濕度傳感器課程設(shè)計(jì).docx

1、燕山大學(xué)里仁學(xué)院測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)第一章濕度傳感器的功能及其原理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(chē)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(chē)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6570%RH時(shí)會(huì)斷線?？梢?jiàn)，濕度測(cè)量在各個(gè)行業(yè)都是至關(guān)重要的。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

2、，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。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。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010V。要求測(cè)量電路具有調(diào)零功能和溫度補(bǔ)償功能。使用環(huán)境溫度為0 85。1燕山大學(xué)里仁學(xué)院

3、測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)第二章課程設(shè)計(jì)的要求及技術(shù)指標(biāo)2.1課程設(shè)計(jì)的要求1. 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，查閱參考資料。2. 進(jìn)行方案設(shè)計(jì)及可行性論證。3. 確定設(shè)計(jì)方案，畫(huà)出電路原理框圖。4. 設(shè)計(jì)每一部分電路，計(jì)算器件參數(shù)。5. 總結(jié)撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告。2.2課程設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)1.濕度測(cè)量范圍： 0 100 RH；2.使用環(huán)境溫度范圍： 085；3.輸出電壓： 010V；4.非線性誤差： 0.5。2燕山大學(xué)里仁學(xué)院測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)第三章總方案及原理圖3.1電路設(shè)計(jì)總方案測(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，

4、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。3.2電路設(shè)計(jì)原理框圖差動(dòng)放大器同相加法器輸出1濕度電壓跟隨器傳感器差動(dòng)放大器PT電阻傳轉(zhuǎn)換電橋感器2圖 3-1 原理框圖3燕山大學(xué)里仁學(xué)院測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)第四章各組成部分的工作原理4.1差動(dòng)放大電路差動(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。圖 4-1 差動(dòng)放大電路uoR2ui 1(1R2 )R3R4ui 2R1R1R4如

5、果滿(mǎn)足R2/R1R4/：則uoR2(ui1)。R3R1ui 24燕山大學(xué)里仁學(xué)院測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)4.2溫度補(bǔ)償電路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，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)； B：溫度常數(shù)。溫度系數(shù)濕度系數(shù)濕度溫度系數(shù)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/ ，則引起

6、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。5燕山大學(xué)里仁學(xué)院測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)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(chēng)為電橋放大電路。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)。u aR1RR-+uu oR+NR (1+)R2=R1ub圖 4-2 差動(dòng)輸入電橋放大電路當(dāng)RR時(shí)：u(Ru， u1u。Ru)2212aoR2Rb

7、1若運(yùn)放工作在理想狀態(tài) ，即ua，則R)u 。ubuo(R）(/246燕山大學(xué)里仁學(xué)院測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)4.3加法比例運(yùn)算電路運(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。R1Rf-+uoR2u i1u+R3ui2圖 4-3 加法比例運(yùn)算電路取R2 = R1 ，則 uo=(1+ Rf )(R3ui1+R2ui2)R3 RfR1R2 R3R2 R3當(dāng) R2=R3時(shí)， uo= 1 （1+ Rf )(ui1+ui2)2R17燕山大學(xué)里仁學(xué)院測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)第五章 電路的設(shè)計(jì)、電路各部分工作特性及

8、元件的作用5.1電源的選擇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。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。8燕山大學(xué)里仁學(xué)院測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)5.2差動(dòng)放大電路圖 5-1 方案的差動(dòng)放大電路選擇 VS、 Rl 、

9、ICl 、R2、RP1 確定電源電壓。因?yàn)檩敵鲭妷?Uo=10V ，電源電壓取 15V。由 ICl、R2、RP1 組成調(diào)零電路。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 ，I z=5mA ，則1cczz 310)=l.98k R =(UU )/I =(155.1)(5取系列值 2k。ICl 選用 LM385型基準(zhǔn)電壓源，基準(zhǔn)電壓Uref=l.235V ，工作電流為10 A20mA，取工作電流 I=lmA ，則 3R2=(UzUref)/I=(5.1 1.235)(1 10)=3.865k 取系列值 3.

10、9k 。為使 RPl 支路耗電小，令通過(guò)其電流為0.2mA，則 3RPl=1.235(0.2 10)=6.175k 取系列值 6.8k 。9燕山大學(xué)里仁學(xué)院測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)當(dāng)相對(duì)濕度為 0 時(shí)，調(diào)節(jié) RPl，使 Uo1=0V。選擇 IC2IC5、R3R6、 RP2。IC2IC5 選擇 7F324 型四運(yùn)放。由IC 2 等組成差動(dòng)放大器后有如下關(guān)系式，即R3=R4 R5+(RP2/2)=R6，放大倍數(shù)K F2= R5+(RP2/2) R3，令R3=R4=10.0 k ，在 25、 100%(RH)時(shí)，傳感器輸出電雎為4.02V，調(diào)零后，Ui =4.020.8=3 22V， Uo1 應(yīng)為 10V。

11、R5+(RP2/2)=K F2R3=(U o1 Ui)R3 =(10/3.22) 10.0=31.06k 取 R5=27k則：RP2=2(31.0627)=8.12k 取系列值 8.2k R6=R5+(RP2/2)=31.06k取 E192 系列 3l.2 k10燕山大學(xué)里仁學(xué)院測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)5.3溫度補(bǔ)償電路圖 5-2 方案的溫度補(bǔ)償電路圖中電路選用了 R11R16、RP3、RP4、 Rt 。a）選擇 Rt 、R11、R12、RP3。由 IC4、IC5 及 R11R16、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 7

12、00 型鉑金電阻溫度傳感器， Rt Ro(1+ 2t)。式中， 2=0.00375/， Ro=1000， 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=10k。t=25時(shí)， Rt 的值為 R25，R25=1000(1+0.00375 25)=1093.75。 取 RP3=1.5k ，調(diào)節(jié) RP3，使 Ra=R25=1093.75 ，則 Uo2=0V 。b）計(jì)算有關(guān)參數(shù)11燕山大學(xué)里仁學(xué)院測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)K F2=R5+(RP2/2)/R 3=27+(8.2 2) 10=3.11t=85、 RH=100%時(shí)， Rt 的值

13、為 R85，即， R85=1000(1+0.00375 85)=1318.7 U8=Uo1=K F2Ui=3.11 (3.500.8)=8.397VUi1 =U8Ra (R12+ Ra)=8.397 1093.75 (10 10 3+1093.75)=0.8279VUi2= U R(R+ R )=8.3971318.7(10 10 +1318.7)=0.9783V8851185 3Uo2 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=108.397=1.603V。由 IC5 組成差動(dòng)放大器，其放大倍數(shù)為K F5，即，K F5=

14、Uo2（ Ui2 Ui1)=1.603 (0.97830.8279)=10.66取 KF5=15。c） 選擇 R13R16、RP4。由 IC5 組成差動(dòng)放大器后有如下關(guān)系式，即，R13= R15，R14= R16，KF5=R14 R13， R14= KF5R13 =15Rl3 ，取 R13= R15=10k， R14=15 10=150k，R16= R14=150k。當(dāng) t=85、 RH=100%時(shí)， Uo2 的實(shí)際值為，Uo2= K F5（Ui2 Ui1)=15(0.9783 0.8279)=2.256V設(shè)通過(guò) RP4 支路的電流為 1mA ，則 3RP4=2.256(1 10)=2.256

15、k ，取系列值 2.2k 12燕山大學(xué)里仁學(xué)院測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)5.4加法比例運(yùn)算電路圖 5-3 方案的加法比例運(yùn)算電路方案中選擇了 R7、R8、R9、R10。由 IC3 組成同相加法器。令 R7 =R8=R9=R10=10k，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。13燕山大學(xué)里仁學(xué)院測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)第六章總原理圖21 2PJ0U7A1031PCOICC1V1 1+327R102U7A1PR021PCOICC1V4+523R6R34RR1PR8367K CC C5NN N.2-DB5CC C813A NN NMCIL41522R

16、SV1RC5CV063HT-1PJ1CCV 9R4-8R1CCV1 1-1CCV+S iV V32101R4PR20U11C7CAV05PC1+OI4C1C141 1VR-2367A123R04PCOI11CC3541 1V-111RR3PR21R1t1RR器器感感傳傳度度溫0濕050016t3PHT圖 6-1方案的總電路圖14燕山大學(xué)里仁學(xué)院測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)第七章結(jié)論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(lèi)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

17、、變換元件和測(cè)量電路三部分組成。本設(shè)計(jì)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。因此，在使用環(huán)境溫度為 085下，本設(shè)計(jì)可通過(guò) 010V 的輸出電壓達(dá)到測(cè)量相對(duì)濕度 (RH)范圍為 0%l00%。15燕山大學(xué)里仁學(xué)院測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)1 閻石主編 .數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 高教出版社 .20052 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 .20023 張友漢主編 .電子線路設(shè)計(jì)應(yīng)用手冊(cè) .福建科學(xué)技術(shù)出版社 .20004 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 20015 張國(guó)雄主編 .測(cè)控電路第四版 .機(jī)械工業(yè)出版社 .20116 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16燕山大學(xué)里仁學(xué)院測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)心得體會(huì)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