濕度傳感器課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　濕度傳感器的功能及其原理</p><p>　　濕度是表示空氣中水蒸氣含量的物理量，它與人們的生產(chǎn)、生活密切相關(guān)。濕度的檢測(cè)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、科技、生活等各個(gè)領(lǐng)域。例如，集成電路的生產(chǎn)車間相對(duì)濕度低于30%時(shí)，容易產(chǎn)生靜電感應(yīng)而影響生產(chǎn)；粉塵大的車間由于濕度小產(chǎn)生靜電易發(fā)生爆炸；紡織廠的濕度低于65～70%RH時(shí)會(huì)斷線。可見(jiàn)，濕度測(cè)量在各個(gè)行業(yè)都是至關(guān)重要的。</p>

2、<p>　　在現(xiàn)代社會(huì)信息科技的不斷迅速發(fā)展中，計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感器技術(shù)的高速更新，使得濕度的測(cè)量正朝著自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。隨著2011年物聯(lián)網(wǎng)作為新興產(chǎn)業(yè)列入國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，傳感器技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的最前端—感知層，在其發(fā)展中占了舉足輕重的地位。而濕度作為日常生產(chǎn)、生活中最重要的參數(shù)之一，它的檢測(cè)在各種環(huán)境，各個(gè)領(lǐng)域都對(duì)起了重要作用。</p><p>　　測(cè)量電路由濕度傳感器，差動(dòng)放大器，同

3、相加法放大器等主電路組成；為了實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償功能，選擇鉑電阻溫度傳感器采集環(huán)境溫度，通過(guò)轉(zhuǎn)換電橋和差動(dòng)放大，輸入同相加法器實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算，補(bǔ)償環(huán)境溫度對(duì)濕度傳感器的影響，其中轉(zhuǎn)換電橋工作電壓由差動(dòng)放大器輸出電壓通過(guò)電壓跟隨器提供。</p><p>　　應(yīng)用IH3605型溫度傳感器與集成運(yùn)放設(shè)計(jì)測(cè)量濕度的電路，測(cè)量相對(duì)濕度(RH)的范圍為0%~l00%，電路輸出電壓為0~10V。要求測(cè)量電路具有調(diào)零功能和溫度補(bǔ)償功能。

4、使用環(huán)境溫度為0℃~85℃。</p><p>　　課程設(shè)計(jì)的要求及技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　2.1 課程設(shè)計(jì)的要求</p><p>　　1.根據(jù)設(shè)計(jì)要求，查閱參考資料。</p><p>　　2.進(jìn)行方案設(shè)計(jì)及可行性論證。</p><p>　　3.確定設(shè)計(jì)方案，畫出電路原理框圖。</p><p&

5、gt;　　4.設(shè)計(jì)每一部分電路，計(jì)算器件參數(shù)。</p><p>　　5.總結(jié)撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。</p><p>　　2.2 課程設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　1.濕度測(cè)量范圍：0％～100％RH；</p><p>　　2.使用環(huán)境溫度范圍：0～85℃； </p><p>　　3.輸出電壓：0～10V；</p

6、><p>　　4.非線性誤差：±0.5％。</p><p><b>　　總方案及原理圖</b></p><p>　　3.1 電路設(shè)計(jì)總方案</p><p>　　測(cè)量電路由濕度傳感器，差動(dòng)放大器，同相加法放大器等主電路組成；為了實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償功能，選擇鉑電阻溫度傳感器采集環(huán)境溫度，通過(guò)轉(zhuǎn)換電橋和差動(dòng)放大，輸入同相加法器

7、實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算，補(bǔ)償環(huán)境溫度對(duì)濕度傳感器的影響，其中轉(zhuǎn)換電橋工作電壓由差動(dòng)放大器輸出電壓通過(guò)電壓跟隨器提供。</p><p>　　3.2 電路設(shè)計(jì)原理框圖</p><p><b>　　圖3-1 原理框圖</b></p><p>　　各組成部分的工作原理</p><p>　　4.1 差動(dòng)放大電路</p><

8、;p>　　差動(dòng)放大器:是把二個(gè)輸入信號(hào)分別輸入到運(yùn)算放大器的同相和反相二個(gè)輸入端，然后在輸出端取出二個(gè)信號(hào)的差模成分，而盡量抑制二個(gè)信號(hào)的共模成分的電路。采用差動(dòng)放大器電路，有利于抑制共模干擾和減小漂移。</p><p>　　圖4-1 差動(dòng)放大電路</p><p>　　4.2 溫度補(bǔ)償電路</p><p>　　濕度傳感器具有正或負(fù)的溫度系數(shù)，其溫度系數(shù)大小不一

9、，工作溫區(qū)有寬有窄。所以要考慮溫度補(bǔ)償問(wèn)題。   對(duì)于半導(dǎo)體陶瓷傳感器，其電阻與溫度的的關(guān)系一般為指數(shù)函數(shù)關(guān)系，通常其溫度關(guān)系屬于NTC型，即 </p><p>　　H：相對(duì)濕度； T：絕對(duì)溫度；       R0：在T=0℃相對(duì)濕度H=0時(shí)的阻值；       A：濕度常數(shù)

10、；B：溫度常數(shù)。</p><p>　　溫度系數(shù)＝      濕度系數(shù)＝</p><p><b>　　濕度溫度系數(shù)＝</b></p><p>　　若傳感器的濕度溫度系數(shù)為0.07％RH/℃，工作溫度差為30℃，測(cè)量誤差為0.21％RH/℃，則不必考慮溫度補(bǔ)償；若濕度溫度系數(shù)為0.4％RH/℃，則引

11、起12％RH/℃的誤差,必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。在考慮到對(duì)濕度傳感器進(jìn)行線性處理和溫度補(bǔ)償，常常采用電橋放大電路構(gòu)成濕度測(cè)量電路。</p><p>　　由傳感器電橋和運(yùn)算放大器組成的放大電路或由傳感器和運(yùn)算放大器構(gòu)成的電橋都稱為電橋放大電路。</p><p>　　電橋放大電路應(yīng)用于電參量式傳感器，如電感式、電阻應(yīng)變式、電容式傳感器等，經(jīng)常通過(guò)電橋轉(zhuǎn)換電路輸出電壓或電流信號(hào)，并用運(yùn)算放大器作進(jìn)一步

12、放大，或由傳感器和運(yùn)算放大器直接構(gòu)成電橋放大電路，輸出放大了的電壓信號(hào)。 </p><p>　　圖4-2 差動(dòng)輸入電橋放大電路</p><p>　　4.3 加法比例運(yùn)算電路</p><p>　　運(yùn)算放大器在各種測(cè)量線路中完成信號(hào)調(diào)理和運(yùn)算功能。當(dāng)今，第四代運(yùn)算放大電路已經(jīng)非常接近理想放大器特性運(yùn)算放大器加法比例運(yùn)算電路可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的求和以及放大。</p>

13、<p>　　圖4-3 加法比例運(yùn)算電路</p><p>　　取=，則uo=(1+)(ui1+ui2)</p><p>　　當(dāng)R2=R3時(shí)，uo=（1+)(ui1+ui2)</p><p>　　第五章 電路的設(shè)計(jì)、電路各部分工作特性及元件的作用</p><p><b>　　電源的選擇</b></p&g

14、t;<p>　　一切電阻式濕度傳感器都必須使用交流電源，否則性能會(huì)劣化甚至失效。 電解質(zhì)濕度傳感器的電導(dǎo)是靠離子的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，在直流電源作用下，正、負(fù)離子必然向電源兩極運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電解作用，使感濕層變薄甚至被破壞；在交流電源作用下，正負(fù)離子往返運(yùn)動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生電解作用，感濕膜不會(huì)被破壞。 交流電源的頻率選擇是，在不產(chǎn)生正、負(fù)離子定向積累情況下盡可能低一些。在高頻情況下，測(cè)試引線的容抗明顯下降，會(huì)把濕敏電阻短路。

15、另外，濕敏膜在高頻下也會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng)，阻值發(fā)生變化，影響到測(cè)濕靈敏度和準(zhǔn)確性。 </p><p>　　5.2 差動(dòng)放大電路</p><p>　　圖 5-1 方案的差動(dòng)放大電路</p><p>　　①選擇VS、Rl、ICl、R2、RP1確定電源電壓。</p><p>　　因?yàn)檩敵鲭妷篣o=10V，電源電壓取15V。由ICl、R2、RP1組成調(diào)零

16、電路。由VS、R1組成傳感器電源(5V)，給傳感器和調(diào)零電路供電。VS選用MTZJ5 IB型穩(wěn)壓二極管，Uz=5.IV，Iz=5mA，則</p><p>　　R1=(Ucc－Uz)/Iz=(15－5.1)／(5×10－3)=l.98kΩ</p><p><b>　　取系列值2kΩ。</b></p><p>　　ICl選用LM385型基

17、準(zhǔn)電壓源，基準(zhǔn)電壓Uref=l.235V，工作電流為10μA~20mA，取工作電流I=lmA，則</p><p>　　R2=(Uz－Uref)/I=(5.1—1.235)／(1×10－3)=3.865kΩ</p><p>　　取系列值3.9kΩ。</p><p>　　為使RPl支路耗電小，令通過(guò)其電流為0.2mA，則</p><p>

18、;　　RPl=1.235／(0.2×10－3)=6.175kΩ </p><p>　　取系列值6.8kΩ。</p><p>　　當(dāng)相對(duì)濕度為0時(shí)，調(diào)節(jié)RPl，使Uo1=0V。</p><p>　　②選擇IC2~IC5、R3~R6、RP2。</p><p>　　IC2~IC5選擇7F324型四運(yùn)放。由IC2等組成差動(dòng)放大器后有如下

19、關(guān)系式，即R3=R4．R5+(RP2/2)=R6，放大倍數(shù)KF2=[ R5+(RP2/2)]／R3，令R3= R4=10.0 kΩ，在25℃、100%(RH)時(shí)，傳感器輸出電雎為4.02V，調(diào)零后，Ui=4.02－0.8=3 22V，Uo1應(yīng)為10V。</p><p>　　R5+(RP2/2)=KF2×R3=(Uo1／Ui)R3=(10/3.22)×10.0=31.06kΩ</p>

20、<p><b>　　取R5=27kΩ</b></p><p><b>　　則：</b></p><p>　　RP2=2(31.06－27)=8.12kΩ</p><p><b>　　取系列值8.2kΩ</b></p><p>　　R6=R5+(RP2/2)=31.

21、06kΩ</p><p>　　取E192系列3l.2 kΩ</p><p>　　5.3 溫度補(bǔ)償電路</p><p>　　圖5-2 方案的溫度補(bǔ)償電路</p><p>　　圖中電路選用了R11~R16、RP3、RP4、Rt。</p><p>　　a）選擇Rt 、R11、R12、RP3。</p><p

22、>　　由IC4、IC5及R11~R16、RP3、RP4、Rt組成溫度補(bǔ)償電路。其中，R11、R12、RP3、Rt可組成溫度補(bǔ)償電橋。Rt選擇EL－700型鉑金電阻溫度傳感器，Rt Ro(1+α2t)。式中，α2=0.00375/℃，Ro=1000Ω，Rt的工作電流推薦值為lmA。IC4為電壓跟隨器，8腳輸出電壓U8的最大值為10V，令R11= R12=10kΩ。t=25℃時(shí)，Rt的值為R25，R25=1000(1+0.00375&

23、#215;25)=1093.75Ω。取RP3=1.5kΩ，調(diào)節(jié)RP3，使Ra=R25=1093.75Ω，則Uo2=0V。</p><p><b>　　b）計(jì)算有關(guān)參數(shù)</b></p><p>　　KF2=[R5+(RP2/2)]/R3=[27+(8.2／2)]／10=3.11</p><p>　　t=85℃、RH=100%時(shí)，Rt的值為R85，

24、</p><p>　　即，R85=1000(1+0.00375×85)=1318.7Ω</p><p>　　U8=Uo1=KF2Ui=3.11×(3.50－0.8)=8.397V</p><p>　　Ui1=U8Ra／(R12+ Ra)=8.397×1093.75／(10×10－3+1093.75)=0.8279V</p

25、><p>　　Ui2= U8R85／(R11+ R85)=8.397×1318.7／(10×10－3+1318.7)=0.9783V</p><p>　　Uo2為溫度補(bǔ)償電壓。當(dāng)t=85℃、RH=100%時(shí)，Uo1=8.397V，要求電路輸出10V，則補(bǔ)償電壓Uo2=10－8.397=1.603V。</p><p>　　由IC5組成差動(dòng)放大器，其放大

26、倍數(shù)為KF5，即，</p><p>　　KF5= Uo2／（Ui2－Ui1)=1.603／(0.9783－0.8279)=10.66</p><p><b>　　取KF5=15。</b></p><p>　　c） 選擇R13~R16、RP4。</p><p>　　由IC5組成差動(dòng)放大器后有如下關(guān)系式，即，</p&g

27、t;<p>　　R13= R15，R14= R16，KF5=R14／R13，R14= KF5R13 =15Rl3，</p><p>　　取R13= R15=10kΩ，R14=15×10=150kΩ，R16= R14=150kΩ。</p><p>　　當(dāng)t=85℃、RH=100%時(shí)，Uo2的實(shí)際值為，</p><p>　　Uo2= KF5（Ui

28、2－Ui1)=15(0.9783－0.8279)=2.256V</p><p>　　設(shè)通過(guò)RP4支路的電流為1mA，則</p><p>　　RP4=2.256／(1×10－3)=2.256kΩ，取系列值2.2kΩ</p><p>　　5.4 加法比例運(yùn)算電路</p><p>　　圖5-3 方案的加法比例運(yùn)算電路</p>

29、<p>　　方案中選擇了R7、R8、R9、R10。</p><p>　　由IC3組成同相加法器。令R7=R8=R9=R10=10kΩ，在85℃、100%的相對(duì)濕度時(shí)，調(diào)節(jié)RP2使Uo1=8.379V，調(diào)節(jié)RP4使Uo=10V。</p><p><b>　　第六章 總原理圖</b></p><p>　　圖6-1 方案的總電路圖<

30、/p><p><b>　　第七章 結(jié)論</b></p><p>　　濕度傳感器是指檢測(cè)外界環(huán)境濕度的傳感器，它將所測(cè)環(huán)境濕度轉(zhuǎn)換為便于處理、顯示、記錄的電信號(hào)等。它是一類重要的化學(xué)傳感器，在倉(cāng)貯、工業(yè)生產(chǎn)、過(guò)程控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、家用電器、氣象等方面有著廣泛的應(yīng)用。濕度傳感器是由濕度敏感元件、變換元件和測(cè)量電路三部分組成。</p><p>　　本設(shè)計(jì)

31、所實(shí)現(xiàn)的基于濕度傳感器的測(cè)量電路主要由濕度傳感器、差動(dòng)放大器、同相加法放大器等主電路組成。為了實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償功能，選擇鉑電阻溫度傳感器采集環(huán)境溫度，通過(guò)轉(zhuǎn)換電橋和差動(dòng)放大，輸入同相加法器實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算，補(bǔ)償環(huán)境溫度對(duì)濕度傳感器的影響，其中轉(zhuǎn)換電橋工作電壓由差動(dòng)放大器輸出電壓通過(guò)電壓跟隨器提供。</p><p>　　因此，在使用環(huán)境溫度為0℃~85℃下，本設(shè)計(jì)可通過(guò)0~10V的輸出電壓達(dá)到測(cè)量相對(duì)濕度(RH)范圍為0%

32、~l00%。</p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 閻石主編.《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》·高教出版社.2005</p><p>　　[2] 趙負(fù)圖主編.《傳感器集成電路手冊(cè)》.化學(xué)工業(yè)出版社.2002</p><p>　　[3] 張友漢主編.《電子線路設(shè)計(jì)應(yīng)用手冊(cè)》.福建科學(xué)

33、技術(shù)出版社.2000</p><p>　　[4] 李萬(wàn)臣主編.《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)》(第一版)·哈爾濱工程大學(xué)出版社·2001</p><p>　　[5] 張國(guó)雄主編.《測(cè)控電路》第四版.機(jī)械工業(yè)出版社.2011</p><p>　　[6] 趙寶貴主編.《新編傳感器設(shè)計(jì)手冊(cè)》中國(guó)計(jì)量出版社2002年</p><p&

34、gt;<b>　　心得體會(huì)</b></p><p>　　通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我掌握了濕度傳感器的測(cè)量電路的設(shè)計(jì)原理，和其中各單元電路、元器件的參數(shù)、功能和具體設(shè)計(jì)實(shí)施過(guò)程。將課本理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，對(duì)《測(cè)控電路》這門課程有了充分的理解。</p><p>　　濕度測(cè)量在現(xiàn)代信息社會(huì)中占著重要的作用，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，濕度檢測(cè)逐步走向了集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。濕度的

35、檢測(cè)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、科技、生活等各個(gè)領(lǐng)域。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，使我更好的將課本知識(shí)與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，為以后進(jìn)入社會(huì)工作做好奠基。</p><p>　　本設(shè)計(jì)前做了充分的準(zhǔn)備，查閱了大量的資料，了解了各種器件的功能及特性。在做的過(guò)程中還算順利。并在老師的指導(dǎo)下及我們共同的查找分析和修改，最后還算比較成功。這次的課程設(shè)計(jì)讓我認(rèn)識(shí)到，做好提前的準(zhǔn)備和以及團(tuán)隊(duì)合作對(duì)事情成功的重要性。當(dāng)然，做事情要仔細(xì)，不要去過(guò)于計(jì)較遲