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    基于电容传感器的湿度检测技术方法研究.doc

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    基于电容传感器的湿度检测技术方法研究.doc

    河南理工大学万方科技学院本科生毕业论文(设计)基于电容传感器湿度检测技术方法研究院系名称信息科学与技术姓名何东博学号112608060135专业电子信息工程指导教师李赟(讲师)2015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。渗漏检测是建筑、仓储等行业质量检测的关键环节。目前,渗漏检测的方法多种多样,涉及多个技术领域。本文主要介绍基于电容法测湿的平面极板电容器的研究。关键词:电容传感器;湿度;渗漏检测Error! Reference source not found.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 be researched. Leakage detection is a key link in the process of construction, warehousing and other industries quality test. At present, the method of leakage detection varied, involving multiple technology. This paper mainly introduces plane plate capacitor based on capacitive rapid moisture research.Key Words:capacitance sensor ; humidity ; leak detection目录1 绪论12 湿度检测方法综述22.1 湿度传感器国内外的发展现状及前景22.2 湿度检测方法的特点和优劣32.1.1伸缩式湿度传感器32.1.2蒸发式湿度传感器32.1.3 露点传感器32.1.4电子式湿度传感器42.1.5电磁波湿度传感器53 电容法渗漏检测研究63.1 渗漏检测概述63.2 电容法渗漏检测的优势63.3 渗漏检测电容传感器模型的建立74 平面屋顶渗漏检测系统设计94.1 系统组成电容传感器检测电路的设计94.2 数据采集分析方法研究95 结论与展望11参考文献12致 谢13II1 绪论人类的生存和社会活动与湿度密切相关,随着现代化的实现,很难找出一个与湿度无关的领域来。在电子科学技术日益发达的今天,人类对自身的生活环境及工作环境要求越来越高。湿度的监测与控制在国民经济各个部门,如国防 、科研 、煤炭开采和井下监测以及人生活等诸多领域有着非常广泛的应用。众所周知,湿度的测量较复杂,而对湿度进行控制更不易。人们熟知的毛发湿度计、干湿球湿度计等已不能满足现代工作条件和环境的要求。为此,人们研制了各种湿度传感器,其中电阻和电容型湿度传感器以其测量范围宽,响应速度快,测量精度高,稳定性好,体积小,重量轻,制造工艺简单等显示出极大的优越性,在实际中得到了广泛应用。由于应用领域不同,对湿度传感器的技术要求也不同。从制造角度看,同是湿度传感器,材料、结构不同,工艺不同。其性能和技术指标有很大差异,因而价格也相差甚远。湿度是一个重要的物理量,航天航空,计量等许多环境中需要在高温下进行湿度的测量,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,(通常是指100以下),湿度测量已经相对成熟,有商品化产品,并广泛应用于各种行业 ,另外有许多以行业需要在高温环境下测量湿度,如航天航空、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,在恶劣的环境下工作,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业化气体时,将使精度大大下降。然而,随着科技的进步,人们对湿度的测量设备进行了越来越深层的研究,本文就以基于电容法测湿的平面极板电容器的研究进行阐述。2 湿度检测方法综述2.1 湿度传感器国内外的发展现状及前景传感器属于多学科交叉、技术密集的高技术产品,其技术水平决定于科学研究的水平,而我国在传感器研究方面科研投资强度偏低,科研设备落后,加之我国存在科研和生产脱节的现象,所以影响了传感器科研成果的转化,造成了我国传感器产品综合实力较低,阻碍了传感器产业的发展。敏感元件与传感器发展的总趋势是集成化、多功能化、智能化和系统化。传感器领域的主要技术正在现有基础上予以延伸和提高,加速新一代传感器的开发和产业化,可以预期:(1) 微机械加工技术(MEMT技术)将高速发展,成为新一代微传感器、微系统的核心技术,是21世纪传感器技术领域中带有革命性变化的高新技术。它不仅可以制成简单的三维结构,而且可以做成三维运动结构与复杂的力平衡结构。采用MEMT技术形成的微传感器和微系统,具有划时代微小体积、低成本、高可靠等独特的优点。(2) 新型敏感材料将加速开发,微电子、光电子、生物化学、信息处理等各种学科,各种新技术的互相渗透和综合利用,可望研制出一批先进传感器。(3) 传感器应用领域得到新的拓展,二次传感器和传感器系统的比例大幅度增长,集成化、智能化传感器与变送器将会呈现畅销势。近年来,湿度传感器的研究主要集中在感湿机理以及应用新材料、新工艺提高感湿特性和稳定性等方面。目前,日本、美国等国在湿度传感器的研究上已走在世界前列。湿度传感器可以分为三大类:电解质湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器和有机高分子聚合物传感器。湿度传感器具有线性好,温度系数小;制造工艺简单,易于批量生产。转换电路简单,成本低;抗腐蚀,耐低温和高温等特点。现在,湿敏传感器正从简单的湿敏组件向集成化、无损检测、多参数检测的方向迅速发展,为开发新型湿度测控系统创造了有力条件,也将湿度测量技术提高到新的水平。对高温环境下的测湿,半导体传感器由于其天然的耐高温特性和容易集成的优点,将成为高温湿度传感器的主流,而光纤高温湿度传感器由于其非接触测量特性,将会成为另一种很有应用潜力的传感器件,但是目前只有低温下的结果,若向高温范围应用,还要研究更有效的方法拓展测量范围。同时,由于湿度是比较难检测的物理量,而且检测湿度时湿度传感器必须直接暴露于待测环境中,因此至今还没有制成抗污染、长期稳定可靠的湿度传感器。在今后比较长的一段时间内,开发具有抗污染性和长期稳定性好的湿敏传感器仍然是一项重要的研究课题。2.2 湿度检测方法的特点和优劣2.1.1伸缩式湿度传感器 根据测定选材, 可分为毛发型和尼龙丝型湿度传感器。毛发湿度传感器是利用脱脂毛发的线性尺寸随环境气体水汽含量而变的原理制成。尼龙丝湿度传感器是利用其线性尺寸的变化与气体中湿度之间的关系来确定气体的湿度。伸缩式湿度传器是普通的、使用历史较久的湿度传感器, 具有装置简单, 使用方便等特点。若将伸缩式湿度传感器与记录仪配套使用, 则可以连续记录气体中的相对湿度。伸缩式湿度传感器在常温、常湿测量中具有实用价值。但这种湿度传感器的精度不高, 误差范围大约为士5%RH,响应速度低,在吸湿与脱湿过程中有滞迟现象, 特别是小于10%RH或大于90%时的误差更大。在选购毛发湿度传感器时, 应选欧洲女金发进行脱脂处理后的毛发为适宜。2.1.2蒸发式湿度传感器 蒸发式湿度传感器, 一般称为千湿球湿度计在被测空气湿度场中, 用两个相同的温度传感器, 使其中之一的感温部分置于该被测湿度场中, 使另一个温度传感器的感温部分置于饱和湿度场中(例如在感温部分裹一层湿纱布)当空气中相对湿度发生变化时, 由这两个温度传感器指示出不同的温度差值来确定空气中的相对湿度。干湿球湿度计例如采用液体水银温度计作为温度传感器价格低廉、精度较高, 是一种使用广泛, 较古老的湿度传感器。缺点是不能直接指示RH值,也不能连续记录。若用热敏电阻置换干湿球温度表并连接成电桥, 组成电阻式干湿球湿度计, 则可以直接指示值, 并可连续记录与远距离自动测量。一般在工厂、家庭、实验室或大气湿度测量中, 只要干湿球的温度准确,环境处理合理, 就可求得精度较高的空气相对湿度。但普通干湿球湿度计的测量结果受空气气流速度和热辐射的影响, 因此要求测量精度较高场合, 则采用通风干湿球湿计。在测量时还要考虑消除或修正大气压变化对湿度测量的影响。2.1.3 露点传感器 露点传感器是利用冷却方法使气体中的水汽达到饱和而结露, 根据结露点温度来测量气体中的相对湿度。它也是应用广泛历史较久湿度传感器。根据测定露点温度的不同方法, 可分为光电式、水晶式等冷凝式露点传感器。前者能测定低湿度, 在常温下精度高, 配合铂电阻测温, 准确度可达0.1 , 但结构复杂, 须用肉眼判断露点与霜点的区别后者能连续记录与远距离控制, 测精度也比较高, 但必须定期清洗与涂敷氯化铿, 而且在测量时不能有风, 耐热性能也较差。用露点传感器检测在干燥空气中的当低湿度较为适宜。美国(General Eastern)公司根据工业领域的过程检测要求, 使测量扩大到腐蚀性气体中, 开发出了耐蚀型镜面冷凝式露传感器, 镜面采用纯铂金制作而成。其最大优点是能长时间地连续保持高精度测量。目前, 英国国立物理实验室用氧化铝露点传感器测量在040之间, 准确度士1.5 在一40一60之间准确度为士2 在一60一80区间准确度为士3 。2.1.4电子式湿度传感器 电子式湿度传感器是利用一些物质的电特性与周围气体湿度之间具有一定关系来确定气体的湿度。可分别为电阻、电容、电解式, 电阻与电容组合式, 热敏电阻式湿度传感器等。电子传感器配测湿仪器近年来发展极为迅速,应用领域在逐步拓宽, 如工业、农业、食品业、家庭生活、环境保护、医药卫生等领域测量范围有粮食存储、食品加工与存储、金属表面、药品、加工与存储、工作间卫生间、房屋建筑、大气监测等湿度测定便于远距离传感, 特别适合于自动控制系统中湿度的控制和监测。 1>电阻式湿度传感器 它是利用某些吸湿性能较好的物质吸附水汽后, 其电阻率变化的原理来测定相对湿度。一般在中湿度(4090%RH)一使用电阻型湿度传感器电阻式湿度传感器根据所用的吸湿材料来分, 有固体电解质湿度传感器、高分子有机物湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器等。(1)固体电解质湿度传感器, 它在无碱玻璃衬底上涂敷氯化铿电解质组成湿敏电阻。这类传感器必须经常清污, 而且耐热性能差, 响应速度慢, 故应用较少。 (2)高分子有机物湿度传感器, 它在氧化铝基片上印刷固化了一对梳齿状金电极, 金电极表面涂敷了一层感湿膜组成的。虽然结构简单, 但滞迟现象严重, 故实用价值不大。 (3)半导体陶瓷湿度传感器, 金属氧化物半导体陶瓷材料具有线性和热稳定性好, 抗污染能力强, 响应时间短,寿命长, 使用范围宽等优点, 因而这类湿度传感器发展快、品种多, 故特别适用于湿度的自动测量。半导体陶瓷湿度传感器有MgCr2o4一Tio2型和,ZnCr3o4系列, 国产MSC一和MSC一型湿度传感器均属Fl3o4认半导体陶瓷型。 2>电容式湿度传感器 电容式湿度传感器利用某些物质吸附水汽后, 其电介质系数发生变化,从而引起电容量改变的原理工作。电容式湿度传感器用的电介质通常有两类高分子有机介质与陶瓷。近年来, 等离子体复合膜和玻璃陶瓷作为介质的电容式湿度传感器得到较快发展。在低湿度(30%以下)使用电容型湿度传感器为宜。高分子电容型湿度传感器的典型产品有RSD一2型, 其响应性及可测范围(099%)都很好, 但在高湿度情况下连续使用易于劣化。 3>热敏电阻式绝对湿度传感器 以上所述的湿度传感器主要测定相对湿度。热敏电阻式用来测定绝对湿度,它将热敏电阻的一方封入到干燥空气中, 另一方暴露在大气中, 水蒸汽按能自加热的热敏电阻, 就会产生温度差输出电信号。在湿度变化的空气中, 使用检测绝对水分量的绝对湿度传感器精度较好。2.1.5电磁波湿度传感器 电磁波湿度传器是利用某些物质吸附水汽后, 振荡频率、传播速度、整流特性等物理性能发生变化的原理来测定相对湿度。电磁波湿度传感器有晶振式、二极管型、微波式、声表面波传感器等。应用特殊领域。(1)晶振式湿度传感器。 石英振子的共振频率取决于振子的形状、切向和电极等组成的负载, 在电极表面上涂敷吸湿膜聚脂等, 在吸附水汽后, 测出的变化即可测出RH值。(2)二极管型 由Pd一Zno组成的二极管型湿度传感器, 其整流特性随Pd吸湿程度而变, 类似的湿度传感器还有Sno2仇湿敏二极管。(3)微波式湿度传感器 利用水汽吸收微波并使微波传输损耗发生变化的原理可制成微波式湿度传感器。(4)声表面波湿度传感器 将吸湿性的聚合物薄膜涂敷在声表面波延时振动子上, 利用聚合物薄膜吸收水汽使弹性波传播速度发生变化的原理制成声表面波湿度传感器。3 电容法渗漏检测研究3.1 渗漏检测概述建筑物渗漏是人们一直关心的问题之一。科技发展到今天,各种防水材料,混凝土防水性设计等技术方法日新月异取得了巨大发展。但时至今日,建筑物渗漏问题仍然屡见不鲜,给人们的生产和生活带来诸多困扰。有报道指出,我国建筑物的平均渗漏率达65%,卫生间渗漏高达75%。为保证建筑物防渗抗漏质量,渗漏检测已成为建筑物质量检测的关键一环。我国建筑法明确规定,建筑物验收时必须做渗漏性能检验。渗漏检测方法和检测水平的高低,将直接关系到建筑物施工质量。随着对建筑质量和检测手段要求的不断提高,工程技术人员对渗漏检测技术进行了大力开发。目前,国内外比较成熟的检测方法主要有:破坏局部法,此法需打开防水结构,损伤原有建筑物。气体压入法,将气体沿水浸入路径的反方向送入,用气体探测器测定渗漏气体,即可判定渗漏部位。此法由于建筑物不宜密封,而且气体泄漏未必就是水渗漏部位造成的,所以应用范围很小。示踪法,将含有发光物质的检测液从可能的渗漏层注入,经过一定时间后,用探测器探测发光,确定渗漏部位和渗漏路径,但检测所需时间较长,适用于小范围测定。红外摄像法,渗水处和完好部位会产生温度差,因此利用红外摄像仪可以测定表面温差从而判定是否渗水,主要适用于外露防水层的检测。地质雷达法,根据接收反射波的波形特征进行判断,对雷达图像的分析可以确定出渗漏部位和深度。 此外,与现代传感器技术和电子技术相结合,科研人员开发出了相关传感器和专用检测仪器。在渗漏检测领域里,日本有红外渗漏摄像仪,英国研制了电动车载式渗漏巡回检测仪等等。但由于各国的建筑结构和建筑材料有所差异,各种检测设备很难通用。建筑物渗漏检测技术的开发与应用,特别是在基础理论的运用,检测仪器的智能化、实时性和功能性等方面仍有很大的开发空间。3.2 电容法渗漏检测的优势渗漏的本质就是水汽侵入防渗层,这将改变防渗层的介电常数。而常温下,水的介电常数为81,常用建材沙、沥青、水泥的介电常数只有4、5、6。大多数电介质的介电常数小于10,比较大的甘油也只有37。可见水的介电常数比其他电介质大得多。水汽一旦浸入防渗层,其介电常数会显著增大,选用变介电常数式电容传感器进行渗漏检测可以获得理想的检测效果。电容传感器测漏往往可获得较高的探测灵敏度,这就是电容法渗漏检测的显著优势。3.3 渗漏检测电容传感器模型的建立常规的电容器极板均为空间相对放置,被测物仅限于极板之间的狭小空间,而如果要测量像建筑物屋面这样大范围的区域,就显得无能为力,所以若采用电容作为敏感元件,首要解决的问题就是建立合理的传感器模型。若将电容器的极板改为放置在同一平面内,构成平面极板式电容器,则可大大扩展电容传感器的应用范围。结合屋面检测的实际需求,我们选用导电橡胶制作电容极板,放置在一块绝缘橡胶基底上,固定在仪器底面,作为电容敏感元件。其传感器模型如图1所示。 图1 传感器模型 图2 平面极板电容器电场分布选用橡胶制作电容极板主要基于以下两个原因:一是橡胶具有较好的柔韧性,可以保证极板和防渗层紧密接触,减小空气隙对测量的干扰;二是由于极板和防渗层之间是接触测量,采用耐磨系数较大的橡胶极板可减小磨损,提高仪器使用寿命。防渗层则是电容器极板间的电介质,若防渗层发生渗漏,水的浸入将会引起防渗层介电常数变大。有资料表明,这种平面极板电容器的电场分布呈空间半圆柱形,如图2所示。按图示电力线分布,电容敏感元件上一微小面积(S=Lx)生成的电容值Cx近似为 (1)式(1)中a为极板间距,L为极板长度,x为沿极板宽度方向的变量,为被测物介电常数。单块极板的宽度为b,x从0到b积分,再乘以极板对数N (图示为两对极板并联使用),可得总的等效电容值C为 (2)式(2)中。当极板对数、极板尺寸一定时CK ,若被测物介电常数变化,等效电容C将随之改变。研究表明:探测灵敏度K和极板的宽度、间距以及并联的极板对数有关;极板间的电场穿透深度与相邻极板的中心距离成正比。所以,兼顾灵敏度和检测深度,电容器的极板尺寸及位置应根据实际需求综合设计考虑。4 平面屋顶渗漏检测系统设计4.1 系统组成电容传感器检测电路的设计图3 检测电路基本组成如图3所示为检测电路系统组成,系统主要有低频激励源,平面电容传感器、信号采集电路、自动显示与微机通信单元组成。激励源产生一定频率的交变信号加在RC串联回路上,VR即为放大器的输入信号,经放大输出Vo1,经过整流和阻抗匹配获得直流信号Vo2,再通过A/D转换,经由单片机存储控制,自动显示或直接送往微机通信单元,进行综合数据处理与分析(软件实现)。信号采集电路主要实现接收待测信号、交流放大、整流、阻抗匹配等功能,还可直接驱动报警电路,提示检测人员发现渗漏区域,以便进一步深入检测精确定位。微机通信单元主要包括模数转换、存储器、键盘接口等部分,保证待测信号和计算机系统软件之间的信息传递。系统软件可根据需要开发应用平台和数据库系统,对检测数据进行分析,获得屋面渗漏分布、漏源位置等信息。 由于被测屋面各处的含水量不同,使得传感器等效输出电容C值不同,所以VR、Vo1、Vo2随之变化,故可通过检测电压的变化,最终获取屋面的渗漏信息。4.2 数据采集分析方法研究若探测面积较大,如何精确定位出渗漏的具体位置,我们可以采取化整为零的单元检测法,再将所有数据汇总分析,绘制检测区域的“等湿线”分布图,最终确定出渗漏的中心区域。例如检测屋面时,将屋面均匀划分为若干检测单元,由检测仪采集存储每个单元的检测数据,再绘制出屋面扫描的数据分布图,如图4所示。图4 数据分布图上图中,含水率由高到低依次是A>B>C>D,画出等湿线,对应图中分成A、B、C、D四个区域。从图中我们可以判定出渗漏位置基本处于南北6,东西6的坐标处。另外,雨水口处有积水,很可能是由于雨水口堵塞造成,应及时清理维修,以免发生严重渗漏。5 结论与展望本文主要论述的是电容式传感器渗漏检测方面的知识。目前,湿度检测技术正在向着智能化、数字化和轻便化的方向发展。如本文中渗漏检测的信号源通过A/D转换模块电路使模拟信号转换成数字信号,将所得数字信号通过接口技术传输至单片机,单片机通过期内部的计算输出反馈信号使与单片机外部连接的报警器报警或显示器显示数据,使我们轻松检测出渗漏源的方位。现在,市场上的检测仪器越来越轻便小巧,我们房间中全智能空气清新器,机身轻便小巧便于运输而且外形美观,受到人们的青睐。基于该方法可设计研发应用于建筑板材、特殊防护层渗漏检测的专用仪器。用于湿度检测的湿敏传感器也正从简单的湿敏组件向集成化、无损化检测、多参数检测的方向迅速发展,为开发新型湿度测控系统创造了有利条件,也将湿度测量技术提高到新的水平对高温环境下的测湿,半导体传感器由于其天然的耐高温特性和容易集成的优点,将成为高温湿度传感器的主流,而光纤高温湿度传感器由于其非接触测量特性,将会成为另一种很有应用潜力的传感器件,但是目前只有低温下的结果,若向高温范围应用,还要研究更有效的方法拓展测量范围。本设计由于时间仓促,准备材料不足的情况下,所设计的方案有着不少不足之处,在后续的研究中我会努力将其完善。参考文献1 薛志平,何金田渗漏检测技术研究进展建筑技术开发J,2004,6: 116-1182 贺庆之,贺静单一平面电容传感器原理与应用工业仪表与自动化装置 J,2001,5:62-633 王阳,陈军宁,柯导明等湿度传感器的分类及研究全国第届 计算机科学与技术应用():,4 吴建平传感器原理及应用M北京:机械工业出版社,2008, 85-915 吴道梯非电量电测技术M西安:西安交通大学出版社,2001, 32-376 刘迎春、叶湘滨,传感器原理设计与应用,长沙:国防科技大学出版社,20047 电介质的介电常数www.cai.tongji.edu.cn8 张文学,杨佃福结露检测电容及其敏感模型研究电子测量与仪器学报J,1999,3:11-139 宋文章防水层渗漏部位的检测方法建筑技术开发J,2000,8:63-6410 赵武等. LEAK-SEEKER渗漏寻检仪应用技术J. 中国建筑防水,1999,5致 谢 大学生活一晃而过,回首过去的岁月,心中倍感充实,当我写完这篇毕业论文的时候,有一种如释重负的感觉,感慨良多。 首先诚挚的感谢我的论文指导老师李赟老师。她在忙碌的教学工作中挤出时间来审查、修改我的论文。还有教过我的所有老师们,你们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样;老师们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。 感谢四年中陪伴在我身边的同学、朋友,感谢你们为我提出的有益的建议和意见,有了你们的支持、鼓励和帮助,我才能充实的度过了四年的学习生活。13

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