濕度傳感器課程設計

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、生活密切相關。濕度的檢測廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、國防、科技、生活等各個領域。例如，集成電路的生產車間相對濕度低于30%時，容易產生靜電感應而影響生產；粉塵大的車間由于濕度小產生靜電易發(fā)生爆炸；紡織廠的濕度低于65～70%RH時會斷線?？梢?，濕度測量在各個行業(yè)都是至關重要的。</p>

2、<p>　　在現(xiàn)代社會信息科技的不斷迅速發(fā)展中，計算機技術、網(wǎng)絡技術和傳感器技術的高速更新，使得濕度的測量正朝著自動化、智能化、網(wǎng)絡化發(fā)展。隨著2011年物聯(lián)網(wǎng)作為新興產業(yè)列入國家發(fā)展戰(zhàn)略，傳感器技術作為物聯(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、生活中最重要的參數(shù)之一，它的檢測在各種環(huán)境，各個領域都對起了重要作用。</p><p>　　測量電路由濕度傳感器，差動放大器，同

3、相加法放大器等主電路組成；為了實現(xiàn)溫度補償功能，選擇鉑電阻溫度傳感器采集環(huán)境溫度，通過轉換電橋和差動放大，輸入同相加法器實現(xiàn)加法運算，補償環(huán)境溫度對濕度傳感器的影響，其中轉換電橋工作電壓由差動放大器輸出電壓通過電壓跟隨器提供。</p><p>　　應用IH3605型溫度傳感器與集成運放設計測量濕度的電路，測量相對濕度(RH)的范圍為0%~l00%，電路輸出電壓為0~10V。要求測量電路具有調零功能和溫度補償功能。

4、使用環(huán)境溫度為0℃~85℃。</p><p>　　課程設計的要求及技術指標</p><p>　　2.1 課程設計的要求</p><p>　　1.根據(jù)設計要求，查閱參考資料。</p><p>　　2.進行方案設計及可行性論證。</p><p>　　3.確定設計方案，畫出電路原理框圖。</p><p&

5、gt;　　4.設計每一部分電路，計算器件參數(shù)。</p><p>　　5.總結撰寫課程設計報告。</p><p>　　2.2 課程設計的技術指標</p><p>　　1.濕度測量范圍：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 電路設計總方案</p><p>　　測量電路由濕度傳感器，差動放大器，同相加法放大器等主電路組成；為了實現(xiàn)溫度補償功能，選擇鉑電阻溫度傳感器采集環(huán)境溫度，通過轉換電橋和差動放大，輸入同相加法器

7、實現(xiàn)加法運算，補償環(huán)境溫度對濕度傳感器的影響，其中轉換電橋工作電壓由差動放大器輸出電壓通過電壓跟隨器提供。</p><p>　　3.2 電路設計原理框圖</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 差動放大電路</p><

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

9、，工作溫區(qū)有寬有窄。所以要考慮溫度補償問題。   對于半導體陶瓷傳感器，其電阻與溫度的的關系一般為指數(shù)函數(shù)關系，通常其溫度關系屬于NTC型，即 </p><p>　　H：相對濕度； T：絕對溫度；       R0：在T=0℃相對濕度H=0時的阻值；       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℃，測量誤差為0.21％RH/℃，則不必考慮溫度補償；若濕度溫度系數(shù)為0.4％RH/℃，則引

11、起12％RH/℃的誤差,必須進行溫度補償。在考慮到對濕度傳感器進行線性處理和溫度補償，常常采用電橋放大電路構成濕度測量電路。</p><p>　　由傳感器電橋和運算放大器組成的放大電路或由傳感器和運算放大器構成的電橋都稱為電橋放大電路。</p><p>　　電橋放大電路應用于電參量式傳感器，如電感式、電阻應變式、電容式傳感器等，經常通過電橋轉換電路輸出電壓或電流信號，并用運算放大器作進一步

12、放大，或由傳感器和運算放大器直接構成電橋放大電路，輸出放大了的電壓信號。 </p><p>　　圖4-2 差動輸入電橋放大電路</p><p>　　4.3 加法比例運算電路</p><p>　　運算放大器在各種測量線路中完成信號調理和運算功能。當今，第四代運算放大電路已經非常接近理想放大器特性運算放大器加法比例運算電路可以實現(xiàn)信號的求和以及放大。</p>

13、<p>　　圖4-3 加法比例運算電路</p><p>　　取=，則uo=(1+)(ui1+ui2)</p><p>　　當R2=R3時，uo=（1+)(ui1+ui2)</p><p>　　第五章 電路的設計、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，否則性能會劣化甚至失效。 電解質濕度傳感器的電導是靠離子的移動實現(xiàn)的，在直流電源作用下，正、負離子必然向電源兩極運動，產生電解作用，使感濕層變薄甚至被破壞；在交流電源作用下，正負離子往返運動，不會產生電解作用，感濕膜不會被破壞。 交流電源的頻率選擇是，在不產生正、負離子定向積累情況下盡可能低一些。在高頻情況下，測試引線的容抗明顯下降，會把濕敏電阻短路。

15、另外，濕敏膜在高頻下也會產生集膚效應，阻值發(fā)生變化，影響到測濕靈敏度和準確性。 </p><p>　　5.2 差動放大電路</p><p>　　圖 5-1 方案的差動放大電路</p><p>　?、龠x擇VS、Rl、ICl、R2、RP1確定電源電壓。</p><p>　　因為輸出電壓Uo=10V，電源電壓取15V。由ICl、R2、RP1組成調零

16、電路。由VS、R1組成傳感器電源(5V)，給傳感器和調零電路供電。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、準電壓源，基準電壓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>　　當相對濕度為0時，調節(jié)RPl，使Uo1=0V。</p><p>　　②選擇IC2~IC5、R3~R6、RP2。</p><p>　　IC2~IC5選擇7F324型四運放。由IC2等組成差動放大器后有如下

19、關系式，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，傳感器輸出電雎為4.02V，調零后，Ui=4.02－0.8=3 22V，Uo1應為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 溫度補償電路</p><p>　　圖5-2 方案的溫度補償電路</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組成溫度補償電路。其中，R11、R12、RP3、Rt可組成溫度補償電橋。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，Rt的值為R25，R25=1000(1+0.00375&

23、#215;25)=1093.75Ω。取RP3=1.5kΩ，調節(jié)RP3，使Ra=R25=1093.75Ω，則Uo2=0V。</p><p><b>　　b）計算有關參數(shù)</b></p><p>　　KF2=[R5+(RP2/2)]/R3=[27+(8.2／2)]／10=3.11</p><p>　　t=85℃、RH=100%時，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為溫度補償電壓。當t=85℃、RH=100%時，Uo1=8.397V，要求電路輸出10V，則補償電壓Uo2=10－8.397=1.603V。</p><p>　　由IC5組成差動放大器，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組成差動放大器后有如下關系式，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t=85℃、RH=100%時，Uo2的實際值為，</p><p>　　Uo2= KF5（Ui

28、2－Ui1)=15(0.9783－0.8279)=2.256V</p><p>　　設通過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 加法比例運算電路</p><p>　　圖5-3 方案的加法比例運算電路</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%的相對濕度時，調節(jié)RP2使Uo1=8.379V，調節(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 結論</b></p><p>　　濕度傳感器是指檢測外界環(huán)境濕度的傳感器，它將所測環(huán)境濕度轉換為便于處理、顯示、記錄的電信號等。它是一類重要的化學傳感器，在倉貯、工業(yè)生產、過程控制、環(huán)境監(jiān)測、家用電器、氣象等方面有著廣泛的應用。濕度傳感器是由濕度敏感元件、變換元件和測量電路三部分組成。</p><p>　　本設計

31、所實現(xiàn)的基于濕度傳感器的測量電路主要由濕度傳感器、差動放大器、同相加法放大器等主電路組成。為了實現(xiàn)溫度補償功能，選擇鉑電阻溫度傳感器采集環(huán)境溫度，通過轉換電橋和差動放大，輸入同相加法器實現(xiàn)加法運算，補償環(huán)境溫度對濕度傳感器的影響，其中轉換電橋工作電壓由差動放大器輸出電壓通過電壓跟隨器提供。</p><p>　　因此，在使用環(huán)境溫度為0℃~85℃下，本設計可通過0~10V的輸出電壓達到測量相對濕度(RH)范圍為0%

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

33、技術出版社.2000</p><p>　　[4] 李萬臣主編.《模擬電子技術基礎實驗與課程設計》(第一版)·哈爾濱工程大學出版社·2001</p><p>　　[5] 張國雄主編.《測控電路》第四版.機械工業(yè)出版社.2011</p><p>　　[6] 趙寶貴主編.《新編傳感器設計手冊》中國計量出版社2002年</p><p&

34、gt;<b>　　心得體會</b></p><p>　　通過這次課程設計，我掌握了濕度傳感器的測量電路的設計原理，和其中各單元電路、元器件的參數(shù)、功能和具體設計實施過程。將課本理論知識與實際應用相結合，對《測控電路》這門課程有了充分的理解。</p><p>　　濕度測量在現(xiàn)代信息社會中占著重要的作用，隨著電子技術的發(fā)展，濕度檢測逐步走向了集成化、智能化、網(wǎng)絡化。濕度的

35、檢測廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、國防、科技、生活等各個領域。通過課程設計，使我更好的將課本知識與現(xiàn)實相結合，為以后進入社會工作做好奠基。</p><p>　　本設計前做了充分的準備，查閱了大量的資料，了解了各種器件的功能及特性。在做的過程中還算順利。并在老師的指導下及我們共同的查找分析和修改，最后還算比較成功。這次的課程設計讓我認識到，做好提前的準備和以及團隊合作對事情成功的重要性。當然，做事情要仔細，不要去過于計較遲