电容式传感器的应用

传感器原理及工程应用设计

电容式湿度传感器的应用

学生姓名：陈思博 指导教师：任爽

所在学院：信息技术学院 专 业：电气工程及其自动化 学 号：[1**********]

中国·大庆 2011 年 12 月

摘要

利用电容式传感器的特点和在设计电路中的表现设计了其在湿度测量方面的应用。电容式湿度传感器是以高分子湿度湿敏原件电容器为基本感湿原件，利用单片机对测量结果进行分析处理，显示和远距离传输。本电路由电容式湿度传感其硬件电路有湿敏电容器、转换电路、E2PROM、单片机、调制解调器HT2012、带滤波器及波形滤波器等组成。测量准确度达2.5%，在测量相对湿度方面可以有很好的应用。

关键词：电容式湿度传感器

转换电路 相对湿度

目录

摘要 ......................................................... I 前言 ....................................................... III 1.绪论 ....................................................... 1 1.1传感器简介 .............................................. 1 1.2电容式传感器的工作原理 .................................. 1 1.3电容式传感器的特点 ...................................... 4 2.系统设计 ................................................... 6 2.1硬件电路设计 ............................................ 6 2.2 湿敏电容器的特性 ...................................... 8 2.3 电容式传感器数据处理 .................................. 8 2.4测试结果 ................................................ 8 结论 ........................................................ 10 参考文献 .................................................... 11

前言

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，本文就以电容型湿度传感器进行阐述。

1.绪论

1.1传感器简介

传感器，Transducer or Sensor，是一种能感受规定的被测量（如物理量、化学量、生物量等）并按一定规律转换成有用（与之有对应的关系的且易于处理和控制）输出信号的器件或装置；它由三部分组成：敏感元件、转换元件和测量电路。传感器中的敏感元件感受被测量并按照某种确定的关系将之转换为电量的其它量，再由转换元件转换为电量，然后经测量电路转换为有用电信号。形象点说，传感器相当于人的五官（眼、耳、口、鼻、舌）和皮肤，采集各种信息并送入计算机进行处理，产生并发出各种控制信号到执行机构，从而实现智能化和自动化。而传感器技术是关于传感器设计、制造及应用的综合技术，是信息技术、自动化技术和工程技术人员知识结构的重要组成部分。

传感器的技术特点是：内容范围广泛且离散；知识密集程度高、边缘学科色彩浓厚；技术复杂、工艺要求高；功能广、品种多、性能优；应用广。传感器的分类众多，可以按工作机理分类，按被测量分类，按被测量的性质不同分类，按敏感材料分类，按能量关系分类，按工作原理分类，按输出信号形式分类和按应用范围分类......如果按照工作原理分类，一般有：电阻式、电容式、电感式、压电式、热电式、光电式、磁敏、湿敏、光纤式等。而现在要论述的就是电容式传感器。

1.2电容式传感器的工作原理

电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置，它本身就是一种可变电容器。由于这种传感器具有结构简单，体积小，动态响应好，灵敏度高，分辨率高，能实现非接触测量等特点，因而被广泛应用于位移、加速度、振动、压力、压差、液位、等分含量等检测领域。

这里主要介绍电容式传感器的原理、结构类型、测量电路及其工程应用。当被测量的变化使S、d 或ε任意一个参数发生变化时，电容量也随之而变，从而完成了由被测量到电容量的转换。当式中的三个参数中两个固定，一个可变，使得电容式传感器有三种基本类型：变极距型电容传感器、变面积型电容传感器和变介电常数型电容传感器。电容式传感器的测量电路就是将电容式传感器看成一个电容并转换成电压或其他电量的电路。因此，常用的测量电路主要有桥式电路、调频电路、脉冲宽度制电路、运算放大器电路、二极管双T 形交流电桥和环行二极管充放电法等。调频电路实际是把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分,当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。虽然可将频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此必须加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。

调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01μm 级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量，并与计算机通信，抗干扰能力强，可以发送、接收以达到遥测遥控的目的。 因此，在实际应用中，常采用差动式结构，既使灵敏度提高1倍，又使非线性误差大大降低，抗干扰能力增强。

电容式传感器，顾名思义，指的是电容与传感器的组合。它是传感器的其中一种，因而也是由敏感元件、传感元件、测量电路组成。所不同的是，它以各种类型的电容器为传感元件，将被测物理量的变化转化为电容量的变化，再经测量电路转换为电压、电流或频率，以达到检测或控制的目的。在过去，电容式传感器主要应用于位移、加速度、角度和振动等机械量的精密测量；现在多用于压力、压差、液位、成份含量等方面的测量。电容式传感器的特点是：测量范围大；灵敏度高；动态响应好；小功率、高阻抗；机械损失小；结构简单，适应性强；但寄生电容影响大，而且变间隙式电容传感器存在非线性误差。电容式传感器的分类也是多种多样的，按工作原理可分为变间隙式（变极距型）、变面积式、变介电常数式（变介质型）；按极板结构分为平板式和圆柱式；按被测量分为位移、压力、应力、湿度、温度等类型。

现在以平板电容器为例来说明其工作原理。如图1所示。

x

图1平板电容器

其电容为：Cd0rSd,为极板间介质介电函数，0为真空介电常数，

0.6(pF/cm),r是介质相对介电常数，Crs.6d。

当即板间距离d（令:△d=x）后的电容为C1S(d0x)。

CC0(C1C0)C0(d0x)这是实际非线性关系。灵敏度

Sn(C0)x(d0x)，当x相对于do很小时可以近似为:d0xd0 时，CC0d0，这是理想的线性关系。理想情况下:Snd0 非线性误差：ef

dx(C)S(CC)Lx

10

(CC)Ld0d0

由上述可知，可以通过提高灵敏度和减小非线性误差的方法来改善电容式传感器的性能。但是影响电容式传感器的因素很多，温度、电容电场边缘效应和寄生或分布电容等等都会对电容式传感器产生影响。我们可以采取相应的措施来减少这些影响，如增大初始电容和加装等位环，静电屏蔽，电缆驱动等。

C

图3 运算放大器式电路原理图

x

图2变极距型传感器的特性曲线

凹形玻璃

膜片

图4 差动式电容压力传感器结构图

电容式传感器的运放测量电路原理图如图1-3所示，图中Cx为电容式传感器电容；Ui是交流电源电压;Uo是输出信号电压; Σ是虚地点。（传感器为平板电容，Cx=εS/d）由运算放大器工作原理可得

UCdUoi

S

此式说明运算放大器的输出电压与极板间距离d成线性关系。 电容式传感器的应用比较广，主要用于测量位移、压力、速度、介质、浓度、物位等物理量。相应地，产生了很多类型的电容式传感器，如电容式位移传感器、电容式压力传感器、电容式加速度传感器、电容式液位传感器等等。

现以电容压力传感器为例说明其应用。如图1-4中所示膜片为动电极，两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极，构成差动电容器。当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时，所形成的两个电容器的电容量，一个增大，一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。

现在传感器的应用十分广泛，其发展趋势逐渐趋向固态化、集成化、多功能化、图像化以及智能化。

上述就是到目前为止，我对传感器和电容式传感器的认识和了解。

1.3电容式传感器的特点

电容式传感器具体特点如下： (1)结构简单，适应性强

电容式传感器结构简单，易于制造，精度高，可以做得很小，以实现某些特殊的测量，电容式传感器一般用金属作电极，以无机材料作绝缘支承，因此可工作在

高低温、强辐射及强磁场等恶劣的环境中，能承受很大的温度变化，承受高压力、高冲击、过载等；能测超高压和低压差。 (2)动态响应好

电容式传感器由于极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小，可动部分可以做得小而薄，质量轻，因此固有频率高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特适合于动态测量；可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数、如振动等。 (3)分辨率高

由于传感器的带电极板间的引力极小，需要输入能量低，所以特别适合于用来解决输入能量低的问题，如测量极小的压力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高，能感受0.001μm ，甚至更小的位移。

(4)温度稳定性好

电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又由于本身发热极小，因此影响稳定性也极微小。 (5)可实现非接触测量、具有平均效应

如回转轴的振动或偏心、小型滚珠轴承的径向间隙等，采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。

不足之处是输出阻抗高，负载能力差，电容传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十皮法到几百皮法，使传感器输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源 时，输出阻抗更高，因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象；寄生电容影响大，电容式传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，降低了传感器的 灵敏度，破坏了稳定性，影响测量精度，因此对电缆的选择、安装、接法都要有要求。

电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅(测至0.05μm 的微小振幅)，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量，还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等。在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。

电容式液位传感器是利用被测介质面的变化引起电容变化的一种变介质型电容器。为用于检测非导电液体的电容式传感器。它是通过将被测介质的液面高度变化转为电容器电容量的变化，当被测液体的液面在电容传感器的两同心圆柱形电极间变化时，引起极间不同介电常数介质的高度发生变化。

电容式传感器是基于把被测非电物理量转换为电容量的原理进行测量的，它在工业中被广泛用于压力、差压、物位、液位、振动和位移等多种参数的检测。 电容传感器有三种类型：变极距型、变面积型和变介电常数型，其中极距型和介电常数型电容传感器为非线性，而变面积型是线性的，在实际使用中为提高传感器的线性度和抗干扰能力，增大灵敏度，常采用差动式结构。

电容传感器常用的测量电路主要有桥式电路、调频电路、脉冲宽度 制电路、运算放大器电路、二极管双T 形交流电桥和环行二极管充放电法等，不同电路各有特点，适用不同参数测量的场合。

电容式湿度传感器的敏感元件为湿敏电容 ,主要材料一般为高分子聚合物 、金属氧化物. 这些材料对水分子有较强的吸附能力 , 吸附水分的多少随环境湿度而变化 . 由于水分子有较大的电偶极矩 ,吸水后材料的电容率发生变化. 电容器的电容值也就发生变化. 同样 , 把电容值的变化转变为电信号 ,就可以对湿度进行监测. 例如 , 聚苯乙烯薄膜湿敏电容. 通过等离子体法聚合的聚苯乙烯具有亲水性极性基团 . 随着环境湿度的增减,它吸湿脱湿,电容值也随之增减。从而得到的电信号随湿度的变化而变化。

湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化， 使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小 型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。国外生产湿敏电容的主厂家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。以 Humirel公司生产的SH1100型湿敏电容为例，其测量范围是（1%～99%）RH，在55%RH时的电容量为180pF（典型值）。当相对湿度从 0变化到100%时，电容量的变化范围是163pF～202pF。温度系数为0.04pF/℃，湿度滞后量为±1.5%，响应时间为5s。

2.系统设计

2.1硬件电路设计

电容式湿度传感其硬件电路有湿敏电容器，转换电路，E2PROM，单片机。调制解调器HT2012，带滤波器及波形滤波器等组成，结构框图见图5。

图5 硬件电路

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0与相对湿度%RH成正比关系，受温度的影响较小。在应用中需将电容值转换为易于识别的电信号，考虑到功耗问题，转换电路采用低功耗的CMOS电路，

图6是转换电路及图7为其输出波形。

图6转换电路

图7输出波形

图中 ,C 为电容式湿度传感器 , U1的脉冲宽度为t1=k1C1,式中t1为脉冲宽度，ms;t1为比例系数; C1为电容值,pF;U2的脉冲宽度为t2=kC =k(C0+ΔC) ,式中t2为脉冲

宽度,ms;k为比例系数;C为湿敏电容器电容值,pF;C0为湿敏电容器在相对湿度0%RH 温度为25℃时的电容值,pF;ΔC为湿敏电容器在相对湿度0%RH时的电容值改变量，量,pF。

调节可变电阻器RP使得在相对湿度0%RH时(25℃),t1=t2,即k1C1=kC0，当湿度增加时,t2增加，U3的脉冲宽度t3=t2- t1=kΔC即t3与ΔC成正比,也即与相对湿度%RH成正比。

通过测量脉冲宽度即可知道相对湿度的高低 ,利用单片机内部计数器 T0,测量t3的脉冲宽度 ,通过查表法得到相应的相对湿度 %RH。单片机采用 Philips 的自带Flash ROM的P89C52 ,完成数据采样,数据分析，地址码设定和数据通信等功能 ,是电容式湿度传感期待的管理中心。

调制解调器HT2012是SMAR生产的适用于HART协议物理层的调制解调器,符合 Bell202标准，其工作方式为半双工通信方式 ,工作时钟频率为460.8kHz。

2.2 湿敏电容器的特性

湿敏电容器的感湿是材料是固态高分子聚合物,具有全互换性，在标准环境下不需校正，和长时间下快速脱湿，高可靠性，长时间稳定性和快速反应等特点 。

2.3 电容式传感器数据处理

通电后，传感器首先检测是否有脉冲信号及脉冲宽度是否在有效值范围内 ,判断前向通道工作 (即湿敏电容器和转换电路工作) 是否正常,实现传感器的自我诊断，不正常,则报警提示,显示出错信息。

在单片机内建立湿度和脉冲宽度以及温度和修正值的真值表 ,其中 ,湿度和脉冲宽度的真值表是以 DM500 高精度 SAW湿度/露点测量仪对所设计的传感器进行标定。

根据测得的脉冲宽度通过查表方式求得相应的湿度,同时，根据测得的环境温度 ,查得对应的修正值 ,综合两项结果得到实际的湿度值,送显并保存(设定存储时间间隔)。对位于相邻两分格值之间的脉宽信号,采用小邻域内近似线性化方法处理,对于相对湿度低于10%RH或高于90%RH的情况,也按此方法顺延推算,若测量结果按理论推算超出100%RH ,则按粗大误差处理 。

传感器在检测到上位机的信号后 ,将最近一次得测量值向上位机传送。

2.4测试结果

以DM500高精度SAW湿度/露点测量仪与所设计的传感器对同一试样进行对比测量,结果见表1:

表1 相对湿度（%RH）

理论 测试 准确度（%）

理论 测试 准确度（%）

0 0 0 50 49.90 -0.20

10 10.03 0.30 60 60.66 0.10

20 20.05 0.25 70 70.33 0.47

30 30.04 0.13 80 81.20 1.50

40 39.93 0.18 90 92.20 2.44

由于单片机的测量精度为：

1212

0.000015

FOSC65561265536

式中FOSC为晶振频率，MHz,由于很小，可以忽略，因此，该传感器的准确度主要取决于湿敏电容器和转换电路。

从表1的测试结果中可以看出，该传感器的测量精度可以达到2.5%以内。经测试，该智能电容式湿度传感器符合HART的技术规范，可直接挂在通信总线上，无需考虑传感器的匹配信号问题，简化系统布线设计，降低了成本，减少了故障率，确保可靠通信。同时，测量准确度高，抗干扰能力强,传输距离远。

结论

本设计主要应用的是电容式传感器方面的知识，其中的知识点包括电容式传感器，湿敏电容器，单片机等。本设计是通过对指定环境的湿度测量，输出显示，并对测量的数据进行分析，经测试，该智能电容式湿度传感器符合HART的技术规范，可直接挂在通信总线上，无需考虑传感器的匹配信号问题，简化系统布线设计，降低了成本，减少了故障率，确保可靠通信。同时，测量准确度高，抗干扰能力强,传输距离远。

参考文献

[1] 吴建平．传感器原理及应用[M]．北京：机械工业出版社，2008． [2] 张福恩,王岩．现场总线的技术与发展[J]．电子器件，2001．

[3] 吴道梯．非电量电测技术[M]．西安：西安交通大学出版社，2001． [4] 何利民．单片机高级教程[M]．北京：北京航天航空大学出版社．2000．

[5] 秦建敏，沈冰．利用水的导电特性对冰层厚度进行数字化自动检测的研究[J]． 冰川冻土，2003．

[6] 王在忠,闻瑞梅．高纯水的设备及其工艺[M] ．北京：北京科学出版社，1991．

黑龙江八一农垦大学

传感器原理及工程应用论文成绩单