配網(wǎng)內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)濕度傳感器溫漂校正電路模型的建立

伍健松

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局廣東江門529000）

配網(wǎng)內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)濕度傳感器溫漂校正電路模型的建立

伍健松

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局廣東江門529000）

本文分析了配網(wǎng)設(shè)備環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)濕度傳感器溫度漂移的原因，并提出溫漂的解決方法，設(shè)計(jì)出電容式濕度傳感器電路模型分析。

環(huán)境監(jiān)測；傳感器；溫漂

引言

由于濕度傳感器本身的溫漂特性而導(dǎo)致輸出量不準(zhǔn)確是內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中需要面對(duì)的一個(gè)問題。通常有兩種解決方法：一是更換傳感器；二是對(duì)傳感器進(jìn)行在線校正。這種方法方便快捷，無需更換傳感器即可使其正常工作。而校正的基礎(chǔ)就是通過了解溫漂原理，分析傳感器的電氣模型，從而建立一種與濕度傳感器匹配的阻容網(wǎng)絡(luò)電路模型，然后制作相應(yīng)的電路來校驗(yàn)。

1 溫漂產(chǎn)生的原因

不同材料所制成的濕度傳感器溫漂產(chǎn)生的情況不同，國內(nèi)外還沒有明確的結(jié)論，經(jīng)過一些研究學(xué)者的努力，發(fā)現(xiàn)了一部分型號(hào)濕度傳感器溫漂產(chǎn)生的原因，現(xiàn)以聚酰亞胺電容型濕度傳感器為例，介紹該種傳感器溫漂產(chǎn)生的原因：

制造的工藝條件：傳感器采用的加工工藝參數(shù)決定了其感濕層受溫度影響的大小。由于這種影響是在制作中形成的，因此是一種固有的影響。對(duì)于聚酰亞胺電容型濕度傳感器而言，主要采用CMOS工藝在襯底上制作電極，并使用MEMS處理工藝在電極上制作聚酰亞胺感濕層。MEMS處理工藝對(duì)感濕層的特性有較大影響，采用不同參數(shù)的MEMS工藝加工出來的濕度傳感器溫漂特性有較大差異。

聚酰亞胺的水解：聚酰亞胺是一種有機(jī)高分子聚合物，其物理化學(xué)性質(zhì)在通常情況下較穩(wěn)定，但隨著溫度升高，會(huì)逐漸發(fā)生水解，使其吸水特性發(fā)生改變，使得溫漂現(xiàn)象發(fā)生。不同類型的聚酰亞胺的吸水特性不同，導(dǎo)致水解程度不同，因此選擇合適的聚酰亞胺材料可以改善溫漂特性。

感濕層受熱膨脹：感濕層的受熱膨脹是產(chǎn)生溫漂的直接原因。聚酰亞胺的熱膨脹系數(shù)比襯底的硅材料大一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，當(dāng)溫度升高時(shí)，由于熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致聚酰亞胺感濕層有應(yīng)變效應(yīng)發(fā)生，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)常數(shù)發(fā)生改變，使電容值發(fā)生相應(yīng)變化。

2 溫漂校正的方法

2.1 電路溫漂校正法

電橋電路是一種經(jīng)常采用的轉(zhuǎn)換輸出電路，可以通過差動(dòng)式的接法使其靈敏度提高，并能對(duì)溫度誤差有補(bǔ)償作用。工作電阻接在橋路上作差動(dòng)輸出，應(yīng)變引起的電阻變化量是大小相等，符號(hào)相反的兩個(gè)變化量，溫度引起的電阻變化量是大小相等，符號(hào)相同的兩個(gè)變化量。當(dāng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)和被補(bǔ)償環(huán)節(jié)溫度輸出大小相等，符號(hào)相反，才能實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償。

2.2 數(shù)字化溫漂校正

上述溫度補(bǔ)償方法都是通過硬件手段來消除溫度變化對(duì)測量結(jié)果的影響，同時(shí)也可以用軟件方法來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，即通過監(jiān)測信號(hào)的數(shù)字化來建立模型，設(shè)計(jì)程序以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償。通過檢測出的零位溫度系數(shù)與靈敏度溫度系數(shù)，通過兩者的值進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。如在輸入信號(hào)為0情況下，檢測由于零位漂移引起的輸出量，然后將其存入內(nèi)存，在之后的每次測量中都減掉此量值即可。產(chǎn)生零位漂移有很多原因，其中零位溫度漂移是最重要的因素。零位漂移量不是定值，其隨時(shí)間和溫度的變化而變化。因此需要定時(shí)測量零位漂移值，隨時(shí)修改內(nèi)存數(shù)據(jù)，進(jìn)行自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償。

2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一種非線性映射方法在濕度傳感器的設(shè)計(jì)中被稱為一種改善輸出特性的手段。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改善濕度傳感器的特性，可使其測試范圍從60～ 80%RH擴(kuò)展到40～80%RH。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可分為通用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。通用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不針對(duì)具體的應(yīng)用要求，它是模擬大范圍的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，適用性

強(qiáng)，但是要消耗很多硬件資源。而專用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是針對(duì)具體的模型，快速簡潔。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方法最常用的是電子學(xué)方法，具有較強(qiáng)的靈活性，可靠性高。但是在實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)算時(shí)要消耗大量的硬件資源，這極大影響了神經(jīng)元數(shù)目，也限制了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。

2.4 系統(tǒng)溫漂校正

當(dāng)環(huán)境溫度變化較大，或者對(duì)檢測精度要求較高的場合，既需要對(duì)檢測系統(tǒng)進(jìn)行整體的溫度補(bǔ)償，還要對(duì)系統(tǒng)中的敏感元件進(jìn)行單獨(dú)的溫度補(bǔ)償。

3 電容式濕度傳感器電路模型分析

3.1 電容式敏感元件

電容式濕度傳感器測量原理是通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)而使物體間電容量發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測量的檢測。

電容式濕度傳感器的結(jié)構(gòu)是平行板式電容，在不計(jì)邊緣效應(yīng)的情況下，其電容為：

在濕度的測量上，主要是通過改變介電常數(shù)ε來進(jìn)行測量的。如圖1所示為一種變介電常數(shù)電容式敏感元件結(jié)構(gòu)示意圖如。

圖1 變介電常數(shù)電容式敏感元件結(jié)構(gòu)示意圖

介質(zhì)的厚度保持不變，相對(duì)介電常數(shù)變化而導(dǎo)致電容發(fā)生變化。

3.2 阻容并聯(lián)模型

3.2.1 阻容模型

電容式濕度傳感器在電路測量中相當(dāng)于一個(gè)小電容，但實(shí)際上它不是一個(gè)純電容，很多情況下都把它當(dāng)作一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)，這也是最經(jīng)典的一個(gè)模型，其等效形式如圖2所示：

圖2 濕度傳感器阻容模型等效電路

電容式濕度傳感器的等效阻抗Zc和其等效容抗、等效電阻Rx有如下關(guān)系：

濕度傳感器的品質(zhì)因數(shù)Q和其等效容抗XC、等效電阻Rx有如下關(guān)系：

在電容式濕度傳感器的測試中，電容值C與品質(zhì)因數(shù)Q是兩個(gè)重要參數(shù)，電容值影響傳感器的可靠性、穩(wěn)定性和一致性，品質(zhì)因數(shù)Q則與產(chǎn)品質(zhì)量有密切關(guān)系，如果Q過低，則產(chǎn)品的壽命會(huì)減少。在測量時(shí)使用復(fù)數(shù)電壓測量法進(jìn)行C和Q的測量。

3.2.2 復(fù)數(shù)電壓測量法

復(fù)數(shù)電壓測量法的基本原理：測量時(shí)，在濕度傳感器兩端施加正弦波電壓，如果傳感器是純?nèi)菪?，則測量出通過它的電流與兩端電壓應(yīng)產(chǎn)生90°相位差，且電流幅值與容抗成反比，與電容值成正比，Q值無窮大。若不是純?nèi)菪栽?，則通過它的電流與兩端電壓的相位差小于90°，Q值為相位差的正切值。復(fù)數(shù)電壓測量法就是在濕度傳感器兩端施加固定頻率的正弦波電壓，測量流過傳感器的電流的幅值和相位，用復(fù)數(shù)形式表達(dá)出來，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理就可以得到濕度傳感器的電容值C和品質(zhì)因數(shù)Q。

3.3 微觀考慮的阻容網(wǎng)絡(luò)模型

阻容并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模型可以和大多數(shù)電容型濕度傳感器模型進(jìn)行匹配，但是為了讓模型更加精確，我們可以從更微觀的角度來建立網(wǎng)絡(luò)模型。

制作濕敏元件的材料基本都是絕緣物質(zhì)，但是其絕緣介質(zhì)并非理想的絕緣體，其弛豫時(shí)間由于極性分子與離子的個(gè)體環(huán)境不同而稱分布狀態(tài)。對(duì)于這種介質(zhì)介電弛豫，可以引用非德拜模型。從而得出如圖3的電路模型。

圖3 微觀考慮的阻容網(wǎng)絡(luò)模型

其中，Rg為晶粒電阻，Rgs為晶粒表面電阻，Re為電極表面電阻，Cgs為表面電容，Ce為電極表面電容。

通過對(duì)濕度傳感器進(jìn)行阻抗及電阻的測量，可計(jì)算出相應(yīng)的電阻和電容的數(shù)值。

3.4 考慮電感的阻容感網(wǎng)絡(luò)模型

當(dāng)信號(hào)發(fā)生電路發(fā)出的信號(hào)頻率較低時(shí)，我們可以忽略電容式濕度傳感器中的電感，但如果發(fā)出的信號(hào)頻率較高時(shí)，傳感器中的電感就不可忽略了，在分析電路模型時(shí)，應(yīng)適當(dāng)考慮電感的存在。

3.4.1 簡單阻容感網(wǎng)絡(luò)模型

當(dāng)考慮電感的存在后，濕度傳感器的電路模型可如圖4所示：

圖4 考慮電感的阻容網(wǎng)絡(luò)模型

L表示導(dǎo)線與導(dǎo)線間的動(dòng)態(tài)電感。

由此可看出，當(dāng)頻率較大時(shí)，電感是不可以忽略的。

結(jié)語

溫漂是影響濕度傳感器壽命的重要因素，本文介紹了溫漂的相關(guān)概念并給出了電容式濕度傳感器在線自校驗(yàn)方式，通過數(shù)據(jù)采集通道的切換可以定期對(duì)濕度傳感器進(jìn)行校正。校正的方式就是讓濕度傳感器和其等效電路相匹配，而等效電路是由阻容網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)成的。