河南理工大学万方科技学院本科生毕业论文.doc

1、本科生毕业论文(设计) 基于电容传感器的湿度检测技术方法研究院系名称姓名学号专业指导教师 年4月29日摘要湿度是表示大气干湿程度的物理量。空气的湿度与我们的生活、工作、生产都有着直接的联系，为了获得和测量湿度值，就必须对湿度的测量进行研究。近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足的 进步，由于高分子电容式湿度传感器测湿范围宽、响 应速度快、灵敏度高、温漂小、稳定性好，使用方便等 优点，已广泛应用于气象、农林、化纤、纺织、食品、家 用电器等许多领域。本文介绍了一种采用电容原理制作的电容式的湿度传感器。高分子电容式湿度传感器属电路参数型传感，其输出为电容值，传感器的相对容值与相对湿度%RH成正

2、比关系，受温度的影响较小。本文简单介绍了湿度传感器的分类、硬件电路设计、电容式传感器数据处理，根据实验数据总结测试结果。关键词：湿度、湿敏元件、电容式湿度传感器AbstractHumidity is the degree of atmospheric dry and wet quantity. The humidity of the air with our life, work, production has a direct link, in order to obtain and measure the humidity value, humidity measurement must

3、be researched. In recent years, both at home and abroad have made great progress in the field of research and development of humidity sensor, due to the high polymer capacitive humidity sensor moisture scope wide, ring should be high speed, high sensitivity, small temperature drift, good stability a

4、nd convenient use, has been widely used in meteorology, agriculture and forestry, chemical fiber, textile, food, home appliances and many other fields. This paper introduces a kind of on the principle of capacitance of capacitive humidity sensor. High polymer capacitive humidity sensor type sensing

5、circuit parameters, the output capacitance, relative capacity of the sensor value is proportional to the relative humidity % RH, less affected by temperature. This article simply introduces the classification of the humidity sensor, capacitive sensor data processing, hardware circuit design, summed

6、up the test result according to the experimental data. Key Words: Humidity、 moisture sensor、 capacitive humidity sensor目录1 引言1 1.1 选题意义1 1.2 研究现状22 湿度传感器的分类32.1 电解质湿敏传感器32.2 高分子材料湿敏传感器42.3 金属氧化物膜湿敏传感器52.4 半导体陶瓷湿度传感器 52.5 热敏电阻式湿度传感器6 2.6 红外线吸收式湿度传感器62.7 微波式湿度传感器72.8 超声波式湿度传感器73 系统设计8 3.1 硬件电路设计8 3.2

7、湿敏电容器的特性10 3.3 电容式传感器数据处理10 3.4 测试结果114 结论与展望12参考文献13致谢141. 引言1.1选题意义 很多行业中，如发电、纺织、食品、医药、仓储、农业等，对温度、湿度参量的要求都非常严格目前，在低温条件下(通常指100以下)，湿度的测量已经相对成熟，有商品化产品，并广泛应用于各种行业另有许多行业需要在高温环境下测量湿度，如航空航天、机车舰船、发电变电、冶金矿山、计量科研、电厂、陶瓷、工业管道、发酵环境实验箱、高温实验箱、高炉等场合这时，湿度测量结果往往不如低温环境下的测量结果理想另外，在恶劣条件下工作，例如气流速度、温度、湿度变化非常剧烈或测量污染严重的工

8、业气体时，将使精度大大降低。随着时代的发展，科研、农业、暖通、纺织、机房、航空航天、电力等工业部门，越来越需要采用湿度传感器，对产品质量的要求越来越高，对环境温、湿度的控制以及对工业材料水份值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一。湿度传感器产品及湿度测量属于 90年代兴起的行业。如何使用好湿度传感器，如何判断湿度传感器的性能，这对一般用户来讲，仍是一件较为复杂的技术问题。湿度传感器是基于其功能材料能发生与湿度有 关的物理效应或化学效应的基础上制造的，它具有 将湿度物理量转换成可测量的电讯号的功能。近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足的 进步，由于高分子电容式湿度传感器测湿范围宽、

9、响 应速度快、灵敏度高、温漂小、稳定性好，使用方便等 优点，已广泛应用于气象、农林、化纤、纺织、食品、家 用电器等许多领域。然而，随着高分子电容式湿度 传感器产量的不断增加，其测量成为生产领域中的 一个很大瓶颈。测量的低效率常使高效的工业化产 出不能转换为合格的市场商品，传统的测量仪器也不能得出有效的可靠性和质量参数，更缺乏对多次 检测的结果进行综合分析的能力，使我国产品缺少 与国外同类产品进行竞争的依据。所以需要有效地 湿度传感器是基于其功能材料能发生与湿度有 关的物理效应或化学效应的基础上制造的，它具有 将湿度物理量转换成可测量的电讯号的功能。近 年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足

10、的 进步，由于高分子电容式湿度传感器测湿范围宽、响 应速度快、灵敏度高、温漂小、稳定性好，使用方便等 优点，已广泛应用于气象、农林、化纤、纺织、食品、家 用电器等许多领域。然而，随着高分子电容式湿度 传感器产量的不断增加，其测量成为生产领域中的 一个很大瓶颈。测量的低效率常使高效的工业化产出不能转换为合格的市场商品，传统的测量仪器也 不能得出有效的可靠性和质量参数，更缺乏对多次 检测的结果进行综合分析的能力，使我国产品缺少 与国外同类产品进行竞争的依据。所以需要有效地改进现有的测试方法，使现有的测试方法向集成化、 智能化、多参数检测的方向发展，适应工业化生产的需要。本文就介绍了一种可以实现湿度

11、传感器 性能测试智能化、自动化的数学模型。1.2研究现状 国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品，电容式湿敏元件较为多见，感湿材料种类主要为高分子聚合物，氯化锂和金属氧化物。 电容式湿敏元件的优点在于响应速度快、体积小、线性度好、较稳定，国外有些产品还具备高温工作性能。但是达到上述性能的产品多为国外名牌，价格都较昂贵。市场上出售的一些电容式湿敏元件低价产品，往往达不到上述水平，线性度、一致性和重复性都不甚理想，30%RH以下，80%RH以上感湿段变形严重。有些产品采用单片机补偿修正，使湿度出现阶跃性的跳跃，使精度降低，出现一致性差、线性差的缺点。无论高档次或低档次的电容式湿敏元件，长期稳定性

12、都不理想，多数长期使用漂移严重，湿敏电容容值变化为pF级，1%RH的变化不足0.5pF，容值的漂移改变往往引起几十RH%的误差，大多数电容式湿敏元件不具备40以上温度下工作的性能，往往失效和损坏。 电容式湿敏元件抗腐蚀能力也较欠缺，往往对环境的洁净度要求较高，有的产品还存在光照失效、静电失效等现象，金属氧化物为陶瓷湿敏电阻，具有湿敏电容相同的优点，但尘埃环境下，陶瓷细孔被封堵元件就会失效，往往采用通电除尘的方法来处理，但效果不够理想，且在易燃易爆环境下不能使用，氧化铝感湿材料无法克服其表面结构天然老化的弱点，阻抗不稳定，金属氧物陶瓷湿敏电阻也同样存在长期稳定性差的弱点。 氯化锂湿敏电阻，具有最

13、突出的优点是长期稳定性极强，因此通过严格的工艺制作，制成的仪表和传感器产品可以达到较高的精度，稳定性强是产品具备良好的线性度、精密度及一致性，是长期使用寿命的可靠保证。氯化锂湿敏元件的长期稳定性其它感湿材料尚无法取代。22.湿度传感器的分类湿度传感器，基本形式都为利用湿敏材料对水分子的吸附能力或对水分子产生物理效应的方法测量湿度。有关 湿度测量，早在16世纪就有记载。许多古老的测量方法，如干湿球温度计、毛发湿度计和露点计等至今仍被广泛采用。现代工业技术要求高精度、高可靠和连续地 测量湿度，因而陆续出现了种类繁多的湿敏元件。湿敏元件主要分为二大类：水分子亲和力型湿敏元件和非水分子亲和力型湿敏元件

14、。利用水分子有较大的偶极矩，易于附着并渗透入固体表面的特性制成的湿敏元件称为水分子亲和力型湿敏元件。例如，利用水分子附着或浸入某些物质后，其电气性能（电阻值、介电常数 等）发生变化的特性可制成电阻式湿敏元件、电容式湿敏元件；利用水分子附着后引起材料长度变化，可制成尺寸变化式湿敏元件，如毛发湿度计。金属氧化物是离 子型结合物质，有较强的吸水性能，不仅有物理吸附，而且有化学吸附，可制成金属氧化物湿敏元件。这类元件在应用时附着或浸入被测的水蒸气分子，与材料发生 化学反应生成氢氧化物，或一经浸入就有一部分残留在元件上而难以全部脱出，使重复使用时元件的特性不稳定，测量时有较大的滞后误差和较慢的反应速度。

15、目前 应用较多的均属于这类湿敏元件。另一类非亲和力型湿敏元件利用其与水分子接触产生的物理效应来测量湿度。例如，利用热力学方法测量的热敏电阻式湿度传感 器，利用水蒸气能吸收某波长段的红外线的特性制成的红外线吸收式湿度传感器等。21电解质湿敏传感器利用潮解性盐类受潮后电阻发生变化制成的湿敏元件。最常用的是电解质氯化锂（LiCl）。从1938年 顿蒙发明这种元件以来，在较长的使用实践中，对氯化锂的载体及元件尺寸作了许多改进，提高了响应速度和扩大测湿范围。氯化锂湿敏元件的工作原理是基于湿度 变化能引起电介质离子导电状态的改变，使电阻值发生变化。结构形式有顿蒙式和含浸式。顿蒙式氯化锂湿敏元件是在聚苯乙烯圆筒上平行地绕上钯丝电极，然后把 皂化聚乙烯醋酸酯与氯化锂水溶液混合液均匀地涂在圆筒表面上制成，测湿范围约为相对湿度30%。含浸式氯化锂湿敏元件是由天然树皮基板用氯化锂水溶液浸泡 制成的。植物的髓脉具有细密的网状结构，有利于水分子的吸入和放出。70年代研制成功玻璃基板含浸式湿敏元件，采用两种不同浓度的氯化锂水溶液浸泡多孔无 碱玻璃基板（孔径平均500埃），可制成测湿范围为相对湿度2080%的元件。 氯化锂湿敏电阻 结构如右图：