相对湿度特性曲线ppt课件.ppt

,传感器与检测技术,项 目 四,项目四 电容式传感器的应用,电容式传感器在位移检测中的应用,电容式湿敏传感器在空气湿度检测中应用,掌握电容式传感器的调试方法,任务一 电容传感器在位移检测中的应用,任务书,在机床主轴的回转精度不但对于精加工零件的形状精度和表面光洁度有着很大的影响，而且也是评价机床精加工能力的重要指标之一。利用电容式传感器对机床主轴进行回转精度的测量（位移检测）,以便预测机床在理想加工条件下所能达到的最小形状误差和粗糙度，判断产生加工误差的原因。,带电极板，其电容与面积、介电常数成正比，与极板间距成反比。故电容传感器可分为：变极距型、变面积型和变介电常数型三种。,图04-01-001-01 平板型电容器,一、电容式传感器的工作原理,1.变极距型,a）初始电容值,b)电容受外力作用，极距减小d电容器容量变为：,c）极距增加d电容器容量变为：,图04-01-001-02 变极距式电容传感器,若考虑d/d01时则：,灵敏度：,为了提高传感器的灵敏度，减小非线性，常常把传感器做成差动形式。,变极距式电容传感器的输出特性是非线性的，可用微机来计算修正。,差动形式变极距电容传感器,初始条件：,d1=d2=d0,s1=s2=s,c1=c2=c0,c=c1-c2=0,当动板上移d后：,c1：d1=d0-d c1=c0+c1,c2：d2=d0+d c2=c0-c2,c=c1-c2=2c0d/d0,灵敏度：,当动板下移d后：,c=c1-c2=-2c0d/d0,图04-01-03 差动变极距式电容传感器,变极距式电容式传感器，一般用来测量微小的线位移(小至0.01微米零点几毫米)，可以说当前微位移传感器大都采用电容传感器，并且它分辨力极高、无接触、反作用力。,应用,图04-01-001-04电容式微位移传感器,2.变面积型,分为平板型直线位移式、同心圆筒型和角位移型。,图04-01-001-05 变面积式电容传感器a）平板型 b)同心圆筒型 c)角位移型,2.变面积型,设两矩形极板间覆盖面积为S(ab），当动极板移动X，则面积S发生变化，电容量也改变。,结论： 1.变面积式传感器输出特性是线性的； 2.灵敏度是常数,应用,变面积型电容传感器还可以将极板加工为其它形状，以实现其它量的测量，但其原理、方法都是相同的，可见变极板面积型一般可用来测角位移(自一角秒至几十度)、较大线位移、尺寸等参量。,图04-01-001-06电容式角位移传感器,3、变介电常数型,两个极板长为l，宽为b，间距为d1d2,初始极板内介质介电常数为1，当某厚度为d2的介质2从左往右进入极板，进入的距离为a，则电容量发生改变。,图04-01-001-07 变介电常数式电容传感器,广泛应用于测量介电材料的厚度、物位、固体介质的湿度。,图04-01-001-08 电容湿度计,液位计,图04-01-001-11 电容式液位计,图04-01-001-12 电容式液位计结构图,电桥电路,图04-01-002-01 电容传感器桥式转换电路,图04-01-002-02 电容传感器桥式转换电路构成测量转换系统框图,二.测量转换电路,调频电路,将电容式传感器作为LC振荡电路的一部分，或作为晶体振荡器中的石英晶体的负载电容。当电容传感器工作时，电容Cx发生变化，就使振荡器频率发生f产生相应的变化。由于振荡器频率受电容式传感器电容的调制，这样就实现了C/f的变换，故称为调频电路。,图04-01-002-03 调频电路框图,运算放大器电路,采用集成运算放大器构成，将传感器电容接在运算放大器的反馈端，运算放大器的输出电压（以变极距式为例）,解决了单个变极板距离式电容传感器的非线性问题,图04-01-002-04 运算放大器电路框图,1、认识所使用的电容式传感器,技能训练：电容式传感器检测位移,二.差动圆筒型电容传感器检测位移的工作原理,本任务所用的电容式传感器是圆筒型的变面积式电容传感器，由两个外圆筒和一个内圆筒构成，采用差动形式，形成两个电容器。当中间的内圆筒随被测物体移动时，内圆筒和两个外圆筒之间相覆盖的面积发生变化，导致两个电容器的电容量一个增大，一个减小，将三个极板用导线引出，形成差动电容输出。,（1）将电容传感器安装在电容传感器模块上，将传感器引线插入实验模块插座中，将电容传感器模块的输出UO接到数显直流电压表。,3.训练步骤,（2）接入15V电源，合上主控台电源开关，将电容传感器调至中间位置，调节Rw，使得数显直流电压表显示为0（选择2V档）。（Rw确定后不能改动）,（3）旋动测微头推进电容传感器的共享极板（下极板），每隔0.2mm记下位移量X与输出电压值U的变化 ,填入表中。,1、认识所使用的设备,拓展与训练,将电容式传感器安装在支架上，并将电容式传感器中与内圆筒相连的活动杆与悬臂梁相接触。当悬臂梁振动时，带动活动杆上下移动，即带动动极板（内圆筒）上下移动，电容式传感器输出交变电压信号。悬臂梁振动幅度越大，动极板（内圆筒）上下移动距离越大，输出交变电压信号幅度越大，所以可以根据输出电压信号的幅度测得悬臂梁的共振频率。,2. 差动圆筒型电容传感器测量振动的工作原理,（1）将电容传感器的安装到振动源传感器安装支架上，电容式传感器连接线接入电容式传感器模块，实验模块的输出Uo接低通滤波器的输入Ui端，低通滤波器输出Uo接至示波器。调节Rw到最大位置（顺时针旋到底），通过“紧定旋钮”使电容传感器的动极板处于中间位置，Uo输出为0V。（2）将实验台上的“低频输出”信号接到振动台的“激励源”，振动频率选“5-15Hz”之间，振动幅度初始调到零。,3.训练步骤,3.训练步骤,（3）将实验台15V的电源接入实验模块，检查接线无误后，打开实验台电源，调节振动源激励信号的幅度，用示波器观察实验模块输出波形。（4）保持振荡器“低频输出”的幅度旋钮不变，改变振动频率（用频率/转速表监测），用示波器测出Uo输出的峰-峰值，填入表4-3中。(5)根据表4-3中的数据，找到输出电压峰峰值最大时对应的频率，此频率为该悬臂梁的共振频率。,电容式传感器根据工作原理可以分成变极距式、变面积式和变介电常数式。变极距式电容传感器主要用于检测微小位移。变面积式电容传感器主要用于检测大位移、角位移。变介电常数式多用于检测湿度、液位等,内容小结,传感器与检测技术,项 目 四,项目四 电容式传感器,电容式传感器在位移检测中的应用,电容式湿敏传感器在空气湿度检测中应用,任务二 电容湿敏传感器在空气湿度检测中的应用,任务书,在生产生活中，对车间，厂房，仓库，图书馆，办公室，微机房，实验室等环境的温湿度常采用温湿度计进行监控，其中湿度的检测常使用电容式的湿敏传感器。请利用电容式湿敏传感器制作一个湿度计检测这些环境空气湿度，以便及时通风除湿。,空气中含有水蒸气的量称为湿度，含有水蒸气的空气是一种混合气体。主要有质量百分比和体积百分比、相对湿度和绝对湿度、露点（霜点）等表示法。 1、质量百分比和体积百分比 质量为M的混合气体中，若含水蒸气的质量为m，则质量百分比为 mM100 在体积为V的混合气体中，若含水蒸气的体积为v，则体积百分比为 vV100 这两种方法统称为水蒸气百分含量法。,一、湿度,2、相对湿度和绝对湿度 水蒸气压是指在一定的温度条件下，混合气体中存在的水蒸气分压(p)。而饱和蒸气压是指在同一温度下，混合气体中所含水蒸气压的最大值(ps)。温度越高，饱和水蒸气压越大。在某一温度下，其水蒸气压同饱和蒸气压的百分比，称为相对湿度。 绝对湿度表示单位体积内，空气里所含水蒸气的质量，其定义为 m待测空气中水蒸气质量； V待测空气的总体积； v待测空气的绝对湿度。,如果把待测空气看作是由水蒸气和干燥空气组成的二元理想混合气体，根据道尔顿分压定律和理想气体状态方程，可得出：,P：空气中水蒸气分压；M：水蒸气的摩尔质量R：理想气体常数； T：空气的绝对温度。,3、露（霜）点 水的饱和蒸气压随温度的降低而逐渐下降。在同样的空气水蒸气压下，温度越低，则空气的水蒸气压与同温度下水的饱和蒸气压差值越小。当空气温度下降到某一温度时，空气中的水蒸气压与同温度下水的饱和水蒸气压相等。此时，空气中的水蒸气将向液相转化而凝结成露珠，相对湿度为100RH。该温度，称为空气的露点温度，简称露点。如果这一温度低于0时，水蒸气将结霜，又称为霜点温度。两者统称为露点。空气中水蒸气压越小，露点越低，因而可用露点表示空气中的湿度。,1、湿度量程 指湿度传感器技术规范中所规定的感湿范围。全湿度范围用相对湿度(0100)RH表示，它是湿度传感器工作性能的一项重要指标。,二、湿度传感器的参数,2、感湿特征量相对湿度特性 每种湿度传感器都有其感湿特征量，如电阻、电容等，通常用电阻比较多。以电阻为例，在规定的工作湿度范围内，湿度传感器的电阻值随环境湿度变化的关系特性曲线，简称阻湿特性。有的湿度传感器的电阻值随湿度的增加而增大，这种为正特性湿敏电阻器，如Fe3O4湿敏电阻器。有的阻值随着湿度的增加而减小，这种为负特性湿敏电阻器，如TiO2SnO2陶瓷湿敏电阻器。对于这种湿敏电阻器，低湿时阻值不能太高，否则不利于和测量系统或控制仪表相连接。,3、感湿灵敏度 简称灵敏度，又叫湿度系数。其定义是在某一相对湿度范围内，相对湿度改变1RH时，湿度传感器电参量的变化值或百分率。 各种不同的湿度传感器，对灵敏度的要求各不相同，对于低湿型或高湿型的湿度传感器，它们的量程较窄，要求灵敏度要很高。但对于全湿型湿度传感器，并非灵敏度越大越好，因为电阻值的动态范围很宽，给配制二次仪表带来不利，所以灵敏度的大小要适当。,4、特征量温度系数 反映湿度传感器在感湿特征量相对湿度特性曲线随环境温度而变化的特性。感湿特征量随环境温度的变化越小，环境温度变化所引起的相对湿度的误差就越小。 在环境温度保持恒定时，湿度传感器特征量的相对变化量与对应的温度变化量之比，称为特征量温度系数。 电阻温度系数(%/)= 电容温度系数(%/)= T温度25与另一规定环境温度之差； R1(C1)温度25时湿度传感器的电阻值(或电容值)； R2(C2)另一规定环境温度时湿度传感器的电阻值(或电容值)。,5、感湿温度系数 反映湿度传感器温度特性的一个比较直观、实用的物理量。它表示在两个规定的温度下，湿度传感器的电阻值(或电容值)达到相等时，其对应的相对湿度之差与两个规定的温度变化量之比，称为感湿温度系数。或环境温度每变化1时，所引起的湿度传感器的湿度误差。感湿温度系数 (%RH/)= T温度25与另一规定环境温度之差； H1温度25时湿度传感器某一电阻值(或电容值)对应的相对湿度值； H2另一规定环境温度下湿度传感器另一电阻值(或电容值)对应的相对湿度。,下图为感湿温度系数示意图。,6、响应时间 在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的电参量达到稳态变化量的规定比例所需要的时间。一般是以相应的起始和终止这一相对湿度变化区间的63作为相对湿度变化所需要的时间，也称时间常数，它是反映湿度传感器相对湿度发生变化时，其反应速度的快慢。单位是s。也有规定从起始到终止90的相对湿度变化作为响应时间的。响应时间又分为吸湿响应时间和脱湿响应时间。大多数湿度传感器都是脱湿响应时间大于吸湿响应时间，一般以脱湿响应时间作为湿度传感器的响应时间。,7、电压特性 当用湿度传感器测量湿度时，所加的测试电压，不能用直流电压。这是由于加直流电压引起感湿体内水分子的电解，致使电导率随时间的增加而下降，故测试电压采用交流电压。下图表示湿度传感器的电阻与外加交流电压之间的关系。可见，测试电压小于5V时，电压对阻湿特性没有影响。但交流电压大于15V时，由于产生焦耳热，对湿度传感器的阻湿特性产生了较大影响，因而一般湿度传感的使用电压都小于10V。,8、频率特性 湿度传感器的阻值与外加测试电压频率的关系，如图。在高湿时，频率对阻值的影响很小，当低湿高频时，随着频率的增加，阻值下降。对这种湿度传感器，在各种湿度下，当测试频率小于103Hz时，阻值不随使用频率而变化，故该湿度传感器使用频率的上限为103Hz。湿度传感器的使用频率上限由实验确定。直流电压会引起水分子的电解，因此，测试电压频率也不能太低。,输出电阻信号，阻值随着相对湿度的变化而变化的元件，称为湿敏电阻。湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。 根据湿敏电阻的材料和配方不同可分为“正电阻湿度特性”和“负电阻湿度特性”。正电阻湿度特性即湿度增大时，电阻值也增大；负电阻湿度特性即湿度增大时，电阻值减小。,工业上流行的湿敏电阻主要有 ： （1）半导体陶瓷湿敏元件 铬酸镁-二氧化钛陶瓷湿敏元件是较常用的一种湿度传感器，它是由MgCr2O4-TiO2固熔体组成的多孔性半导体陶瓷。这种材料的表面电阻值能在很宽的范围内随湿度的增加而变小，即使在高湿条件下，对其进行多次反复的热清洗，性能仍不改变。该元件采用了MgCr2O4-TiO2多孔陶瓷，电极材料二氧化钌通过丝网印制到陶瓷片的两面，在高温烧结下形成多孔性电极。在陶瓷片周围装置有电阻丝绕制的加热器，以450、1min对陶瓷表面进行热清洗。,三、湿敏电阻,湿敏电阻的电阻-相对湿度特性曲线。,电阻-湿度特性曲线,（2）氯化锂湿敏电阻 右图是氯化锂湿敏电阻的结构图。它是在聚碳酸酯基片上制成一对梳状金电极，然后浸涂溶于聚乙烯醇的氯化锂胶状溶液，其表面再涂上一层多孔性保护膜而成。氯化锂是潮解性盐，这种电解质溶液形成的薄膜能随着空气中水蒸汽的变化而吸湿或脱湿。感湿膜的电阻随空气相对湿度变化而变化，当空气中湿度增加时，感湿膜中盐的浓度降低。,氯化锂湿敏电阻结构,（3）有机高分子膜湿敏电阻 有机高分子膜湿敏电阻是在氧化铝等陶瓷基板上设置梳状型电极，然后在其表面涂以具有感湿性能，又有导电性能的高分子材料的薄膜，再涂复一层多孔质的高分子膜保护层。这种湿敏元件是利用水蒸汽附着于感湿薄膜上，电阻值与相对湿度相对应这一性质。由于使用了赢分子材料，所以适用于高温气体中湿牢的测量。,三氧化二铁-聚乙二醇高分子膜湿敏电阻的结构与特性,高分子式电容式湿敏传感器是利用高分子材料构成的湿敏电容的介质，当电容的介电常数随湿度变化，引起电容量变化的原理进行湿度测量。这类湿敏元件常做成薄片状吸湿性电介质材料主要有高分子聚合物（例如乙酸-丁酸纤维素和乙酸-丙酸纤维素）和金属氧化物（例如多孔氧化铝）等。,四、高分子电容式湿敏传感器,1、本训练所需设备 湿敏传感器、湿敏座、干燥剂、棉球（自备）。,技能训练：电容式湿敏传感器在空气湿度检测中的应用,2、实验原理 湿度是指单位体积中所含水蒸汽的含量或浓度，用符号AH表示，相对湿度是指被测气体中的水蒸汽压和该气体在相同温度下饱和水蒸汽压的百分比，用符号RH表示。实验使用中多用相对湿度概念。 湿敏传感器种类较多，本实验所采用的属水分子亲和力型中的高分子材料湿敏元件。高分子电容式湿敏元件是利用元件的电容值随湿度变化的原理。具有感湿功能的高分子聚合物，它们具有迅速吸湿和脱湿的能力，感湿薄膜覆在金箔电极（下电极）上，然后在感湿薄膜上再镀一层多孔金属膜（上电极），这样形成的一个平行板电容器就可以通过测量电容的变化来感觉空气湿度的变化。,3、实验内容及步骤（1）湿敏传感器实验装置如图所示，红色接线端接+5V电源，黑色接线端接地，蓝色接线端和黑色接线端分别接频率/转速表输入端。频率/转速表选择频率档。记下此时频率/转速表的读数。,实物连接图,（2）将湿棉球放入湿敏腔内。并插上湿敏传感器探头，观察频率/转速表的变化。（3）取出湿纱布，待数显表示值下降回复到原示值时，在干湿腔内被放入部分干燥剂，同样将湿度传感器置于湿敏腔孔上，观察数显表头读数变化。,（4）输出频率f与相对湿度RH值对应如下，参考下表，计算以上三中状态下空气相对湿度。,改用HR31型湿敏电阻测量上述实验三种情况下的湿度,对比两种湿敏传感器测量结果是否有差异。,拓展与训练,