基于QCM的低濕傳感器及其無(wú)線傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

1、在當(dāng)今社會(huì)，人們對(duì)測(cè)量濕度的精度要求越來(lái)越高，尤其是對(duì)一些低濕度環(huán)境的檢測(cè)。如變壓器中斷路器內(nèi)SF6介質(zhì)環(huán)境的濕度檢測(cè)。但是由于在低濕環(huán)境下，空氣中水分子含量極少，導(dǎo)致大部分濕度傳感器在低濕環(huán)境下的測(cè)量準(zhǔn)確性仍舊存在不足。
　　本文以石英晶體微天平(Quartz Crystal Microbalance，QCM)的質(zhì)量敏感原理為理論基礎(chǔ)，利用QCM傳感器可以檢測(cè)到10-9 g質(zhì)量變化的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)在QCM晶片上涂覆對(duì)水分子具有良好吸

2、附特性的Nation材料的方式，制作QCM低濕傳感器。并通過(guò)對(duì)多組不同Nation涂覆量的QCM低濕傳感器在1％～10％RH相對(duì)濕度范圍內(nèi)的濕敏曲線進(jìn)行對(duì)比，綜合考慮傳感器的穩(wěn)定性以及傳感器對(duì)濕度變化的靈敏程度，得到QCM低濕傳感器較為合適的Nation涂覆量。以此為基礎(chǔ)，研究了該傳感器在低濕環(huán)境下的濕敏特性。研究結(jié)果表明，基于QCM的Nation低濕傳感器在1～10％RH范圍內(nèi)具有良好的重復(fù)性及線性，其線性擬合度R2約為0.98;傳感

3、器可以分辨1％RH的相對(duì)濕度變化，且傳感器響應(yīng)時(shí)間較短。同時(shí)，本文研究了該QCM低濕傳感器在其他相對(duì)濕度環(huán)境下的表現(xiàn)。研究結(jié)果表明，該傳感器在11.3～97.3％RH范圍內(nèi)仍具有較好的濕度響應(yīng)，且具有比較良好的短期穩(wěn)定性。
　　另外，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的濕度無(wú)線傳感系統(tǒng)。其中，采用QCM低濕傳感器作為無(wú)線濕度傳感系統(tǒng)的傳感器部分，并設(shè)計(jì)起振電路使QCM傳感器諧振;在FPGA中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)溫度與濕度的數(shù)據(jù)采集;通過(guò)Veril

4、og-HDL硬件描述語(yǔ)言編寫(xiě)D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)差頻法消除了部分溫漂誤差，設(shè)計(jì)頻率計(jì)對(duì)差頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)頻;使用最小二乘法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了線性與二次項(xiàng)函數(shù)擬合并選擇更精確的擬合函數(shù)，采用SOPC技術(shù)搭建NiosⅡ軟核并在軟核內(nèi)通過(guò)擬合函數(shù)實(shí)現(xiàn)差頻頻率到相對(duì)濕度的轉(zhuǎn)化，并根據(jù)不同濕度環(huán)境設(shè)計(jì)按鍵來(lái)進(jìn)行低濕、高濕測(cè)量的轉(zhuǎn)換;在NiosⅡ環(huán)境中編程控制液晶屏，將轉(zhuǎn)化生成的相對(duì)濕度值顯示在系統(tǒng)下位機(jī)，同時(shí)控制藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)上位機(jī)，系統(tǒng)上位機(jī)采用V

5、S2010開(kāi)發(fā)，可以進(jìn)行串口通信控制、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、動(dòng)態(tài)曲線顯示、濕度超標(biāo)報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢以及Excel文件的導(dǎo)出等功能。
　　通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明本系統(tǒng)在低濕環(huán)境中可以進(jìn)行較為準(zhǔn)確的測(cè)量，同時(shí)本系統(tǒng)也可以在其余相對(duì)濕度范圍下進(jìn)行工作;另外，本文針對(duì)低濕環(huán)境的密閉性進(jìn)行無(wú)線傳輸測(cè)試，搭建了電氣設(shè)備SF6模擬環(huán)境，結(jié)果表明本系統(tǒng)可以在金屬密閉環(huán)境中工作。綜上，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)低濕密閉環(huán)境的測(cè)量，同時(shí)也可以在中高相對(duì)濕度下