CN108680616B - 一种数字化处理的湿度传感装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种数字化处理的湿度传感装置及方法。首先在给定高频正弦信号激励下，由湿度值为55％时的电容量计算湿度传感器的容抗，再利用阻抗匹配法构建低输出电阻电容桥式电路；然后将激励信号加载至桥式电路，经差分放大获得传感输出信号。接着，对输入激励信号与输出传感信号分别采用非整周期同步AD采样，使得采样数据对应于多种相位值，以通过误差平均效应提高线性最小二乘正弦拟合精度。最后将由拟合参数计算出的传感器电容值与其标定参数进行比对，从而获得待测湿度值。本发明采用电阻电容混合电桥克服了纯电容电桥的直流漂移问题；采用高频激励与非整周期采样法，降低了对采样频率的速度要求，并提高了湿度传感器的测量精度与灵敏度。

Description

一种数字化处理的湿度传感装置及方法
技术领域
本发明涉及测量电路技术与信号处理技术领域，尤其涉及一种数字化处理的湿度传感装置及方法。
背景技术
湿度传感器的实现功能可以通过与湿度有关的电容或者电阻的改变、体积或者长度的改变以及MOS器件自生电参数的改变来实现的。
湿度传感器按照工作原理的划分可以分为以下几种类型：伸缩式、蒸汽式、露点计、电子式(包括电解式，电阻式和电容式)、电磁式等。
电容式湿度传感器是将湿度的变化转换为电容值变化的一种传感器，广泛应用于化合物组成、压力、湿度、位移等的测量中。相对于其他的传统湿度传感器而言，电容式线性电压输出型湿度传感器具有以下特点：灵敏度高，受温度因素的影响较小，功耗低；但是其检测电路较为复杂。一般来说传感器想要有高的灵敏度，其电容值不可能大，一般是pF量级，如此微小的改变量，需要有高精度的电容检测电路；传统的方法都是采用多谐波振荡器将电容的变化转化为频率的变化，但是该方法存在频率不稳定，容易引入噪声电容等缺点，导致精度不高。
发明内容
本发明的目的是，针对现有方法的缺点与不足，提出一种数字化处理的湿度传感装置及方法
一种数字化处理的湿度传感装置，其特征在于，包括依次连接的
零均化差分比例放大电路：用于去除由单片机产生的高频正弦信号的直流分量，并进行相应比例的缩小与放大。
低输出阻抗的电阻电容桥式电路：用于将微小的电容变化量转变为电压变化量
差分放大电路：用于将微小的电压变化量通过差分方式提取出来并进行放大
单片机：用于产生频率为f的高频正弦激励信号、对输入激励信号与输出传感信号进行非整周期同步AD采样、对数据进行处理、与上位机通信。
选用高频正弦激励信号，对湿度传感器进行阻抗匹配，构建低输出阻抗的电阻电容桥式电路；并采用桥式高阻抗的差分放大方式获取输出信号；应用单片机内部集成的ADC模块进行AD采样，特征在于针对高频正弦信号，采用了非整周期采样方式，达到多周期采样长度上采样点相位分布均匀的目的，满足有限采样频率条件下，提高正弦信号线性拟合精度，从而提高湿度传感器电容值的测量精度。
在上述的一种数字化处理的湿度传感装置，所述零均化差分比例放大电路包括运放跟随电路、零均化差分电路和缩小或放大电路三部分；其中运放跟随电路包括运放U1和运放U2，跟随运放U1正输入端接入单片机产生的DDS正弦信号，输出信号sin1为单片机ADC采样原始信号，跟随运放U2正向输入端接入跟随运放U1输出信号，输出到零均化差分电路；零均化差分电路包括差分运放U3，差分运放U3正输入端通过电阻R2与R3引入跟随后的信号，负输入端接入单片机AD模块参考电压一半的直流偏量V0，差分后输出无直流偏置的标准正弦信号；缩小或放大电路通过电阻R7与R8分压接入跟随运放U4的正输入端，跟随后输出。
在上述的一种数字化处理的湿度传感装置，所述低输出阻抗的电阻电容桥式电路包括依次串联的电阻R1和电容Cx构成的支路一，以及依次串联的电阻R2和电容C1构成的支路二，所述支路一和支路二两端并联，并联一端为信号输出，另一端接地，支路一的中间点电位接参考输出电压Vref，支路二的中间点电位接待测电压输出信号Vx。
在上述的一种数字化处理的湿度传感装置，所述差分放大电路包括放大与差分两部分，其中，放大部分包括运放U1跟随和运放U2跟随，运放U1跟随的正向输入接待测信号Vx，经过电阻R3、R5放大后输出，运放U2跟随的正向输入接参考信号Vref，经过电阻R4、R5放大后输出；差分部分包括差分运放U3，运放U3的正输入端通过电阻R6引入Vx放大后的输出信号，运放U3的负输入端通过电阻R8引入Vref放大后的输出信号,并在运放U3的正输入端通过分压原理加入单片机AD模块参考电压一半的直流偏量V0，最终在运放U3的输出端得到输出信号Vo。
一种数字化处理的湿度传感方法，其特征在于，包括：
步骤1、在给定频率为f的高频正弦信号激励下，由湿度值为55％时的电容量计算湿度传感器的容抗，再利用阻抗匹配法构建低输出阻抗的电阻电容桥式电路。
步骤2：将频率为f的高频正弦激励信号加载至桥式电路，经桥式高阻抗差分放大获得传感输出信号，为后续进行的AD采集，需通过加法电路加入单片机AD模块参考电压一半的直流偏置V0。
步骤3、对输入激励信号与输出传感信号分别采用非整周期同步AD采样，使得采样数据对应于多种相位值，以通过误差平均效应提高线性最小二乘正弦拟合精度。
步骤4：将由拟合参数计算出的传感器电容值与其标定参数进行比对，从而获得待测湿度值Cx。
在上述的一种数字化处理的湿度传感方法，所述的高频正弦激励信号，由STM32单片机内部集成的12位DAC通过DMA循环方式产生，并通过差分零均化与输出幅值调节电路，产生正弦激励信号。
在上述的一种数字化处理的湿度传感方法，所述的利用阻抗匹配法构建低输出阻抗的电阻电容桥式电路，是指运用输入信号频率f和湿度传感器在湿度为55％时的电容量计算出容抗大小，然后选取阻值与容抗相近的电阻，选取电容量与湿度传感器在湿度为55％时相同的电容构成电阻电容桥式阻抗匹配电路。
在上述的一种数字化处理的湿度传感方法，所述的桥式高阻抗的差分放大方式，以固定电阻和固定电容构成的支路为参考支路，中间点的电压为参考信号；由固定电阻和湿度传感器组成的支路为待测支路，中间点电压为待测信号；然后利用运放跟随取出基准信号和待测信号并放大，最后采用减法电路进行差分信号处理。
在上述的一种数字化处理的湿度传感方法，所述非整周期采样，是指信号周期不等于采样时间间隔的整数倍，这样能够保证采样长度内，多周期的高频采样信号可以覆盖更多个相位点，拟合时充分利用误差平均效应，提高拟合精度。如周期为10us的正弦波信号，间隔1.7us采集一个点，在410us内240个点41个周期信号的采样长度下，每点的相位分布相当于一个周期内等间隔采样240个点的相位分布，保证有限采样频率条件下的充分满足采样定理的要求。
在上述的一种数字化处理的湿度传感方法，所述线性最小二乘拟合方法，利用单片机编写的正弦信号最小二乘线性拟合算法，分别计算同步采样的输入输出信号的幅值与相位，然后根据幅值之比与相位之差，计算幅频特性与相频特性，从而计算出湿度传感器的容抗。
因此，本发明具有如下优点：本发明采用电阻电容混合电桥克服了纯电容电桥的直流漂移问题；克服了多谐波振荡器振荡频率不稳定、降低了实际工作过程中噪声电容过大的问题采用高频激励与非整周期采样法，降低了对采样频率的速度要求，并提高了湿度传感器的测量精度与灵敏度。
附图说明
附图1是本发明的原理框图。
附图2是零均化差分比例放大电路拓扑图。
附图3是桥式电路拓扑图。
附图4是高阻抗差分放大电路拓扑图。
附图5是实施例中信号采样图。
附图6是采样信号的李萨如信号示意图。
附图7是方法中输入信号(直流偏置为1.65V，幅值为1.65V的100KHz正弦信号)波形图。
附图8是方法中输出信号(直流偏置为1.65V，幅值在0～1.65V之间的100KHz的正弦信号)波形图。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
一种数字化处理的湿度传感方法包括正弦激励电路、低输入阻抗的电阻电容桥式电路、高阻抗输入差分放大电路以及信号采集与处理方法；原理框图如图1所示：
所述的正弦激励电路：由单片机DAC产生的DDS正弦信号，接入运放U1，通过运放U1跟随，零均化差分及比例缩小或放大后，产生正弦激励信号，正弦激励信号接入桥式电路。如图2所示，输入为单片机程序产生的正弦信号，输出为零均化的正弦激励信号
所述的低输出阻抗的电阻电容桥式电路包括两条支路，输入为前述的正弦激励信号；由一个固定电阻和一个固定电容构成的一条支路的中间点电位提供参考输出电压Vref，由一个同样大小的固定电阻和湿度传感器的电容构成另一条支路，中间点电位是待测电压输出信号Vx，其中固定电容大小为湿度传感器的湿度值在55％时的电容值180pF；固定电阻根据激励信号的频率f＝100KHz和固定电容大小，按照公式1/jωC计算阻抗大小，约为8.8KΩ。当两者的阻抗基本相等时，电阻电容桥式电路得到最佳匹配，可以有效提高测量精度。如图3所示
所述的高阻抗差分放大电路由三运放与7个电阻构成高输入阻抗的差分电路，实现被测阻抗输出电压的信号放大，其中放大倍数由其中的R3、R4和R5这3个电阻决定，并且为了满足AD采集条件，在此加入了V0＝1.65V的直流偏置。原理图如图4所示所述信号采集方法由单片机内部的两个12位ADC同步采集输入激励信号与输出传感信号完成，其中输入激励信号直接来自于激励的跟随信号，输出传感信号来自于桥式差分放大电路加入直流偏置的输出信号。采样时间间隔满足单周期采样数据量非整数，整个采样长度上为整周期数的要求，如图所示：对于同一个STM32单片机，在72M的脉冲频率下，100KHz的周期信号的周期脉冲数为720，若采样间隔所占脉冲数123,则单周期的采样个数理论上为720/123≈6,不为一个整数。若采样240个点所占脉冲数为240*123＝29520个，周期数正好是29520/720＝41个。且每个点的信号相位都不同，实际上相当于一个整周期的相位被240均等分了，拟合时可以达到高度的误差平均效应。
如图所示，图5为一个信号的采样图，图6为它们的李萨如信号，可以看出均等分效果。
所述的信号处理方法包括对输入输出采集信号进行幅值比与相位差计算的最小二乘拟合方法，测量系统湿度传感器湿度值的计算方法、由电容值得出湿度值的方法。
测量过程如下：
(1)先由单片机产生频率为f＝100KHz的正弦波信号，经过零均化差分比例放大电路后加载到低输出阻抗电阻电容桥式电路，然后将待测点电压与参考点电压进行差分放大，加入直流偏置得到输出信号，单片机通过内部集成的两路12位ADC对输入激励信号与输出传感信号进行非整周期的同步采集，采集信号如图5所示。
(2)其中差分放大倍数的计算公式(1)，当电阻参数固定后，K为一常数：
Figure BDA0001677044100000081
(3)通过信号Vo、VI计算它们的比值，用复数来表示这个比值，解释如下:
分别对采样间隔与信号周期已知的多周期输入与输出同步采样信号进行线性正弦拟合，假设得到Vo的幅值与初相位为Ao与
Figure BDA0001677044100000082
Vi的幅值与初相位分别为AI与
Figure BDA0001677044100000083
那么利用向量求解公式(2)，得到了输出与输入之间的复数比。
Figure BDA0001677044100000084
由电桥及高阻抗差分电路可以推导出输入输出信号理论上满足如下公式(3)：
Figure BDA0001677044100000085
由于ω、R、C、k已知且固定，因此可以根据a+bj的变化得到湿度传感器电容Cx的变化。
其中：正弦信号线性最小二乘拟合算法描述如下：
假设对于一个正弦信号，采样信号为xi，采样相位间隔为δ，采样点数为n，那么假设有其幅值为A，初相为
Figure BDA0001677044100000091
即
Figure BDA0001677044100000092
计算过程如下
步骤一：计算如下两个矩阵：
Figure BDA0001677044100000093
步骤二：计算得到中间变量
Figure BDA0001677044100000094
步骤三：用以下公式得到幅值与相位，或表达为一复数。
Figure BDA0001677044100000095
步骤四：得到前述公式中的所有AO、AI、
Figure BDA0001677044100000096
步骤五：在测量预先标定的前提下，根据拟合结果，利用公式(3)计算Cx
步骤六：将由拟合参数计算出的传感器电容值Cx与其标定参数进行比对，从而获得待测湿度值。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种数字化处理的湿度传感装置，其特征在于，包括依次连接的
零均化差分比例放大电路：用于去除由单片机产生的高频正弦信号的直流分量，并进行相应比例的缩小与放大；
低输出阻抗的桥式电路：用于将微小的电容变化量转变为电压变化量
差分放大电路：用于将微小的电压变化量通过差分方式提取出来并进行放大
单片机：用于产生频率为f的高频正弦激励信号、对输入激励信号与输出传感信号进行非整周期同步AD采样、对数据进行处理、与上位机通信；
选用高频正弦激励信号，对湿度传感器进行阻抗匹配，构建低输出阻抗的电阻电容桥式电路；并采用桥式高阻抗的差分放大方式获取输出传感信号；应用单片机内部集成的ADC模块进行AD采样，特征在于针对高频正弦信号，采用了非整周期采样方式，达到多周期采样长度上采样点相位分布均匀的目的，满足有限采样频率条件下，提高正弦信号线性拟合精度，从而提高湿度传感器电容值的测量精度；
所述低输出阻抗的桥式电路包括依次串联的电阻R1和电容Cx构成的支路一，以及依次串联的电阻R2和电容c1构成的支路二，所述支路一和支路二两端并联，并联一端为信号输出，另一端接地，支路一的中间点电位接参考输出电压Vref，支路二的中间点电位接待测电压输出信号Vx；
所述差分放大电路包括放大与差分两部分，其中，放大部分包括运放U1跟随和运放U2跟随，运放U1跟随的正向输入接待测信号Vx，经过电阻R3、R5放大后输出，运放U2跟随的正向输入接参考信号Vref，经过电阻R4、R5放大后输出；差分部分包括差分运放U3，运放U3的正输入端通过电阻R6引入Vx放大后的输出信号，运放U3的负输入端通过电阻R8引入Vref放大后的输出信号，并在运放U3的正输入端通过分压原理加入单片机AD模块参考电压一半的直流偏量V0，最终在运放U3的输出端得到输出信号Vo；
所述零均化差分比例放大电路包括运放跟随电路、零均化差分电路和缩小或放大电路三部分；其中运放跟随电路包括运放U1和运放U2，跟随运放U1正输入端接入单片机产生的DDS正弦信号，输出信号sin1为单片机ADC采样原始信号，跟随运放U2正向输入端接入跟随运放U1输出信号，输出到零均化差分电路；零均化差分电路包括差分运放U3，差分运放U3正输入端通过电阻R2与R3引入跟随后的信号，负输入端接入单片机AD模块参考电压一半的直流偏量V0，差分后输出无直流偏置的标准正弦信号；缩小或放大电路通过电阻R7与R8分压接入跟随运放U4的正输入端，跟随后输出。
2.一种数字化处理的湿度传感方法，其特征在于，包括：
步骤1、在给定频率为f的高频正弦信号激励下，由湿度值为55％时的电容量计算湿度传感器的容抗，再利用阻抗匹配法构建低输出电阻电容桥式电路；
步骤2：将激励信号加载至桥式电路，经桥式高阻抗差分放大获得传感输出信号，为后续的AD采集，需通过加法电路加入单片机AD模块参考电压一半的直流偏量V0；
步骤3、对输入激励信号与输出传感信号分别采用非整周期同步AD采样，使得采样数据对应于多种相位值，以通过误差平均效应提高线性最小二乘正弦拟合精度；
步骤4：将由拟合参数计算出的传感器电容值Cx与其标定参数进行比对，从而获得待测湿度值；
所述的高频正弦激励信号，由STM32单片机内部集成的12位DAC通过DMA循环方式产生，并通过差分零均化与输出幅值调节电路，产生正弦激励信号；
所述的湿度传感器阻抗匹配，是指运用输入信号频率和湿度传感器在湿度为55％时的电容量计算出容抗大小，然后选取阻值与容抗相近的电阻，选取电容量与湿度传感器在湿度为55％时相同的电容构成桥式阻抗匹配电路；
所述的桥式高阻抗的差分放大方式，以固定电阻和固定电容构成的支路为参考支路，中间点的电压为参考信号；由固定电阻和湿度传感器组成的支路为待测支路，中间点电压为待测信号；然后利用运放跟随取出基准信号和待测信号并放大，最后采用减法电路进行差分信号处理；
所述非整周期采样，是指信号周期不等于采样时间间隔的整数倍，这样能够保证采样长度内，多周期的高频采样信号可以覆盖更多个相位点，拟合时充分利用误差平均效应，提高拟合精度；如周期为10us的正弦波信号，间隔1.7us采集一个点，在410us内240个点41个周期信号的采样长度下，每点的相位分布相当于一个周期内等间隔采样240个点的相位分布，保证有限采样频率条件下的充分满足采样定理的要求；
所述线性最小二乘拟合方法，利用单片机编写的正弦信号最小二乘线性拟合算法，分别计算同步采样的输入输出信号的幅值与相位，然后根据幅值之比与相位之差，计算幅频特性与相频特性，从而计算出湿度传感器的容抗。
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