|
|
|
ЕМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИ ВЛАЖНОСТИКонденсаторы с воздушным зазором могут использоваться как датчики относительной влажности, поскольку от количества водяных паров в атмосфере зависит диэлектрическая проницаемость воздуха: 
где Т — абсолютная температура (в Кельвинах), Р — давление
влажного воздуха (в мм рт.ст.), -Р — давление насыщенных водяных паров при
температуре Т ( в мм рт.ст.), Н — относительная влажность (в %). Из уравнения
(13.5) видно, что диэлектрическая проницаемость влажного воздуха, а значит и
его емкость, пропорциональны относительной влажности.
Пространство между пластинами конденсатора может быть
заполнено не воздухом, а соответствующим диэлектрическим материалом,
проницаемость того сильно зависит от влажности окружающей среды. к примеру,
существуют емкостные датчики, сформированные на основе гигроскопической
полимерной пленки с нанесенными с двух сторон металлическими электродами. В
работе [6] приведено описание такого датчика, реализованного на основе
гидрофильной полимерной пленки толщиной 8... 12 мкм, изготовленной из ацетобутирата
целлюлозы и диметилфталата, используемого в качестве пластификатора. Размеры
пленочного датчика составляют 12x12 мм. Методом осаждения в вакуумной камере на
полимер наносятся электроды из пористого золота (толщиной 200А) в форме диска
диаметром 8 мм. Пленка подвешивается на специальных держателях, а электроды
соединяются с выводами. Емкость такого датчика почти пропорциональна
относительной влажности Н:
На рис. 13.1 отображена схема, позволяющая при помощи
емкостного датчика измерять относительную влажность воздуха в диапазоне 5...90%
с точностью 2%, а на рис. 13.2 приведены передаточные характеристики датчика и
интерфейсной схемы. Номинальная емкость датчика при 75% RH составляет 500 пФ. Среднее напряжение на датчике должно быть равно нулю, в противном случае
электрохимические процессы могут вывести его из строя. Неполярный конденсатор
С2 защищает датчик от статического электричества. Переменный резистор регулирует
величину тока, поступающего на датчик, а Я, подстраивает ток смещения. Конденсатор
Су стоящий в цепи ОС, используется для интегрирования результирующего заряда, а
конденсатор С, поддерживает уровень выходного напряжения неизменным во время
отсоединения точки суммирования ОУ от датчика.
Такой же подход может быть использован для определения
содержания влаги в образцах различных материалов. На рис. 13.3 отображена схема
емкостной системы измерений, где изменение диэлектрической проницаемости
образца приводит к изменению частоты генератора. Этот метод измерения влажности
широко применяется в системах контроля фармацевтической продукции. Он обладает квазилинейной передаточной функцией со смещением при нулевой
влажности, равным 370 пФ, и наклоном 1.7. отображенная на рисунке схема выполняет
две функции: преобразует емкость в напряжение и компенсирует емкость смещения
для получения нулевого выходного напряжения при нулевом уровне RH. Основной
частью схемы является аналоговый ключ LT1043 с автосинхронизацией, подключающий
несколько конденсаторов к точке суммирования — на вход ОУ Ј/, (эта точка иногда
называется виртуальной землей).
Рис. 13.1. Упрощенная схема измерения влажности при помощи
емкостного датчика [6]
Рис. 13.2. Передаточная функция емкостного датчика и системы
Конденсатор С, используется для компенсации емкости
смещения, а конденсатор С2 включается последовательно с емкостным датчиком S. Диэлектрическая проницаемость большинства медицинских таблеток по сравнению с
водой достаточно низкая (2...5). Образец исследуемого материала помещается
между двумя пластинами, формирующими конденсатор, подсоединенный к
LC-колебательному контуру. Счетчик измеряет частоту, по той определяется
величина влажности. Для уменьшения влияния таких параметров окружающей среды,
как температура и атмосферная влажность, рекомендуется использовать
дифференциальные датчики. В этом случае определяется разность частот А/==/0 — fv
где/0 — частота, измеренная при пустом контейнере, af] — частота, измеренная с
контейнером, заполненным исследуемым материалом. Этот метод имеет ряд
ограничений: он весьма неточен при влажности ниже 0.5%; образец должен быть
очищен от посторонних частиц с относительно высокой диэлектрической
проницаемостью (к примеру, от металла и пластика), а также геометрия образца не
должна меняться во время проведения экспери—
Рис. 13.3. Емкостная система измерения влажности.
Тонкопленочный емкостной датчик влажности может быть изготовлен на кремниевой подложке [8]. Для этого на кремниевой подложке n-типа выращивается слой Si02 толщиной 3000А(рис. 13.4Б), а на него наносятся два электрода из алюминия, хрома или легированного фосфором поликремния, для чего применяется метод осаждения из газовой фазы, проводимый при низком давлении (LPCVD). Толщина электродов, имеющих гребенчатую форму (рис. 13.4А), лежит в пределах 2000...5000 А. Для обеспечения дополнительной компенсации изменения окружающей температуры на той же самой подложке формируются два термочувствительных резистора. На верхнюю часть датчика наносится диэлектрический слой толщиной 300...4000А , для получения того могут использоваться разные материалы, к примеру, химически осажденные из газовой фазы Si02 или фосфорное силикатное стекло. На рис. 13.5 отображена упрощенная эквивалентная схема тонкопленочного датчика влажности. Каждый компонент схемы является элементом линии передач. При увеличении относительной влажности распределение сопротивления поверхности уменьшается, а эквивалентная емкость между выводами 1 и 2 возрастает. Величина емкости зависит от частоты. Следовательно, при измерении низких значений влажности частота должна быть порядка 100 Гц, в то время как для высоких величин влажности, ее надо выбирать в пределах 1...10 кГц. 
Рис. 13.5. Упрощенная эквивалентная электрическая схема
емкостного тонкопленочного датчика влажности
.
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
