基于QCM的低濕傳感器及其無線傳感系統(tǒng)設計.pdf

1、在當今社會，人們對測量濕度的精度要求越來越高，尤其是對一些低濕度環(huán)境的檢測。如變壓器中斷路器內(nèi)SF6介質(zhì)環(huán)境的濕度檢測。但是由于在低濕環(huán)境下，空氣中水分子含量極少，導致大部分濕度傳感器在低濕環(huán)境下的測量準確性仍舊存在不足。
　　本文以石英晶體微天平(Quartz Crystal Microbalance，QCM)的質(zhì)量敏感原理為理論基礎，利用QCM傳感器可以檢測到10-9 g質(zhì)量變化的優(yōu)勢，通過在QCM晶片上涂覆對水分子具有良好吸

2、附特性的Nation材料的方式，制作QCM低濕傳感器。并通過對多組不同Nation涂覆量的QCM低濕傳感器在1％～10％RH相對濕度范圍內(nèi)的濕敏曲線進行對比，綜合考慮傳感器的穩(wěn)定性以及傳感器對濕度變化的靈敏程度，得到QCM低濕傳感器較為合適的Nation涂覆量。以此為基礎，研究了該傳感器在低濕環(huán)境下的濕敏特性。研究結(jié)果表明，基于QCM的Nation低濕傳感器在1～10％RH范圍內(nèi)具有良好的重復性及線性，其線性擬合度R2約為0.98;傳感

3、器可以分辨1％RH的相對濕度變化，且傳感器響應時間較短。同時，本文研究了該QCM低濕傳感器在其他相對濕度環(huán)境下的表現(xiàn)。研究結(jié)果表明，該傳感器在11.3～97.3％RH范圍內(nèi)仍具有較好的濕度響應，且具有比較良好的短期穩(wěn)定性。
　　另外，本文設計并實現(xiàn)了基于FPGA的濕度無線傳感系統(tǒng)。其中，采用QCM低濕傳感器作為無線濕度傳感系統(tǒng)的傳感器部分，并設計起振電路使QCM傳感器諧振;在FPGA中設計并實現(xiàn)溫度與濕度的數(shù)據(jù)采集;通過Veril

4、og-HDL硬件描述語言編寫D觸發(fā)器實現(xiàn)差頻法消除了部分溫漂誤差，設計頻率計對差頻信號進行測頻;使用最小二乘法對實驗數(shù)據(jù)分別進行了線性與二次項函數(shù)擬合并選擇更精確的擬合函數(shù)，采用SOPC技術(shù)搭建NiosⅡ軟核并在軟核內(nèi)通過擬合函數(shù)實現(xiàn)差頻頻率到相對濕度的轉(zhuǎn)化，并根據(jù)不同濕度環(huán)境設計按鍵來進行低濕、高濕測量的轉(zhuǎn)換;在NiosⅡ環(huán)境中編程控制液晶屏，將轉(zhuǎn)化生成的相對濕度值顯示在系統(tǒng)下位機，同時控制藍牙將數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)上位機，系統(tǒng)上位機采用V

5、S2010開發(fā)，可以進行串口通信控制、數(shù)據(jù)實時顯示、動態(tài)曲線顯示、濕度超標報警、歷史數(shù)據(jù)存儲、查詢以及Excel文件的導出等功能。
　　通過對系統(tǒng)進行測試，結(jié)果表明本系統(tǒng)在低濕環(huán)境中可以進行較為準確的測量，同時本系統(tǒng)也可以在其余相對濕度范圍下進行工作;另外，本文針對低濕環(huán)境的密閉性進行無線傳輸測試，搭建了電氣設備SF6模擬環(huán)境，結(jié)果表明本系統(tǒng)可以在金屬密閉環(huán)境中工作。綜上，系統(tǒng)實現(xiàn)了對低濕密閉環(huán)境的測量，同時也可以在中高相對濕度下