基于dsp技术的湿度传感器测试系统的设计及固件开发(编辑修改稿)

基于dsp技术的湿度传感器测试系统的设计及固件开发(编辑修改稿)内容摘要：

起电容量改变的原理工作。 该元件的基本结构是在基片上镀上一层梳状金底部电极， 再涂上高分子感湿膜， 然后在膜上面镀上另一层透水性好的金膜作为部电极。 有的湿度传感器再盖上一层多孔网罩以增加抗污染能力， 延长使用命。 早期感湿膜多采用醋酸纤维素及其衍生物。 目前大多采用的是醋酸丁酸纤维素。 电容型湿敏材料常见的还有聚苯乙烯、聚酞亚胺、酪酸醋酸纤维等感湿材料。 这类湿度传感器近十年研究得比较活跃， 其主要优点是响应时间快， 滞后性小， 在低湿处的灵敏度也高， 稳定性好， 制作简单， 易于实现小型化和集成化。 主要缺点是抗高湿能力差， 长期稳定性有待进一步研究。 电容式湿度传感器用的电介质通常有两类。 高分子有机介质和陶瓷。 近年来，等离子体复合膜和玻璃陶瓷作为介质的电容式湿度传感器得到较快发展。 在低湿度下 ( 3 0 %R H 以下 )适用电容型湿度传感器为宜。 电容式湿度传感器的感湿机理是基于电极间的高分子感湿材料吸附环境中的水分子时，其介电常数也随之变化，其电容量与环境中水蒸气相对压 ( 习 P o ) 14 关系可由下式表示 : 式中： 0 为真空介电常数： u 为相对湿度 U%RH 时高分子的介电常数； S 为电容式传感器有效电容面积； D 为高分子感湿膜厚。 其中 ORU HaW 2 (26) 1 0 0/)/( 0 buPb PW U  （ 27） 式中 :: ， 为相对湿度 0 % R H 时高分子的介电常数 :a , b 为常数。 为相对湿度 U %R H 时，高分子中吸附水的介电常数。 高 分子湿度传感器在结构上等同于一个变介电参数的平板电容器，当被测环境湿度变化时，感湿膜吸附水分子使电容器的介电参数增大。 平板电容的数学表达式如下所示 : kux  0 （ 28） dskudSdSxxc   0 （ 29） 式中： x 材料在不同相对湿度下的介电常数； 0 0%RH 介电常数 K— 是常数 u— 是相对湿度 cx 是元件在不同相对湿度时的电容量 S— 下电极面积 d— 感湿膜厚度 对于一个固定的元件， ,0 S,d 均可视为常数，可以设： dsk /01  dskk 2 （ 210） 所以： ukkcx 21 （ 211） 由上式可以 看见， C。 与 U 呈线性关系， 从而由 元件电 容量的 大小，即可决定环境中相对湿度的大小。 湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小。 便于制造、容易实现小型化和集成化 ，其精度一般比湿敏电阻要低一 些。 高分子电容型湿度传感器的典型产品有 RSD 2 型，其响应即可测范围 ( 0 15 99 % RH)都很好，但在高湿度情况下连续使用易于劣化。 高分子电容型湿度传感器属三层式结构，即上层为方块电极金属膜层，中间是聚酞亚胺膜，下层是叉指状电极金属膜层，采用半导体硅片作为衬底材料 [ l 61 薄膜电容式湿度传感器结构如图 220薄膜电容式湿度传感器体积很小，高分子感湿膜很薄，并且将感湿电容制在基板上，基板起支撑感湿电容、增加机械强度的作用，可防止感湿膜伸缩及变形而使电容值发生变化，要求基板的材质对水的反应是惰性的，可用玻璃等材料制作。 在基板上，利用微电子技术手段中的蒸金、光刻、腐蚀等技术，制成一 对下电极。 下面以聚酞亚胺膜作介质的高分子电容式湿度传感器为例介绍一下高分子电容式湿度传感器。 利用了聚酞亚胺膜可逆的吸收和放出水分子使其介电常数随之变化的工作原理。 元件采用聚酞亚胺 ( PI ) 为感湿材料，是将聚酞亚胺酸 ( P A ) 涂在基片上，经亚胺化后制成的。 吸水后，其介电常数与环境的相对湿度具有线性关系。 PI 本身的介电常数很小，只有 ，而水的介电常数在室温时为 8 0。 已有很多理论和经验公式来描述 P I 和水复合物的介电性，并与试验结果作详细比较，根据 looyenga 的半经验关 系式 : })([ 311311312   v （ 211） 式中的 和 : 分别为复合物、 P I 和水的 介电 常数， v 为 P I 吸水的体 积百分数 .湿度越大， P I 薄膜吸附的水分子越多， v 越大，复合物介电常数就增大，正是根据这一原理制成 P I 薄膜电容式湿度敏感元件 .当然，在P I 薄膜吸收或放出水分子时，也会引起薄膜厚度的变化，但因 P i 膜很薄，薄膜厚度的变化对电容值的影响比介电常数对电容值的影响要小得多，主要是介电常数￡ 的变化引起电容值的改变 . 16 聚酞亚胺是典型的高分子电容式湿度传感器，是有很大溶解性的高分子电解质，其溶液对温度、浓度及湿度都敏感，浓溶液比稀溶液稳定，可在低温下贮存较长时间。 制备湿度传感器时，将聚酞亚胺调至合适浓度，成膜，并进行水环化 [ [ 1 7 1。 而上电极的制作实际就是金属膜的制造，可以采用溅射、蒸镀化学镀、旋涂等方法，其制作工艺与半导体工艺兼容，制造工艺流程如图 23 17 图 23 工艺流程图 热敏电 阻式绝对湿度传感器 以上所述湿度传感器主要测定相对湿度。 热敏电阻式绝对湿度传感器用来测定绝对湿度，它将热敏电阻的一端封入到干燥空气中，另一端暴露在大气中，水蒸汽接触到能自加热的热敏电阻，就会产生温度差输出信号。 在湿度化的空气中，使用检测绝对水分量的绝对湿度传感器精度较好。 其它类湿度传感器 电磁波湿度传感器 电磁波湿度传感器是利用某些物质吸附水汽后，振荡频率、传播速度、整流特性等物理性能发生变化的原理来测定相对湿度。 电磁波湿度传感器有晶式、二极管型、微波式、声表面波湿度 传感器等。 应用于特殊领域。 晶振式湿度传感器，石英振子的共振频率取决于振子的形状、切向和电等组成的负载，在电极表面上涂敷吸收湿膜，在吸附水汽后，测出频率的变即可测出相对湿度值。 二极管型，由 P d Z n O 组成的二极管型湿度传感器，整流特性随 P d 吸湿程度而变，类似的湿度传感器还有 S D O Z 湿敏二极管。 微式湿清洗 ， 氧化 蒸镀下电极 刻蚀下电极 涂覆感湿膜 刻蚀感湿膜 固化感湿膜 蒸镀上电极 刻蚀上电极 划片 焊接 封装 初 测 老练 测试筛 产品入库 18 度传感器，利用水汽吸收微波并使微波传输损耗发生变化的原理制成。 表面波湿度传感器，将吸湿性的聚合物薄膜涂敷在 S A W ( 声表面波 )延时子上，利用聚合物薄膜吸收水汽使弹性波传播速度 发生变化的原理制成。 吸收式湿度传感器 吸收式湿度传感器是利用化学吸收剂或其它干燥剂，吸收湿气体中水蒸直到完全干燥，然后测出水分的重量即可直接求出气体的湿度。 应用于湿度于 1 0 %R H 特殊环境中。 分压式湿度传感器应用于湿度大于 9 0 % R H 特殊环中。 红外线湿度传感器广泛应用于食品加工过程。 小结 本章介绍了各种传感器及其测量原理，重点阐述了电容式湿度传感器，讲述了其感湿机理，感湿材料和应用场合，同时，本章还介绍了市场上出现的各种湿度传感器，从干湿球湿度计、毛发湿度 计和露点仪湿度传感器到电子式湿度传感器。 随着仪器仪表向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，电子式湿度传感器愈来愈得到了广泛的应用。 三方案设计及测量原理 引言 高分子电容式湿度传感器生产己达到一定的规模。 但要大批量生产，一个关键的限制因素是 :在产品生产出来之后，各项技术质量指标必须给出，这些指标决定产品的质量性能及可用性，没有这些质量技术指标产品将不被认可。 但目前对这些质量技术指标的测试方法及手段存在以下几个问题 : 1 . 湿度源 ( 湿度发生装置 )昂贵，不能为普及测试提供方 便及良好的条件 : 2 . 检测电路精度不高，易受外界散杂小电容的干扰。 3 ， 手工测量，一次只能检测一个，费时费力，测试数量有限，且测试结果因人而异。 4 . 测试系统与硬件的接口形式单一，不能适应计算机接口最新的发展。 因此，对湿度传感器性能作出快速、准确，有效的检测是企业急待解决的问题。 针对这些问题，设计目标为 : 1 . 提供一套高精度的湿度发生器，达到较高的性价比。 19 2 . 硬件测试电路的将散杂电容的干扰消除到最小，电容测试引用误差达到 %: 3 ， 实现对湿度传感器的批量测试，测试系统能够实现对 3 2 路湿度传感器的同时测量，同时在硬件测试板做少量改动的情况下，实现按需任意路数测试。 4 . 测试接口 3 . 2 湿度传感器测量原理 目前湿度传感器在生产过程中还停留在手工测试阶段，存在很多问题，本节对电容式湿度传感器进行了详细地分析，利用电容式湿度传感器的等效形式，阐述了使用复数电压法测量对湿度传感器的测量过程，建立了复数电压法电容式湿度传感器性能测试数学模型。 采用串行通信 R S 2 3 2 接口和 U S B 接口两方式。 湿度传感器测量原理 目前湿度传感器在生产过程中还停留在手工测试阶段，存在很多问题，本节对电容式湿度传感器进行了详细地分析，利用电容式湿度传感器的等效形式，阐述了使用复数电压法测量对湿度传感器的测量过程，建立了复数电压法电容式湿度传感器性能测试数学模型。 电容式湿度传感器的等效形式及单元测量电路 电容式湿度传感器在测量过程中，就相当于一个微小电容，对于电容的测量，主要涉及到两个参数，即电容值 C 和品质参数 Q。 湿度传感器并不是一个纯电容，它的等效形式 如 图 3 1虚线部分所示，相当于一个电容和一个电阻的并联〔 1 9 3 湿度传感器构成的单元测量微分电路由湿度传感器 Zc 与反馈电阻 R : 构成了一个有源微分电路。 输入信号 V。 在经过该电路后受反馈电阻和湿度传感器的影响形成输出电压气 u。 湿度传感器 Zc 的等效形式及其构成的单元测量微分电路 XRZcxCj 11 （ 31） 而 RZVVfCinout  （ 32） 将（ 31）代入（ 32） 写可得 20 VXRVRRV incfinXFou t j ( ) (33) 根据上式可得： 的实部）VVRRVoutinxfa ( （ 34） )(fb 的虚部VVXRVoutinc （ 35） 令： XRVVVVVcxbaout j ab, 所以 （ 36） 由于： Q=XRcx （ 37） 根据（ 36），（ 37）可得 Q=VVab （ 38） 即品质因数 Q 的值为微分电路输出的复数电压虚部和实部的比值。 所以 对Q 值的 测量就转换 成对微分电 路输出的 复数电 压虚部和实 部的测量。 电容式湿度传感器复数电压法测量电路 图 3 2是电容式湿度传感器复数电压法测量的具体测量电路，其电路组成包括三个部分 :微分电路、反相电路和积分电路。 正弦波发生器产生的正弦信号 经过微分电路 ( 湿度传感器含在此电路中 ) 后， 信号变成气 ，对于气 的输出， 分成两路，一路直接经电子开关 K1 后进入积分电 路，另一路先经过反 相电路， 使 得输出为。 经过电子开关 Kz 后，也同样进入积分电路。 单片机电路用来控制湿度传感器通道的切换、电子开关K1 , K2 : 的闭合与断开和积分电路数据的采集与处理等。 复数电压法电容式湿度传感器性能测试数学模型的建立 如下图 3 3 是电容式湿度传感器复数电压法在上述测量电路中的波形图， ( a ) 表示正弦波发生器产生的正弦波波形。 ( b ) 表示经过 微分电路后相位发生了偏移的正弦波波形 , ( C ) 为对电容的实部进行整流后的波形。 ( d)为对电容的虚部进行整流后的波形。 其中 ( b ) , ( c ) ,。