步提高;由于其需采用稳定的通信光源等设备,因而系统的整体成本相对较高。
FBG湿度传感特性的研究 篇5
现代信息技术的三大支柱是传感器技术、通信技术、计算机技术,它们分别构成了信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”[1,2]。传感器技术是信息社会的重要技术基础,传感器的数量、质量直接决定了信息技术系统的功能和质量。在信息社会中,人们为了推动社会生产力的发展,需要用传感器来检测许多非电量信息,如应力、压力、流量、速度、温度、湿度以及生物量等。传感器技术是涉及国民经济及国防科研各领域的重要技术。光纤布拉格光栅(FBG)湿度传感器具有抗电磁干扰、阻燃、防爆等优势,满足了石油化工、电力、纺织等领域对易复用的要求,其将有着良好的应用前景[3]。
1 FBG湿度传感器的工作原理
光纤光栅主要有FBG、啁啾光栅(CFBG)、长周期光栅(LPFG)等,其中FBG是一种最简单、最普遍的光纤光栅。FBG湿度传感器主要是指涂覆聚酰亚胺(PI)湿敏薄膜的FBG传感器,其制作过程为:首先将FBG的表层腐蚀掉,然后浸入PI溶液,使PI在FBG表面形成薄膜,然后取出,清理掉残留的酸液并烘干。
图1为FBG的反射与透射特性曲线。当图1a)所示的宽带光经过FBG后,图1b)所示的单色光λB被FBG反射,其结果是FBG相当于一个具有频率选择性的窄带反射镜[4]。
根据耦合模理论,宽带光在FBG中传输时产生模式耦合,满足布拉格相位匹配条件的光被反射。FBG反射光的中心波长λB=2neffΛ,可见λB随FBG的纤芯有效折射率neff和FBG周期Λ的变化而变化。FBG反射波长的相对变化量为:
因而,FBG可测量那些能导致neff与Λ改变的物理量,如应力、温度、压力、湿度等。涂覆PI湿敏薄膜的FBG湿度传感器可敏感地测量环境的相对湿度变化量ΔH[5]。式(1)等式右边第一项为由相对湿度变化量ΔH引起的弹光效应和温度变化量ΔT引起的热光效应共同作用的结果;第二项为由ΔH的热膨胀引起的FBG轴向应变之和。对于涂覆PI湿敏薄膜的FBG湿度传感器,由于PI湿敏涂覆层和FBG光纤之间的相互约束,湿度变化量引起的FBG轴向应变ΔΛH/ΛH为自由状态下的轴向应变与约束应变之差。由弹性理论及轴向应变、轴向应力平衡关系可得:
式中β,μHM,EHM分别为湿敏材料的湿膨胀系数、泊松比和弹性模量;μF,EF分别为光纤的泊松比和弹性模量;rHM,rF分别为湿敏涂覆层及光纤包层的半径。
考虑到弹光效应、热光效应引起的有效折射率的相对变化及由热膨胀引起的轴向应变,FBG反射波长的相对变化量又可表示为:
式中Pe为光纤的有效弹光系数,石英光纤为0.22;ξ为光纤的热光系数;αHM,αF分别为湿敏涂覆层及光纤材料的线膨胀系数;KH为FBG的相对湿度灵敏度系数,KT为FBG的温度灵敏度系数[6]。由式(3)和式(4)可以看出,增大湿敏聚合物涂覆层半径rHM或减少光纤包层半径均可提高FBG湿度传感器的湿度灵敏度系数KH。
由于FBG反射波长的相对变化量受应力或热效应变化的影响,因此其又可表示为:
式中ε为FBG光纤受到的应力;α为FBG光纤的线膨胀系数。等式右边第一项描绘了轴向应力对FBG的影响,第二项描绘了材料的热膨胀和热光效应等对FBG的影响。为了在涂覆PI湿敏薄膜的FBG湿度传感器中应用式(5),考虑到湿敏聚合物的热膨胀在FBG中引起的应变,引入了一个细微的修正[7],从而式(5)修正为:
式中αH和αT分别为涂覆PI湿敏薄膜FBG的湿膨胀系数和线膨胀系数。该等式可以进一步简化为:
上式反映了FBG反射波长的相对变化量与εH、εT以及和热光效应有关。
2 FBG湿度传感器的响应
当湿度变化时,FBG湿度传感器涂覆层会膨胀,导致FBG发生应变,使布拉格波长发生变化,从而实现对湿度的传感。湿敏聚合物PI是典型的高分子湿敏材料,尽管其湿度膨胀灵敏度不如其他湿敏聚合物的高,但它具有线性湿度膨胀效应。为研究FBG湿度传感器的传感响应,我们进行了一些实验。FBG传感系统通常由光源、传感系统和波长探测装置这三个基本部分组成[8],实验装置如图2所示。从图中可见,宽带光源发出的宽带光经3 dB耦合器入射到FBG中,由FBG反射回来的窄带光经3 dB耦合器进入光谱仪。FBG是放置于可控式恒温恒湿箱中,改变可控式恒温恒湿箱内的湿度,但温度保持在40 °C,通过光谱仪观测FBG反射波长的变化。实验中我们使用了两种PI湿敏涂覆层厚度的FBG,在40 °C温度下PI涂覆层厚度分别为tHM1和tHM2(tHM1>tHM2),不同湿敏涂覆层厚度时的相对湿度与FBG反射波长的关系如图3所示。从图中可知,PI涂覆层厚度为tHM1时,KH1=9.412 91×10-4;PI涂覆层厚度为tHM2时,KH2=6.817 21×10-4。当tHM1>tHM2时,KH1>KH2,即PI涂覆层厚度较大时,FBG湿敏传感器的灵敏度也较高,这与式(3)和式(4)得出的结论是一致的。
3 结束语
从理论计算与实验结果分析,λB的漂移量与温度和湿度呈明显的线性关系,并且FBG的湿度传感效应是线性的、可逆的。FBG在涂覆湿敏材料和温敏材料进行封装之后其响应范围更宽、灵敏度更高[9],因此成为很多非电量传感器的首选。PI作为传感材料,在湿度传感器中得到广泛应用。以PI为介质膜的电容式湿敏元件的耐热性和高温介电稳定性好(可用到200 °C,其他传感器只能用到80 °C),耐化学腐蚀能力极强,可用于有机溶剂氛围的环境中,几乎没有湿滞,且温度系数很小。从制造工艺上看,PI的预聚物聚酰胺酸(PA)是可溶性的,可用类似半导体工艺中涂光刻胶的方法将其涂在衬底基片上,再加热到一定温度,脱水固化形成PI薄膜,膜厚容易控制,有利于大批量生产。
参考文献
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[8]林钧岫,彭伟.光纤布拉格光栅及其应用[J].光学技术,1999,3(2):50-53.
湿度传感器的应用研究 篇6
温湿度传感器是环境测量与控制的重要器件, 广泛应用于农业生产、仓储管理、科学研究以及日常生活等领域。相比传统的模拟式温湿度传感器, 数字式传感器在测量精度、线性度和一致性等方面有着良好的表现, 同时数字式传感器易于复用和替换, 无需重复校准。SHT21是瑞士Sensirion公司基于CMOSens芯片技术推出的一系列温湿度一体化传感器之一, 将CMOS芯片技术与传感器技术相结合, 其应用在一定程度上方便了嵌入式系统的环境温湿度测量。
将SHT21温湿度传感器用于储粮监测系统中, 用于监测粮仓储粮环境的温湿度, 无需分别部署传感器, 节省空间;SHT21传感器维护简单, 无需校准, 易于复用替换, 其测量范围及精度适用于储粮监测系统。
传感器特点[1]
SHT21是一款由Sensirion公司生产的新型温湿度传感器, 其主要特性如下:DNF封装, 小体积, 适用于回流焊;输出经校准的数字信号, 完全符合I2C协议标准;重新设计的温湿度传感器, 性能优于前代产品;每片SHT21单独进行校准和测试, 有可读取的识别ID;通过设置寄存器对测量精度、电源状态和传感器加热功能进行设置;通过CRC循环冗余校验码保证数据正确传输。
传感器控制命令
SHT21传感器基本命令如表1所示。
传感器配置寄存器各位说明如表2所示。其中OTP重载位并不推荐置位, 可以通过软复位重载OTP寄存器。加热器使能位用于当温度过低或者湿度过高出现凝结现象时使用, 功耗5.5mW, 提升温度0.5–1.5℃。
I2C通信时序
SHT21以标准I2C协议和主机进行通信, 所有SHT21出厂的7位地址均为1000’000b, I2C头部bit 0为方向指示位, 1为读, 0为写。SHT21传感器有两种测量模式, 分别为主机等待模式 (hold master mode) 和主机查询模式 (no hold master mode) , 不同模式可以应用在不同场合下。测量精度越高, 测量完成所需要的时间越长, 根据手册数据, 最长测量时间达88ms。
SHT21传感器针对测量所得数据运算出对应的循环冗余校验码, 并在传送数据后默认传送。其循环冗余校验码可以检查出传送过程中奇数错误、双位错误, 以及8位窗口内的任意长度的串错误。对应的运算多项式为[2]:
8位窗口应初始化为00000000’b。如果主机在接收数据结束后发送NACK应答, 则传感器不会发送校验和数据。
(1) 主机等待模式 (hold master mode)
主机等待模式下SDA数据线时序如图1所示, 其中白色部分为主机发送数据, 灰色部分为SHT21发送。在起始标志S之后依次传送写地址头部, 主机等待模式测量命令 (根据表, 此为湿度测量命令) , 在起始标志以及读地址头部后, 释放总线, 等待传感器传送数据以及校验和。主机需要完成接收每个字节数据后发送ACK应答, 完成全部3个字节接收后发送NACK应答后再发送结束标志P以释放I2C总线。
(2) 主机查询模式 (no hold mastermode)
主机查询模式下SDA数据线时序如图2所示, 其中白色部分为主机发送数据, 灰色部分为SHT21发送。与等待模式不同, 主机在发送测量命令后不断查询是否完成测量, 测量完成则传感器在读地址头部后应答, 传送数据以及校验和。主机接收数据操作与等待模式相同。
测量结果转换
传感器数据还需要经过转换才能得到实际温湿度参数。设传感器所得温度为ST、湿度为SRH, 实际温度T、湿度为RH, 有转换函数如下。
其中式 (2) 为湿度转换函数, 式 (3) 为温度转换函数。
硬件电路设计
S H T 2 1芯片供电电压应在2.1~3.6V, 使用于5V的PIC单片机系统时, 需要降低供电电压, 并对信号SDA、SCL进行电平转换, 才能正常工作并与单片机进行通信。推荐电路如图3所示[3]。
在实际应用中, 可以灵活变通, 选用合适或常用的器件来达到同样目的。需要注意的是, 当走线长于10cm时, 为了防止干扰, 应在两条信号线间加入电源或地线。
供电电路
如图4所示, 选用REG1117-3.3芯片将5V电源降低为3.3V, 对SHT21芯片供电。
电平转换电路
如图5所示, 通过D-MOS管, 对逻辑电平进行双向转换, 与PIC单片机引脚相连。
应用软件实现
PIC单片机采用PIC18F4580, 直接通过自带I2C模块和接口完成I2C协议总线通信。将PIC单片机上同步串行口模块 (MSSP) 配置为标准I2C接口, 对应的标准I/O口分别设置为I2C时钟SCL与I2C数据SDA。MSSP模块在I2C模式下, 对应有控制寄存器SSPCON1、SSPCON2以及状态寄存器SSPSTAT, 寄存器位定义如图6所示[4]。其中SSPSTAT低六位为只读类型。
根据SHT21传感器的通信模式, 读取测量数值采用主机等待模式, 与读寄存器操作相似, 由此将主机的通信操作分为两种原子操作:读操作 (I2C_recpt) 和写操作 (I2C_trans) , 具体实现如下。
读操作 (主机等待模式)
温湿度转换
温湿度转换函数见式 (2) 、 (3) , 转换操作可以在下位机根据手册给出的转换函数进行, 转换后直接通过数码管或显示屏显示, 也可以将接收到的数据通过串口传送至上位机再行转换, 通过用户界面进行显示、纪录等操作。
总结
在储粮监测系统中使用SHT21传感器进行温湿度监测, 具有精度高、节省空间、性能稳定、易于维护的特点, 便于应用, 价格低廉, 能够满足需求, 与资源丰富的PIC单片机系统相结合可以实现不同交互方式, 同时SHT21传感器也可用于实验室环境监测、产品加工等领域中。后续还可以继续丰富系统功能, 添加如气体传感器等其他传感器, 以对储粮环境进行更全面的监测。
参考文献
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湿度传感器的应用研究 篇7
一个典型的无线传感器网络系统包括分布式传感器节点 (群) 、接收发送设备、互联网和用户界面等。其中, 无线传感器网络节点设计是组成网络的基础, 它主要包括传感单元 (由传感器和模数转换功能模块组成) 、处理单元 (由嵌入式系统组成, 包括CPU、存储器等) 、通信单元 (无线传输模块等) 和电源单元4个部分组成。其中, 传感器单元负责环境信息的采集和数据转换;处理单元控制整个传感器节点的操作, 处理本身采集的数据和其他节点发来的数据, 运行网络协议使传感器节点互联为网络以便协作工作;通信单元负责与其他传感器节点进行通信, 交换控制消息和数据消息;电源单元为各个单元提供所需要的能量。
无线传感器网络系统与传统的有线传感器网络相比, 具有耗资小、安装方便、维护和更新费用低等优势, 非常适用于对布线困难的区域、人员不能到达的区域以及对临时场合发生的状况进行远程监测, 此外在特殊条件的智能建筑环境监控中, 无线传感器网络系统具有十分广阔的应用前景。
本文针对需求, 设计了一个基于无线传感器网络的温湿度监控系统, 动态地监测智能建筑温湿度的变化, 并通过串口把数据传送到PC机。
2 监控系统结构
智能建筑是一个庞大的系统, 其内部有大量人员和物资, 在长期使用过程中, 温湿度环境变化显著, 靠人工去测试温湿度显然不行, 而无线传感器网络的方案, 则具有很大的的优越性。设计的结构如图1所示, 每个房间设置1个主节点和若干从节点, 从节点采集本地数据传送给主节点, 主节点与PC机通信 (可采用有线、也可采用无线) 。每个节点的结构, 如图2所示。
传感单元:由瑞士Sensirion公司生产的具有I2C总线接口的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器SHT11组成。该传感器采用独特的CMOSensTM技术, 具有数字式输出、免调试、免标定、免外围的特征。
处理单元:由TI公司的MSP430F149作为MCU, 用来控制节点的数据收/发和数据处理。该MCU由3.3V供电, 具有超低功耗, 非常适合电池供电的场合。
无线收/发模块:采用Chipcon公司推出的首款工作在2.4GHz的符合IEEE802.15.4标准的射频收发器芯片CC2420。
电源单元:采用3.0V的电池供电, 可采用锂电或普通电池。
3 无线传感器网络节点设计
3.1 通信单元设计
数据传输单元模块电路由Chipcon公司生产的低功耗、短距离的无线通信模块CC2420组成。CC2420是一款符合Zig Bee技术的高集成度工业用射频收发器件, 其MAC层和PHY层协议符合802.15.4规范, 工作于2.4GHz频段。该芯片只需极少外部元器件, 可确保短距离通信的有效性和可靠性。数据传输单元模块支持数据传输率高达250Kbps, 可以实现多点对多点的快速组网, 系统体积小、成本低、功耗小, 适于电池长期供电。CC2420与处理器的连接非常简便, 使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四个引脚表示收发数据状态;处理器通过SPI接口 (MISO、MOSI、SCK) 与CC2420交换数据, 发送命令。通信单元接口电路, 如图3所示。
3.2 处理单元设计
节点设备中的微处理器采用由T1公司出产的一种16位超低功耗微处理器MSP430单片机MSP430F149。MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器, 能够在低电压下以超低功耗状态工作;其控制器具有强大的处理能力和丰富的片内外设;MSP430系列单片机最显著的特点就是它的超低功耗。MSP430单片机可以在1.8V~3.6V低电源电压情况下工作, 具有CPUOFF (CPU停止工作) 和OSCOFF (晶振停止工作) 等5种超低功耗工作模式, 数字控制的振荡器使从所有低功耗模式快速苏醒到活动模式的时间少于6μs, 从而延长了待机时间并使启动更加迅速, 降低了电池的功耗。MSP430F149特别适合应用于智能仪表、防盗监控系统、智能化家电、电池供电的便携式设备。另外, MSP430F149的运行环境温度范围为-40~+85℃, 湿度测量准确度为±3%RH, 可以适应各种恶劣的环境。可根据实际需要来选择温度、湿度传感器。其原理图如图4所示。
3.3 传感单元设计
整个节点由电池供电, 要求数据采集单元中的传感器体积小、功耗低、外围电路简单。选用数字式传感器SHT11, 它采用CMOSens技术, 不仅将温、湿度传感器结合在一起, 而且还将信号放大器、模/数转换器、校准数据存储器、标准I2C总线等电路全部集成在一个芯片内;全量程标定, 两线数字输出;温度测量范围为-40℃~+123.8℃;温度测量精度为±0.4℃, SHT11接口电路如图5所示。
节点采用电池供电, 为了省电, 当需要采集数据时, 接通SHT11的电源, 否则关闭。
当发出了温 (湿) 度测量命令后, 控制器就要等到测量完成, 使用8/12/14位的分辨率测量分别需要大约11/55/210ms的时间。为表明测量完成, SHT11会使数据线为低, 此时控制器必须重新启动SCK, 然后传送两字节的测量数据与1字节CRC校验和。控制器必须通过使DATA为低来确认每一个字节, 所有的量均从右算, MSB列于第一位。通讯在确认CRC数据位后停止。如果没有用CRC-8校验和, 则控制器就会在测量数据LSB后保持ack为高来停止通信, SHT11在测量和通讯完成后会自动返回睡眠模式。需要注意的是:为使SHT11的温升低于0.1℃, 此时的工作频率不能大于标定值的15%。测量温度和湿度命令所对应的时序如图6所示。
3.4 电源单元设计
电能是传感器网络最珍贵的资源, 它决定着传感器网络的寿命。节点的电能一旦耗尽, 即宣布其寿命到期并退出网络, 由剩下的节点再重新组网, 因此节点的电源管理非常重要。在本设计中采用多种方法节省电能。
(1) 选用低功耗器件 (MCU、SHT11等) 。
(2) 没有用到传感器时不供电, 以达到在无数据采集任务时及时关闭电源而节省电能的目的。
(3) 无数据通信时, 进入睡眠模式。
(4) 软件设计时, 采用中断唤醒降低功耗。
3.5 软件设计
节点组成中的处理器MSP430系列单片机支持C语言程序设计, 适用于MSP430系列的C语言与标准C语言兼容程度高, 大大提高了软件设计开发的工作效率, 增强了程序代码的可靠性、可读性和可移植性。图7为传感器节点的软件流程图, 图8为系统软件主流程图。
考虑到点对点通信的可靠性, 数据在底层无线传输中需要增加必要的协议规范。设计中对有效数据进行打包, 格式为:前导码、地址、有效数据载荷、校验码。针对CC2400系列芯片, 按厂家建议在支持UART方式下使用0x55FF (十六进制) 作为“前导码”;“地址”作为不同应答点的标识;“有效数据载荷”则包含满足上层设计协议格式的数据包, 该部分需根据应用要求尽量减小数据包长, 以缩短该数据包在传输链路的生存期, 数据包末尾增加“校验码”可以验证数据的有效性, CRC (循环冗余码) 是一种简单易行的处理方法, 数据封装与处理全部由微控制单元实现。
4 测试结果
该系统前端传感单元采用数字式相对湿度和温度传感器SHT11, 处理单元采用MSP430单片机MSP430F149系列芯片, 可进行实时温湿度数据处理及显示。在实验室条件下, 恒温环境中进行了严格的准确性测试。为了保证测试的准确性, 在整个测试过程中, 应注意以下几点:
(1) 在整个测试过程中必须保证恒温箱温度稳定且准确。
(2) 必须待恒温箱温度平衡稳定后方可测试。
(3) 传感器应尽量置于恒温箱中部, 尽量减少可能的影响。
(4) 必须待上位机输出结果稳定后, 方可记录数据。
(5) 恒温箱具有较高的可靠性, 在本系统测试过程中可视为无温湿度偏差。
表1中, T为恒温箱设定温度, T1、T2分别为两独立结点测定得到的温度值, Δ为设定温度与测试温度之差值。测试结果表明, 温度计量测定装置的误差始终稳定地≤0.3℃, 满足并优于温度测量允许的最大误差±0.4℃的设计要求。
由表2的实验数据可以看出, 系统湿度测定系统的偏差值在-1.4%RH~+1.3%RH之间, 具有较高的准确性, 达到并高于最大允许误差±2%RH的设计要求。
系统温度测量范围为-40℃~+85℃, 测量精度为±0.4℃, 湿度测量范围为0~100%RH, 最大允许误差±2%RH。从上述实验结果, 可以推出结论, 本系统整体性能优越、测量结果精确可靠。
5 应用范围
本系统拥有较大的温湿度测量范围、较小的测量误差和较强的抗干扰性, 可广泛适用于诸多复杂环境。产品基于无线传感器结点, 可根据实际情况进行布局, 具有较大的灵活性和选择性, 特别在智能建筑中, 通过对各个楼层、通道、通风系统、水系统等的实时监测, 可以及时掌握建筑的现状, 为决策人员提供决策依据, 同时也对可能发生的火灾等灾害做出及时的预警和报告。本产品在公共建筑有很好的实用性的同时, 在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域也有潜在的实用价值。
6 结束语
CC2420是一款高集成度的工业用射频收发器, 其MAC层和PHY层可以适用于多种协议标准, 工作于2.4GHz开放频段。通过添加简单的外设, 可构成功能强大的传感器网络节点设备, 在特殊环境下实现监测区域内信号的采集传输与处理。伴随无线网络技术的成熟和新的能量解决方案的提出, 无线传感器网络的应用必将广泛深入到智能建筑环境监测、医疗保健、空间探索和灾害预测等各领域。
摘要：本文介绍了基于无线传感器网络的智能建筑温湿度监控系统。该系统由MSP430F149作为处理器、CC2420作为射频单元、SHT11作为温湿度传感器。本文主要说明了该系统的软、硬件设计过程。测试实验表明, 该监控系统布线简单、性能稳定、数据可靠, 非常适合在恶劣环境下使用。
关键词：节点,无线传感器网络,CC2420,温湿度监控
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湿度传感器的应用研究 篇8
一、系统硬件设计
1.1无线传输设计
Zig Bee无线传输模块的内部核心板是基于CC2430为控制器, 设计中为便于安装使用, 把CC2430芯片和外围基本电路集成为一块单独的核心板, 核心板上预留与Zig Bee底板连接接口, 使用时把核心板插在底板接口上即可, 非常方便, 与此同时, 也可以一定程度减少无线收发天线的干扰。
1.2传感器接口电路
Zig Bee底板上要外接传感器测量模块, 这个接口成为执行器电路。接口为CC2430与单片机温湿度采集模块的接口, 也是CC2430与传感器测量模块之间的通信接口, 可以接温湿度测量、光电强度检测、电机控制等模块, 所有的接口都是通用的, 非常方便使用, 只需要将模块插在接口即可, 内部的通信协议都是统一的, 无需改变程序, 移植性强。
1.3电源切换电路
单片机底板有两个供电源, 其中之一是锂电池, 另外一个是外接电源接口。电源切换设计采用的是XC6206。该芯片由于具备高精度、低功耗的特点, 在电压调整中被广泛应用, 及时输出电流较大芯片电路的输入输出压差也能控制在误差范围之内。
二、系统软件
单片机始终处在接收命令状态, 当终端节点发送命令后, 单片机进行响应, 根据终端节点的命令进行响应的操作, 完成操作后要求返回数据信息。
2.1单片机与终端节点的通信协议
为了方便各个模块之间通信, 制定了统一的通信协议, 单片机与终端节点之间的通信协议是为了单片机采集完数据后与CC2430之间通讯的方便。
(1) 帧格式
(2) CC2430给单片机的命令 (Cmd) 和单片机给CC2430的数据 (Data)
0x71询问传感模块是否存在, 丛机应答的数据为0x FF71
0x72启动测量命令, 暂无应答
0x73采集测量结果, 丛机返回测量结果
三、温湿度采集数据分析
将温湿度传感器采集模块和标准温湿度计放在相近的位置, 通过计时观察温湿度计示数和系统界面显示的温湿度, 观察并记录测试温湿度数据是否一致。以下是两者之间的示数对比:
探空湿度传感器的信号调理电路设计 篇9
电容式湿度传感器搭载探空仪进行高空大气湿度探测,是目前探空湿度测量的主要技术之一。当传感器的湿敏电容芯片表面中的高分子材料吸附环境中的水分子,引起介电常数发生变化,通过信号调理电路的测量就可以测出高空环境中的湿度。
与地面观测仪器的传感器电路相比,高空气候环境因素复杂,湿度变化较地面变化明显而且迅速,同时探空仪是要随气球运动,因此传感器及其检测电路需要满足体积小,重量轻的要求。随着气象探测发展的进步以及人们对天气分析预报质量要求的提高,为提高测量精度,同时提高测量速度,对探空湿度测量的精度和噪声提出了比地面湿度传感器更高的要求[2]。传统的检测电路在精度,噪声等指标上已难以满足高分辨率数值预报模式和气候变化研究的需求。针对高空探测需要,通过对微小电容信号检测和晶体振荡电路的研究,采用电荷放大器技术,设计了一种低噪声信号调理电路。
1 信号调理电路设计
提出的检测框图如图1所示,由信号发生器电路,电荷放大器电路,全波整流电路,低通滤波电路和后续的A/D转换及MCU电路等组成。将待测电容接入电荷放大器电路,待测电容在交流激励下呈现一定的容抗,电荷放大器产生的电压幅值与待测电容成比例,经全波整流,低通滤波和A/D转换等环节,得到反映待测电容的数字化电压信号[3],输出到MCU进行分析处理。设计采用的电容检测前置电路如图2所示。
1.1 信号发生器
为了减小噪声,需要采用1 MHz量级的固定频率信号作为激励源,且对频率和幅度的稳定性有较高的要求。用数字合成技术产生的正弦波信号,在波幅稳定性和频率稳定性方面具有一定的优势,但本设计只需要使用单频信号,对于一次性使用的探空湿度传感器,成本难以满足应用需求。而RC或LC振荡电路元件的温度系数直接影响振荡频率,精度和稳定度亦不易达到该领域精确测量的要求。考虑到晶体振荡器的品质因素高,受外界环境因素影响小,其谐振频率稳定度和其他技术相比具有优势,因此设计了一种石英晶体构成的电容三点式晶体振荡电路,振荡频率为1.8 MHz,电路如图2左上部分所示。
此电路中,反馈电压取自电容C2,而电容对晶体管非线性特性产生的高次谐波呈现低阻抗,故反馈电压中高次谐波分量少,输出波形接近于正弦波。一般地,晶体振荡电路容易受电源电压变化的影响,直流偏置工作点变化较大时,可能引发振荡停止等故障,故在该电路中采用经线性电源芯片稳压后的直流电源。
振荡输出振幅与波形失真取决于反馈电容C1和C2的比值,故需要对电路参数的指标进行优化研究。若要电路的波形好,则比率设定要大,但振荡不易稳定;若要电路振荡稳定性好,减小比率设定,那么波形易失真[4]。而本电路主要考虑交流信号的稳定性,经实验研究发现,选用C1≈3C2,可得到稳定的交流信号。考虑到负载变化时振荡频率也会发生变化,在后级接入缓冲放大器,使负载稳定不变。该电路产生的交流信号如图3所示。
1.2 电容检测放大电路
根据探空气象观测对探测精度的要求,考虑漂移和信噪比,提出利用一种基于电荷放大器的电路实现高精度测量,如图2右上部分所示。采用交流电压U1作为待测电容Cx的激励源,产生的交流电流经带有反馈电容Cf和反馈电阻Rf的电荷放大器后,有
此时,交流电路产生一个幅值与被测电容成正比的交流电压信号,且激励频率越高,线性度越好。其中Rf的作用是防止Cf长时间充电导致集成运放饱和,且满足Rf>>1/ωCf。实验中交流信号频率为1.8 MHz,反馈电阻Rf为10 MΩ,反馈电容Cf为100 pF,则|jωCfRf|=1 800>>1。
为了不影响放大器的带宽,采用的反馈电阻取值通常在MΩ数量级,而电阻的噪声与阻值的二次方根成正比,且大阻值电阻稳定性通常难以满足要求,为了减小放大电路的总体噪声,首先应取较高频率的激励电压,同时采用“T型”电阻反馈网络来减小反馈电阻的阻值。从电荷放大器的输入端来看,R4,R5,R6组成的T型电阻网络,其等效电阻为
若提高R4R5/R6的值,即使不用高值电阻也能得到阻值较大的Rf。而输入端噪声主要由R4产生的噪声电压决定。取R4=R5=100 kΩ,R6=1 kfΩ,则其等效电阻Rf为10.2 MΩ。
根据信号特征和工作频率的分析,前置放大器必须具有高输入阻抗,良好的频率特性,低电流噪声和高频开环增益。正确选择合适的运放在这里是重要的,经比较试验,选用AD公司的OP37。该芯片具有63 MHz的增益带宽,低噪声,可保证不失真地放大高频交流小信号。
1.3 整流滤波电路
全波整流电路如图2中左下部分所示,利用二极管的单向导电性和运算放大器的深度负反馈和放大功能组成的全波精密整流电路能够把交流信号转变成直流信号,同时可以避免失真,输出保留输入电压的形状而仅改变输入电压的相位。整流后的波形如图4所示。
低通滤波电路图2右下部分所示,设计采用二阶有源滤波器,将整流后的脉动直流电压变为平滑的直流电压。与无源滤波器相比,有源滤波器的参数设计较为便捷,能够各级独立设计,确定各级滤波器的截止频率以及决定Q值的RC参数。
1.4 模数转换电路与MCU
为提高精度,需要采用高分辨率,采样速度快,低噪声的模数转换器(ADC)实现低通滤波后输出的数字化。这里采用的AD7793是一款适合高精度测量应用的24位∑-Δ调制器ADC。该芯片内置数字滤波器可优化对量化噪声和器件噪声的抑制,同时内部提供可编程激励电流源,外接精密电阻即可实现稳定的差分基准电压。此外AD7793采样频率可通过软件进行编程设置,这里设置采样频率为10Hz,可满足高空湿度探测的要求。而MCU采用低功耗,运算速度快的MSP430F149对采样数据进行分析处理。
2 电路抗杂散电容分析
电路的杂散电容可能随环境参数的变化而发生一定的变化,会降低检测电路的测量精度。由于电容传感器的杂散电容模型较为复杂,为便于分析,将其简化为如图5所示的电路模型,Cx1,Cx2为PCB电路板上产生的等效寄生电容,Cs1,Cs2为地与待测电容两端引线间的电容,Rs1,Rs2为引线寄生电阻[5]。
由于Cx1由信号发生器电路驱动,对流过待测电容的电流无影响,Cx2测量过程中始终处于电荷放大器的虚地状态,两端无电压差,所以Cx1,Cx2对测量不会造成影响。
而Cs1,Cs2,Rs1,Rs1对输出的影响可通过电路计算进行分析,设cs1,Cs2,Rs1,Rs1对电路的等效电导为Cx,令Cx与Cx并联,当jωCfRf>>1时,有
因为引线电阻很小,一般均小于1Ω,Cs1,cs2容值只有一般只有fF数量级,相对待测电容Cx很小,则Gx<<ωCf,所以
分析可知,该电路具有较好的抗寄生电容干扰的功能。
3 测量结果与讨论
3.1 测量方法
为了测试电容检测电路的噪声特性和准确度,实验采用固定电容代替传感器对电路进行测试。湿度传感器的湿敏标定电容大都在100 pF数量级,测试中电荷放大器的反馈电容选在同一数量级,取Cf=100 pF,载波电压幅值为0.45 V。为测试准确,测试前通过Agilent E4980 LCR仪及其开尔文探头对电容值进行再次标定。
实验时将待测电容接入电路,每200 ms采集一个数据,将结果送到MCU进行处理并通过RS232接口送到计算机记录。最后将串口数据通过Matlab软件进行分析处理,并与实际电容值进行比较。
3.2 结果分析
实验的输出电压值与被测量的固定电容值在表1列出。输出电压值与所测量的电容值成线性关系,如图6所示。对两者之间的关系曲线进行最小二乘法拟合,得到待测固定电容C0与输出电压U之间的拟合直线:
当在系统量程内测量时输出电压与线性拟合后的电压值最大误差为0.511 mV,所以测量误差优于0.04%,非线性误差为0.005%。
电路的随机噪声主要取决于前面第一级的电荷放大器,当采用OP37(),电路其它环节设置一定时,观察串口(已换算成电容值),输出仅在最后2个连续数字上跳动,说明各采样点的噪声误差均在0.01 pF数量级。均方根误差测试数据如表2所列。
对应的关系曲线如图7所示,测试结果表明,噪声电平的均方根误差RMS平均约等于5.6 fF,最大RMS等效于10fF的输入电容,这对于100 pF的待测电容来说,仅相当于100×10-6(ppm,百万分之一)的误差,说明在不考虑传感器噪声的情况下,可以检测的最小电容变化为10 fF,相对于湿度传感器大约100 pF的检测电容,可以实现0.01%的分辨率[6]。由于AD7793在采样频率为10 Hz,增益为1的设置时,最大有效分辨率为21.5位,理论分辨率可达0.8fF,说明本系统的电容检测电路的精度还可进一步提高。
4 结论
通过对设计的基于电荷放大原理的微弱电容测量电路的理论分析和具体实验表明,该电路具有较强的抗杂散电容性能,非线性误差为0.005%,测量准确度优于0.04%,分辨率为10 fF,工作稳定,可以满足高空探空仪湿度测量的要求。
摘要：针对高空气象湿度测量对高精度和低噪声提出的需求,设计了一种基于电荷放大器原理、用于探空湿度传感器的微弱电容检测电路。该电路由晶体振荡电路、电荷放大器电路、整流滤波、A/D转换、MCU等部分组成。实验结果表明:研制的检测电路具有较强的抗杂散电容性能,线性度良好,准确度优于0.04%。对于标称100 pF的待测电容,噪声引起的误差仅相当于待测电容的100×10-6(PPM),约10 fF,能满足高空探测的要求。
关键词：高空气象观测,湿度传感器,电荷放大器,振荡电路,低噪声
参考文献
[1]马颖,姚雯,黄邴勋.59型与L波段探空仪温度和位势高度记录对比.应用气象学报,2010;21(2):214-220
[2]唐慧强,薛丹丹.基于ZigBee的自动气象站风速测量系统设计.自动化与仪表,2009;(11):18-21
[3] Guichard F,Parsons D,Miller E.Thermodynamic and radiative impact of the correction of sounding humidity bias in the tropics.Journal of Climate,2000;20(13):3611-3624
[4]稻叶保.振荡电路的设计与应用.何启才,尤克,译.北京:科学出版社,2004
[5]曾凡林,钟少龙,徐静,等.MEMS加速度计信号光电检测电容检测的噪声分析.传感技术学报,2008;21(5):785-790
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