CN102269727A - 一种电容式湿度传感器的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电容式湿度传感器的测量方法，其步骤为：用正弦交流激励源对被测电容存放电，通过锁相放大电路检测被测电容存放电电流和其两端的存放电电压，经过比值运算得到被测电容的电容量，然后根据电容式湿度传感器手册中电容与湿度的对应关系得出被测湿度。

Description

一种电容式湿度传感器的测量方法

技术领域

本发明涉及一种电容式湿度传感器的测量方法。

背景技术

因为湿敏电容具有灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、检测湿度范围宽、便于制造、容易实现小型化等优点，电容式湿度传感器已广泛应用于湿度测量。但是目前的用湿敏电容传感器测量湿度的主要测量方法是：脉冲计数法和脉冲调宽法。这两种方法的基本原理是：湿敏电容传感器与固定电阻组成RC电路，通过测量RC电路存放电的时间得出湿敏电容传感器的电容值，然后根据电容式湿度传感器手册中的电容值和湿度的对应关系得出被测湿度。这两种方法的不足之处是：抗杂散电容能力较差，存放电的时间稳定性差，灵敏度低，检测分辨能力有限，测量精度不高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种电容式湿度传感器的测量方法。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是，

一种电容式湿度传感器的测量方法，包括以下步骤，

首先，用正弦交流激励源对被测电容存放电，通过锁相放大电路检测被测湿敏电容存放电电流和其两端的存放电电压，经过比值运算得到被测湿敏电容的电容量；然后，根据电容式湿度传感器手册中电容与湿度的对应关系得出被测湿度。

本发明的有益效果是，这种测量方法利用电容的容抗特性，用正弦交流激励源对被测湿敏电容存放电，把对电容的测量转化为电流和电压信号的测量，消除了杂散电容的影响，克服了RC存放电时间不稳定的缺陷；通过放大电路对电流信号和电压信号进行放大，提高了电容检测分辨率，进而提高了湿度检测分辨能力；采用了正弦激励的锁相放大技术，信噪比得到了极大的提高，几乎把噪声和直流误差抑制殆尽；不改变电路结构，只改变正弦交流激励源的频率就可以用不同厂家的电容式湿度传感器进行湿度测量。

附图说明

图1是电容式湿度传感器的测量电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。

本发明提出一种电容式湿度传感器的测量方法，其步骤为：用正弦交流激励源对被测电容存放电，通过锁相放大电路检测被测电容存放电电流和其两端的存放电电压，经过比值运算得到被测电容的电容量，然后根据电容式湿度传感器手册中电容与湿度的对应关系得出被测湿度。

如图1所示，图中C_X为被测湿敏电容；C_as、C_bs分别为测量回路中的等效分布电容；U_i为正弦波激励信号；R为限流电阻；A₁为反相运算放大器，R₁为反馈电阻；A₂为电压跟随器；A₃和A₄为放大器，放大倍数分别为K₁、K₂，两个运放的输出分别为U_c和U_d；S₁为二选一模拟开关；n_i为等效到相关器SUM输入的系统噪声和直流误差；L₁、L₂分别为低通滤波器；参考信号U_r1/f_r和U_r2/f_r分别是与正弦激励信号U_i同频且相位相差90°的参考信号。

设被测电容C_X两端电压为

u_a＝U_a sin(ωt+φ)                    (1)

则被测电容C_X存放电的电流为：

$i\left(t\right)=\frac{\mathrm{dq}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{d\left(C_X{u}_a\right)}{\mathrm{dt}}=C_X{U}_a\mathrm{\ω}\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})---\left(2\right)$

放大器A₁的输出为：

u_b＝-R₁i(t)＝-R₁C_XU_aωcos(ωt+φ)     (3)

电压u_b经过放大器A₃放大后为：

u_c＝K₁u_b＝-K₁R₁C_XU_aωcos(ωt+φ)      (4)

电压u_a经过放大器A₄放大后为：

u_d＝K₂u_a＝K₂U_a sin(ωt+φ)            (5)

设噪声和直流误差为：

n_i(t)＝U_n sinω_n(t+α)                (6)

参考信号u_r1和u_r2分别为：

$u_{r1}=\frac{2}{\mathrm{\π}}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2n+1}\sin (2n+1)\mathrm{\ωt}---\left(7\right)$

$u_{r2}=\frac{2}{\mathrm{\π}}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2n+1}\cos (2n+1)\mathrm{\ωt}---\left(8\right)$

当模拟开关S₁接通u_c时，电压信号u_c与噪声n_i(t)混合后通过乘法器1与参考信号u_r1相乘得：

$u_1=(u_c+n_i\left(t\right))u_{r1}$

$=[-K_1{R}_1{C}_X{U}_a\mathrm{\ω}\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})+U_n\sin ({\mathrm{\ω}}_{n}t+\mathrm{\α})]\frac{2}{\mathrm{\π}}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2n+1}\sin (2n+1)\mathrm{\ωt}$

$=-\frac{K_1{R}_1{C}_X{U}_a\mathrm{\ω}}{\mathrm{\π}}\left\{\right[\sin (2\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})-\sin \left(\mathrm{\φ}\right)]+\frac{1}{3}[\sin (4\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})-\sin (-2\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})]+....---\left(9\right)$

$+\frac{1}{2n+1}[\sin ((2n+2)\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})-\sin (-2\mathrm{n\ωt}+\mathrm{\φ})]\}+N_{11}$

其中，

$N_{11}=U_n\sin ({\mathrm{\ω}}_{n}t+\mathrm{\α})\frac{2}{\mathrm{\π}}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2n+1}\sin (2n+1)\mathrm{\ωt}---\left(10\right)$

由于噪声和直流误差与参考信号不相关，那么N₁₁＝0，故u₁通过低通滤波器1后得：

$X_1=\frac{K_1{R}_1{C}_X{U}_a\mathrm{\ω}}{\mathrm{\π}}\sin \left(\mathrm{\φ}\right)---\left(11\right)$

电压信号u_c与噪声信号n_i(t)混合后通过乘法器2与参考信号u_r2相乘得：

$u_2=(u_c+n_i\left(t\right))u_{r2}$

$=[-K_1{R}_1{C}_X{U}_a\mathrm{\ω}\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})+U_n\sin ({\mathrm{\ω}}_{n}t+\mathrm{\α})]\frac{2}{\mathrm{\π}}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2n+1}\cos (2n+1)\mathrm{\ωt}$

$=-\frac{K_1{R}_1{C}_X{U}_a\mathrm{\ω}}{\mathrm{\π}}\left\{\right[\cos (2\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})+\cos \left(\mathrm{\φ}\right)]+\frac{1}{3}[\cos (4\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})+\cos (-2\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})]+...$

$+\frac{1}{2n+1}[\cos ((2n+2)\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})+\cos (-2\mathrm{n\ωt}+\mathrm{\φ})]\}+N_{12}---\left(12\right)$

其中，

$N_{12}=U_n\sin ({\mathrm{\ω}}_{n}t+\mathrm{\α})\frac{2}{\mathrm{\π}}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2n+1}\cos (2n+1)\mathrm{\ωt}---\left(13\right)$

因噪声和直流误差与参考信号不相关，那么N₁₂＝0，故u₂通过低通滤波器2后得：

$Y_1=\frac{K_1{R}_1{C}_X{U}_a\mathrm{\ω}}{\mathrm{\π}}\cos \left(\mathrm{\φ}\right)---\left(14\right)$

信号X₁和Y₁经过矢量运算后可得：

$M_1=\sqrt{{X_1}^2+{Y_1}^2}=\frac{K_1{R}_1{C}_X{U}_a\mathrm{\ω}}{\mathrm{\π}}---\left(15\right)$

当模拟开关接通u_d时，电压信号u_d与噪声和直流误差信号n_i(t)混合后通过乘法器1与参考信号u_r1相乘得：

$u_3=(u_a+n_i\left(t\right))u_{r2}$

$=[K_2{U}_a\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})+U_n\sin ({\mathrm{\ω}}_{n}t+\mathrm{\α})]\frac{2}{\mathrm{\π}}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2n+1}\sin (2n+1)\mathrm{\ωt}$

$=-\frac{K_2{U}_a}{\mathrm{\π}}\left\{\right[\cos (2\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})-\cos \left(\mathrm{\φ}\right)]+\frac{1}{3}[\cos (4\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})-\cos (-2\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})]+....$

$+\frac{1}{2n+1}[\cos ((2n+2)\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})-\cos (-2\mathrm{n\ωt}+\mathrm{\φ})]\}+N_{21}---\left(16\right)$

其中，

$N_{21}=U_n\sin ({\mathrm{\ω}}_{n}t+\mathrm{\α})\frac{2}{\mathrm{\π}}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2n+1}\sin (2n+1)\mathrm{\ωt}---\left(17\right)$

因噪声和直流误差与参考信号不相关，那么N₂₁＝0，故u₃通过低通滤波器1后得：

$X_2=\frac{K_2{U}_a}{\mathrm{\π}}\cos \left(\mathrm{\φ}\right)---\left(18\right)$

电压信号u_d与噪声和直流误差信号n_i(t)混合后通过乘法器2与参考信号u_r2相乘得：

$u_4=(u_c+n_i\left(t\right))u_{r2}$

$=[K_2{U}_a\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})+U_n\sin ({\mathrm{\ω}}_{n}t+\mathrm{\α})]\frac{2}{\mathrm{\π}}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2n+1}\cos (2n+1)\mathrm{\ωt}$

$=\frac{K_2{U}_a}{\mathrm{\π}}\left\{\right[\sin (2\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})+\sin \left(\mathrm{\φ}\right)]+\frac{1}{3}[\sin (4\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})+\sin (-2\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})]+...$

$+\frac{1}{2n+1}[\sin ((2n+2)\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})+\sin (-2\mathrm{n\ωt}+\mathrm{\φ})]\}+N_{22}---\left(19\right)$

其中，

$N_{22}=U_n\sin ({\mathrm{\ω}}_{n}t+\mathrm{\α})\frac{2}{\mathrm{\π}}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2n+1}\cos (2n+1)\mathrm{\ωt}---\left(20\right)$

因噪声和直流误差与参考信号不相关，那么，N₂₂＝0，故u₄通过低通滤波器2后得：

$Y_2=-\frac{K_2{U}_a}{\mathrm{\π}}\sin \left(\mathrm{\φ}\right)---\left(21\right)$

信号X₂和Y₂经过矢量运算后可得：

$M_2=\sqrt{X_2^2+Y_2^2}=\frac{K_2{U}_a}{\mathrm{\π}}---\left(22\right)$

由公式(15)和(22)可得被测电容C_X为：

$C_X=\frac{K_2{M}_1}{\mathrm{\ω}{R}_1{K}_1{M}_2}---\left(23\right)$

然后，根据具体厂家的电容式湿度传感器手册中湿度与电容的对应关系得出被测得湿度。

这种测量方法利用电容的容抗特性，用正弦交流激励源对被测湿敏电容存放电，把对电容的测量转化为电流和电压信号的测量，消除了杂散电容的影响，克服了RC存放电时间不稳定的缺陷；通过放大电路对电流信号和电压信号进行放大，提高了电容检测分辨率，进而提高了湿度检测分辨能力；采用了正弦激励的锁相放大技术，信噪比得到了极大的提高，几乎把噪声和直流误差抑制殆尽；不改变电路结构，只改变正弦交流激励源的频率就可以用不同厂家的电容式湿度传感器进行湿度测量。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (1)

1.一种电容式湿度传感器的测量方法，其特征在于，包括以下步骤，

用正弦交流激励源对被测电容存放电，通过锁相放大电路检测被测电容存放电电流和其两端的存放电电压，经过比值运算得到被测电容的电容量，然后根据电容式湿度传感器手册中电容与湿度的对应关系得出被测湿度。

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