湿度传感器课程教学设计Word格式.docx
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1.根据设计要求,查阅参考资料。
2.进行方案设计及可行性论证。
3.确定设计方案,画出电路原理框图。
4.设计每一部分电路,计算器件参数。
5.总结撰写课程设计报告。
2.2课程设计的技术指标
1.湿度测量范围:
0%~100%RH;
2.使用环境温度范围:
0~85℃;
3.输出电压:
0~10V;
4.非线性误差:
±
0.5%。
第三章总方案及原理图
3.1电路设计总方案
3.2电路设计原理框图
图3-1原理框图
第四章各组成部分的工作原理
4.1差动放大电路
差动放大器:
是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相二个输入端,然后在输出端取出二个信号的差模成分,而尽量抑制二个信号的共模成分的电路。
采用差动放大器电路,有利于抑制共模干扰和减小漂移。
图4-1差动放大电路
4.2温度补偿电路
湿度传感器具有正或负的温度系数,其温度系数大小不一,工作温区有宽有窄。
所以要考虑温度补偿问题。
对于半导体陶瓷传感器,其电阻与温度的的关系一般为指数函数关系,通常其温度关系属于NTC型,即
H:
相对湿度;
T:
绝对温度;
R0:
在T=0℃相对湿度H=0时的阻值;
A:
湿度常数;
B:
温度常数。
温度系数=
湿度系数=
湿度温度系数=
若传感器的湿度温度系数为0.07%RH/℃,工作温度差为30℃,测量误差为0.21%RH/℃,则不必考虑温度补偿;
若湿度温度系数为0.4%RH/℃,则引起12%RH/℃的误差,必须进行温度补偿。
在考虑到对湿度传感器进行线性处理和温度补偿,常常采用电桥放大电路构成湿度测量电路。
由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。
电桥放大电路应用于电参量式传感器,如电感式、电阻应变式、电容式传感器等,经常通过电桥转换电路输出电压或电流信号,并用运算放大器作进一步放大,或由传感器和运算放大器直接构成电桥放大电路,输出放大了的电压信号。
图4-2差动输入电桥放大电路
4.3加法比例运算电路
运算放大器在各种测量线路中完成信号调理和运算功能。
当今,第四代运算放大电路已经非常接近理想放大器特性运算放大器加法比例运算电路可以实现信号的求和以及放大。
图4-3加法比例运算电路
取
=
,则uo=(1+
)(
ui1+
ui2)
当R2=R3时,uo=
(1+
)(ui1+ui2)
第五章电路的设计、电路各部分工作特性及元件的作用
5.1电源的选择
一切电阻式湿度传感器都必须使用交流电源,否则性能会劣化甚至失效。
电解质湿度传感器的电导是靠离子的移动实现的,在直流电源作用下,正、负离子必然向电源两极运动,产生电解作用,使感湿层变薄甚至被破坏;
在交流电源作用下,正负离子往返运动,不会产生电解作用,感湿膜不会被破坏。
交流电源的频率选择是,在不产生正、负离子定向积累情况下尽可能低一些。
在高频情况下,测试引线的容抗明显下降,会把湿敏电阻短路。
另外,湿敏膜在高频下也会产生集肤效应,阻值发生变化,影响到测湿灵敏度和准确性。
5.2差动放大电路
图5-1方案的差动放大电路
①选择VS、Rl、ICl、R2、RP1确定电源电压。
因为输出电压Uo=10V,电源电压取15V。
由ICl、R2、RP1组成调零电路。
由VS、R1组成传感器电源(5V),给传感器和调零电路供电。
VS选用MTZJ5IB型稳压二极管,Uz=5.IV,Iz=5mA,则
R1=(Ucc-Uz)/Iz=(15-5.1)/(5×
10-3)=l.98kΩ
取系列值2kΩ。
ICl选用LM385型基准电压源,基准电压Uref=l.235V,工作电流为10μA~20mA,取工作电流I=lmA,则
R2=(Uz-Uref)/I=(5.1—1.235)/(1×
10-3)=3.865kΩ
取系列值3.9kΩ。
为使RPl支路耗电小,令通过其电流为0.2mA,则
RPl=1.235/(0.2×
10-3)=6.175kΩ
取系列值6.8kΩ。
当相对湿度为0时,调节RPl,使Uo1=0V。
②选择IC2~IC5、R3~R6、RP2。
IC2~IC5选择7F324型四运放。
由IC2等组成差动放大器后有如下关系式,即R3=R4.R5+(RP2/2)=R6,放大倍数KF2=[R5+(RP2/2)]/R3,令R3=R4=10.0kΩ,在25℃、100%(RH)时,传感器输出电雎为4.02V,调零后,Ui=4.02-0.8=322V,Uo1应为10V。
R5+(RP2/2)=KF2×
R3=(Uo1/Ui)R3=(10/3.22)×
10.0=31.06kΩ
取R5=27kΩ
则:
RP2=2(31.06-27)=8.12kΩ
取系列值8.2kΩ
R6=R5+(RP2/2)=31.06kΩ
取E192系列3l.2kΩ
5.3温度补偿电路
图5-2方案的温度补偿电路
图中电路选用了R11~R16、RP3、RP4、Rt。
a)选择Rt、R11、R12、RP3。
由IC4、IC5及R11~R16、RP3、RP4、Rt组成温度补偿电路。
其中,R11、R12、RP3、Rt可组成温度补偿电桥。
Rt选择EL-700型铂金电阻温度传感器,RtRo(1+α2t)。
式中,α2=0.00375/℃,Ro=1000Ω,Rt的工作电流推荐值为lmA。
IC4为电压跟随器,8脚输出电压U8的最大值为10V,令R11=R12=10kΩ。
t=25℃时,Rt的值为R25,R25=1000(1+0.00375×
25)=1093.75Ω。
取RP3=1.5kΩ,调节RP3,使Ra=R25=1093.75Ω,则Uo2=0V。
b)计算有关参数
KF2=[R5+(RP2/2)]/R3=[27+(8.2/2)]/10=3.11
t=85℃、RH=100%时,Rt的值为R85,
即,R85=1000(1+0.00375×
85)=1318.7Ω
U8=Uo1=KF2Ui=3.11×
(3.50-0.8)=8.397V
Ui1=U8Ra/(R12+Ra)=8.397×
1093.75/(10×
10-3+1093.75)=0.8279V
Ui2=U8R85/(R11+R85)=8.397×
1318.7/(10×
10-3+1318.7)=0.9783V
Uo2为温度补偿电压。
当t=85℃、RH=100%时,Uo1=8.397V,要求电路输出10V,则补偿电压Uo2=10-8.397=1.603V。
由IC5组成差动放大器,其放大倍数为KF5,即,
KF5=Uo2/(Ui2-Ui1)=1.603/(0.9783-0.8279)=10.66
取KF5=15。
c)选择R13~R16、RP4。
由IC5组成差动放大器后有如下关系式,即,
R13=R15,R14=R16,KF5=R14/R13,R14=KF5R13=15Rl3,
取R13=R15=10kΩ,R14=15×
10=150kΩ,R16=R14=150kΩ。
当t=85℃、RH=100%时,Uo2的实际值为,
Uo2=KF5(Ui2-Ui1)=15(0.9783-0.8279)=2.256V
设通过RP4支路的电流为1mA,则
RP4=2.256/(1×
10-3)=2.256kΩ,取系列值2.2kΩ
5.4加法比例运算电路
图5-3方案的加法比例运算电路
方案中选择了R7、R8、R9、R10。
由IC3组成同相加法器。
令R7=R8=R9=R10=10kΩ,在85℃、100%的相对湿度时,调节RP2使Uo1=8.379V,调节RP4使Uo=10V。
第六章总原理图
图6-1方案的总电路图
第七章结论
湿度传感器是指检测外界环境湿度的传感器,它将所测环境湿度转换为便于处理、显示、记录的电信号等。
它是一类重要的化学传感器,在仓贮、工业生产、过程控制、环境监测、家用电器、气象等方面有着广泛的应用。
湿度传感器是由湿度敏感元件、变换元件和测量电路三部分组成。
本设计所实现的基于湿度传感器的测量电路主要由湿度传感器、差动放大器、同相加法放大器等主电路组成。
因此,在使用环境温度为0℃~85℃下,本设计可通过0~10V的输出电压达到测量相对湿度(RH)范围为0%~l00%。
参考文献
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高教出版社.2005
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哈尔滨工程大学出版社·
2001
[5]张国雄主编.《测控电路》第四版.机械工业出版社.2011
[6]赵宝贵主编.《新编传感器设计手册》中国计量出版社2002年
心得体会
通过这次课程设计,我掌握了湿度传感器的测量电路的设计原理,和其中各单元电路、元器件的参数、功能和具体设计实施过程。
将课本理论知识与实际应用相结合,对《测控电路》这门课程有了充分的理解。
湿度测量在现代信息社会中占着重要的作用,随着电子技术的发展,湿度检测逐步走向了集成化、智能化、网络化。
通过课程设计,使我更好的将课本知识与现实相结合,为以后进入社会工作做好奠基。
本设计前做了充分的准备,查阅了大量的资料,了解了各种器件的功能及特性。
在做的过程中还算顺利。
并在老师的指导下及我们共同的查找分析和修改,最后还算比较成功。
这次的课程设计让我认识到,做好提前的准备和以及团队合作对事情成功的重要性。
当然,做事情要仔细,不要去过于计较迟早,否则会忙中会出乱。
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- 湿度 传感器 课程 教学 设计