高分子电容式湿度传感器信号处理方法
基于电容式传感器的湿度测量系统
17．基于电容式传感器的湿度测量系统一、系统的测量原理由物理学可知, 两个平行金属板组成的电容器,如果忽略了边缘效应, 其电容为:各种介质的介电常数不同, 若在两电极间充以空气以外的其他介质, 使介电常数发生变化, 电容量也会随之发生变化。
湿敏电容的理论公式为:式中:A ———极板的面积;d ———两极板间距离;ε———电容极板间介质的介电常数;ε0 ———真空介质电常数;εr———介质的相对介电常数。
从上式可见,当传感器结构一定时,湿敏电容Ct 与介质的相对介电常数εr 成正比,即湿敏电容量Ct 与环境的相对湿度(RH) 呈固定的函数关系。
因此，可以通过对电容Ct的测量来得到环境的湿度。
而电容Ct的测量可以通过电路设计间接得到。
二、传感器结构设计及安装传感器设计与普通电容原理相同，即有两个相隔一定距离的金属板构成。
由于本实验测量的是环境的湿度，因此两极板之间也可以填充吸湿性较好的材料。
安装时，在传感器的两个极板上接上线路，将传感器视作一个电容介入到电路中即可。
三、输入输出（变换）关系因单片机能对频率实现高精度的测量,故可将电容量转变为频率量进行测量。
图中振荡电路Ⅰ产生的是与标准电容Co 相对应的具有固定频率的基本信号,振荡电路Ⅱ产生的是与湿敏电容Ct 相对应的测量信号。
在单片机的控制下使上述两电路同时起振,并测出两信号的频率差或周期差。
该差值是相对湿度的函数,经单片机运算处理后,得到相对湿度送显,超限时报警。
电容—频率的转换可采用键控式多谐振荡器完成，图中A、B 为CMOS 与非门, Ct 为湿敏电容, R0 为标准电阻, Rs 为保护电阻,K 为启振键控端四、测量电路设计图中上部为基准振荡电路, 电容C0 为可变调零电容(其电容值应调至与RH 为0 %时湿敏电容值相等,用以产生具有固定频率的基本信号;下部的振荡电路用以产生与Ct 相对应的测量信号。
图中在振荡信号的输出端加了一级反相器是为了改善输出的波形;在电路的末端加了一级14 位二进制串行计数/分频器4060 ,并对振荡波形进行12 位二进制分频输出(即从Q12输出) ,目的是为了加大可测值范围, 以提高相对湿度的测量精度。
湿度传感器工作原理
湿度传感器工作原理一、引言湿度传感器是一种常见的传感器，用于测量空气中的湿度。
它在许多领域都有广泛的应用，例如气象、农业、工业等。
本文将详细介绍湿度传感器的工作原理。
二、湿度传感器概述湿度传感器是一种能够测量空气中水分含量的设备。
它通常由两部分组成：一个测量元件和一个信号处理单元。
测量元件负责将空气中的水分转换为电信号，而信号处理单元则将这些电信号转换为实际的湿度值。
三、湿度传感器类型目前市场上有许多种不同类型的湿度传感器，其中最常见的包括电容式、电阻式和共振式等。
1. 电容式湿度传感器电容式湿度传感器利用了空气中水分对电容值的影响来测量湿度。
它通常由两个平行板组成，其中一个板上涂有吸水材料，而另一个则是金属板。
当空气中含有水分时，吸水材料会吸收这些水分并膨胀。
这会导致两个板之间的距离变小，从而增加了电容值。
通过测量电容值的变化，就可以确定空气中的湿度。
2. 电阻式湿度传感器电阻式湿度传感器利用了空气中水分对电阻值的影响来测量湿度。
它通常由两个金属片组成，其中一个片上涂有吸水材料。
当空气中含有水分时，吸水材料会吸收这些水分并膨胀。
这会导致两个金属片之间的距离变小，从而改变了它们之间的电阻值。
通过测量电阻值的变化，就可以确定空气中的湿度。
3. 共振式湿度传感器共振式湿度传感器利用了共振频率对空气中水分含量的敏感性来测量湿度。
它通常由一个陶瓷晶体和一个微型天线组成。
当陶瓷晶体表面被涂上吸水材料时，它会因为质量增加而改变其共振频率。
通过测量共振频率的变化，就可以确定空气中的湿度。
四、湿度传感器工作原理无论是哪种类型的湿度传感器，在工作原理上都遵循着相似的流程：将空气中的水分转换为电信号，再将这些电信号转换为实际的湿度值。
1. 湿度测量元件湿度测量元件是湿度传感器的核心部分。
在电容式和电阻式湿度传感器中，它通常由一个吸水材料组成。
当空气中含有水分时，吸水材料会吸收这些水分并膨胀。
在共振式湿度传感器中，则是通过涂抹吸水材料来改变陶瓷晶体的质量。
MEMS湿度传感器信号采集与数字化处理研究
压 阻式湿 度 传感 器是 利用 压 阻效 应将 被 测量 的湿
度变化转换为敏感元件 电阻值 的变化 ， 而通过 电路 进 变成 电压或 电流信号 输 出的一类传感 器 。本实验 Ｊ
室设 计 的 湿 度 传 感 器 就 是 利 用 感 湿 聚 合 物 （ 酰 亚 聚
消 温漂 的影 响 。如 图 ３所 示 ， 传感 器 上 的可 调 电 ４个
图 ２ 压阻式湿度传感器芯 片（ 面 ） 正
垒 垒 ：１ ＋盯 堡 Ｔ
Ｒ Ｄ ¨ｆ 。 ¨ ｕ ｕｆ ‘
（） １
、 ‘
２ 湿度信 号采集及数字化处理 电路 设计
由于半 导体 材料 对 温 度 十分 敏 感 ， 阻 式 湿度 传 压
感器 的 ４个 检测 电 阻器 被 接 为 一 个 惠斯 通 电桥 ， 以抵
收 稿 日期 ： ０ ８ ７２ ； 回 日期 ： ０ ８ ９ ８ ２０ － －５ 修 ０ ２０ － － 。 ０ ０ 基 金 项 目： 家 ８３基 金 资 助 项 目（０ ６ Ａ ４ １４ 。 国 ６ ２０ Ａ ０ ０ ０ ）
点 ａ与 ｃ 引出电桥输 出端 ， 以接人后续 的运放对微弱 的 电压信 号进 行 放大 。图 中 ａ与 ｂ 间 的 Ｒ是外 接 电 之
分布在膜 四边 ， 中加热条用来加快聚酰亚胺脱湿。 其
１ 压阻 式湿度传感 器的测 量原理
压 阻效 应原 理在 传感 器 测量 中非常 有用 。压 阻效
加热条
应是 当材料受到应力作用 时， 电阻或电阻率发生明 其 显变 化 的现 象 。 电阻变化 率 及 电阻 率变 化率 与纵 向应
力 和横 向应 力 ｏ 之 间 的关 系 式 为 ： ｒ
阻 器 Ｒ 、 ２ Ｒ 、 ４的连 接 点 称 为顶 点 ， 电桥 的两 １Ｒ 、３ Ｒ 在
电容式传感器PPT课件
l1
C 22 (l l1) 21l1
d
ln( D ) ln( D )
D
d
d
ε1—被测液体介电常数 ε2—空气的介电常数 D、d—两同心圆柱的直径
l—柱体的有效总长度 l1——浸入液体的实际高度
C
2
ln( D
)
(1
2
)l1
d
K C 2 (1 2 )
l1 ln( D d )
第二节 电容传感器测量电路
5、新型电容式指纹传感器
FPS110电容式指纹传感器表面集合了300×300个电容器， 其外面是绝缘表面，当用户的手指放在上面时，由皮肤来组成 电容阵列的另一面。电容器的电容值由于导体间的距离而降低， 这里指的是脊（近的）和谷（远的）相对于另一极之间的距离。 通过读取充、放电之后的电容差值，来获取指纹图像。该传感 器的生产采用标准CMOS技术，大小为15×15mm2，获取 的图像大小为300×300，分辨率为500DPI。FPS110提供有 与8位微处理器相连的接口，并且内置有8位高速A/D转换器， 可直接输出8位灰度图像。FPS110指纹传感器整个芯片的功 耗很低（<200mw），价格也比较便宜（人民币600元以 下）。下图为利用FPS110获取的指纹图象
5、新型电容式指纹传感器
电容传感器系列 创新应用
第五章小结
1、变极距型电容传感器 输出呈非线性关系，灵敏度与极距平方成反比， 适合检测微小位移。
2、变面积型电容传感器
输出与被测量呈线性关系，适合检测较大的位移。 3、变介质型电容传感器
输出与被测量呈线性关系，典型应用是检测液位。 4、检测电路
运算放大器检测电路和电桥检测电路
剂固定两个截面为T型的绝缘体，
电容式传感器
2.5 运算放大器电路
由前述已知，极距变化型电容传感器的极距变化 与电容变化量成非线性关系，这一缺点使电容传 感器的应用受到一定限制。为此采用比例运算放 大器电路可以得到输出电压u g 与位移量的线性关系。
C0 ug =-u 0 0 A
输出电压ug与电容传感器间隙 成线性关系。这种电路用于位移测量传感器。
4.温度影响
环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系， 从而引入温度干扰误差。温度影响主要包括温度对结构尺寸和对介质的影响两 方面。
24
四、电容式传感器的研究现状
1.PT800型压力变送器
PT系列产品中的标准型号，内置陶瓷电容式传感器。可以自由选 配模拟、数字现场显示表头。有多种过程连接件，可以现场调零 点、满量程。广泛用于自动化工业中对液体、气体和蒸汽的测量。
27
9
1.2.2 角位移型
当动板转动一角度时，与定板之间的覆盖面积就发生 变化，导致电容量随之改变。
覆盖面积
A
r2
2
其中， 为覆盖面积对应的中心角，r为极板半径。
r 2 所以，电容量为 C 2
C r 2 灵敏度S 常数 2
由上式可知，角位移型电容传感器的输出C与输入也为线性关系。
电容式传感器
目录
一、电容式传感器的工作原理及分类
二、电容式传感器的测量电路
三、电容式传感器在应用中的注意事项
四、电容式传感器的研究现状
2
一、电容式传感器的工作原理及分类
由物理学可知，两块平行金属板构成的电容器，其电容量C为
0 A C
3
当被测参数（如位移、压力等）使公式中的、A、 变化时，都将引起 电容器电容量C的变化，从而达到从被测参数到电容的变换。
电容式传感器 课件
uC
u0
S
d
式中“负号”表示输出电压的 相位与电源电压反相。
上式说明 u 0与d成线性关系
脉冲宽度调制电路
脉冲宽度调制电路（PWM）是利用传感器的电容充放 电使电路输出脉冲的占空比随电容式传感器的电容量 变化而变化，然后通过低通滤波器得到对应于被测量 变化的直流信号。
变，导致两极板间的电容量发生变化
当 0 时
C0
A0
d
当 0 时
C
A0
(1
)
d
C0 (1
)
推导过程
电容与角位移成线性关系。其灵敏度为
K dC A d d
变面积式电容传感器的输出是线性的，灵敏度K是一 常数。
3 变介电常数型电容式传感器
极距变化型电容传感器的灵敏度与极距的平方成正比， 极距越小灵敏度越高。但极距过小，容易引起电容器击 穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料（云 母、塑料膜等）作介质。
原理上的非线性 ，要修正。
2 变面积式电容传感器
面积变化式电容传感器在工作时的极距、介质等 保持不变，被测量的变化使其有效作用面积发生 改变。
特点：运算式电路的原理较为简单，灵敏度和精度最 高。但一般需用“驱动电缆”技术来消除电缆电容的 影响，电路较为复杂且调整困难
2020/1/17
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C ～u
Cx
A
由运算放大器工作原理可知
u0
1 / ( jCx ) 1 / ( jC)
u
C Cx
提高湿敏电容测量精度的方法
提高湿敏电容测量精度的方法
张盛福;张鹏
【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2003(000)008
【摘要】高分子薄膜湿敏电容是目前湿度测量经常使用的传感器,其基本原理是在高分子薄膜的上下表面蒸镀一层微孔电极,构成一平行板电容器.当测量气体的相对湿度发生变化时,高分子薄膜在吸湿或脱湿过程中其介电常数ε变化,使湿敏电容的容量与被测气体的相对湿度近似为正比例变化,再将容量变化转化成频率信号即可测量相对湿度.但是,湿敏电容的灵敏度漂移较大,参数的一致性较差.如果硬件采用差频测量方法,并配合相应的软件进行数据处理,在一定程度可以消除传感器调理电路电源波动、环境温度变化、分布电容对测量精度的影响.
【总页数】2页(P34-35)
【作者】张盛福;张鹏
【作者单位】华北航天工业学院电子工程系,河北,廊坊,065000;廊坊食品工程学校,河北,廊坊,065000
【正文语种】中文
【中图分类】O484
【相关文献】
1.关于相对湿度过低导致湿敏电容缺测的原因浅析及处理方法初探 [J], 雷文君;郑盐源
2.一种高分子湿敏电容传感器温度特性的软件补偿方法 [J], 王晓蕾;罗丽;陈晓颖
3.湿敏电容器的温度补偿方法研究 [J], 叶小岭;廖俊玲;孙宁
4.一种同时测定湿敏元件电阻和电容分量的实用方法 [J], 应皆荣;万春荣
5.新型电容式蒸汽湿度传感器及提高测量精度的方法 [J], 宁德亮;阎昌琪;高璞珍因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
电容湿敏传感器的工作原理
电容湿敏传感器的工作原理
电容湿敏传感器的工作原理是:
1. 传感器中有一对电极板,构成一个电容器。
2. 电极板外表面覆盖一层吸湿材料,通常是陶瓷或聚合物。
3. 当空气湿度增加时,吸湿材料会吸收水分子。
4. 水分子的介电常数远大于空气,使电容器的电容量增加。
5. 随着湿度的增大,电容量持续增加。
相反,电容量会随着湿度下降而减小。
6. 将电容器连接在电路中,通过测量电容的变化检测湿度变化。
7. 一般采用电桥电路或振荡电路将电容转换为电频率或电压信号。
8. 然后将该信号输入微控制器,按一定映射关系换算湿度数值。
9. 微控制器显示传感器检测到的相对湿度数据。
10. 根据传感器电容与湿度之间已建立的映射关系,实现湿度的测量。