配网内环境监测系统湿度传感器温漂校正电路模型的建立

2017-05-19伍健松

资源节约与环保 2017年3期

关键词：电容式聚酰亚胺电容

伍健松

（广东电网有限责任公司江门供电局广东江门529000）

配网内环境监测系统湿度传感器温漂校正电路模型的建立

伍健松

（广东电网有限责任公司江门供电局广东江门529000）

本文分析了配网设备环境监测系统湿度传感器温度漂移的原因，并提出温漂的解决方法，设计出电容式湿度传感器电路模型分析。

环境监测；传感器；温漂

引言

由于湿度传感器本身的温漂特性而导致输出量不准确是内环境监测系统中需要面对的一个问题。通常有两种解决方法：一是更换传感器；二是对传感器进行在线校正。这种方法方便快捷，无需更换传感器即可使其正常工作。而校正的基础就是通过了解温漂原理，分析传感器的电气模型，从而建立一种与湿度传感器匹配的阻容网络电路模型，然后制作相应的电路来校验。

1 温漂产生的原因

不同材料所制成的湿度传感器温漂产生的情况不同，国内外还没有明确的结论，经过一些研究学者的努力，发现了一部分型号湿度传感器温漂产生的原因，现以聚酰亚胺电容型湿度传感器为例，介绍该种传感器温漂产生的原因：

制造的工艺条件：传感器采用的加工工艺参数决定了其感湿层受温度影响的大小。由于这种影响是在制作中形成的，因此是一种固有的影响。对于聚酰亚胺电容型湿度传感器而言，主要采用CMOS工艺在衬底上制作电极，并使用MEMS处理工艺在电极上制作聚酰亚胺感湿层。MEMS处理工艺对感湿层的特性有较大影响，采用不同参数的MEMS工艺加工出来的湿度传感器温漂特性有较大差异。

聚酰亚胺的水解：聚酰亚胺是一种有机高分子聚合物，其物理化学性质在通常情况下较稳定，但随着温度升高，会逐渐发生水解，使其吸水特性发生改变，使得温漂现象发生。不同类型的聚酰亚胺的吸水特性不同，导致水解程度不同，因此选择合适的聚酰亚胺材料可以改善温漂特性。

感湿层受热膨胀：感湿层的受热膨胀是产生温漂的直接原因。聚酰亚胺的热膨胀系数比衬底的硅材料大一个数量级，因此，当温度升高时，由于热膨胀系数不同，导致聚酰亚胺感湿层有应变效应发生，导致节点常数发生改变，使电容值发生相应变化。

2 温漂校正的方法

2.1 电路温漂校正法

电桥电路是一种经常采用的转换输出电路，可以通过差动式的接法使其灵敏度提高，并能对温度误差有补偿作用。工作电阻接在桥路上作差动输出，应变引起的电阻变化量是大小相等，符号相反的两个变化量，温度引起的电阻变化量是大小相等，符号相同的两个变化量。当补偿环节和被补偿环节温度输出大小相等，符号相反，才能实现全补偿。

2.2 数字化温漂校正

上述温度补偿方法都是通过硬件手段来消除温度变化对测量结果的影响，同时也可以用软件方法来实现温度补偿，即通过监测信号的数字化来建立模型，设计程序以实现自动补偿。通过检测出的零位温度系数与灵敏度温度系数，通过两者的值进行自动补偿。如在输入信号为0情况下，检测由于零位漂移引起的输出量，然后将其存入内存，在之后的每次测量中都减掉此量值即可。产生零位漂移有很多原因，其中零位温度漂移是最重要的因素。零位漂移量不是定值，其随时间和温度的变化而变化。因此需要定时测量零位漂移值，随时修改内存数据，进行自动跟踪补偿。

2.3 神经网络校正法

神经网络作为一种非线性映射方法在湿度传感器的设计中被称为一种改善输出特性的手段。通过神经网络改善湿度传感器的特性，可使其测试范围从60～ 80%RH扩展到40～80%RH。神经网络可分为通用神经网络和专用神经网络。通用神经网络不针对具体的应用要求，它是模拟大范围的神经网络模型，适用性

强，但是要消耗很多硬件资源。而专用神经网络是针对具体的模型，快速简洁。神经网络的实现方法最常用的是电子学方法，具有较强的灵活性，可靠性高。但是在实现各种运算时要消耗大量的硬件资源，这极大影响了神经元数目，也限制了神经网络的规模。

2.4 系统温漂校正

当环境温度变化较大，或者对检测精度要求较高的场合，既需要对检测系统进行整体的温度补偿，还要对系统中的敏感元件进行单独的温度补偿。

3 电容式湿度传感器电路模型分析

3.1 电容式敏感元件

电容式湿度传感器测量原理是通过改变结构参数而使物体间电容量发生改变，从而实现对被测量的检测。

电容式湿度传感器的结构是平行板式电容，在不计边缘效应的情况下，其电容为：

在湿度的测量上，主要是通过改变介电常数ε来进行测量的。如图1所示为一种变介电常数电容式敏感元件结构示意图如。

图1 变介电常数电容式敏感元件结构示意图

介质的厚度保持不变，相对介电常数变化而导致电容发生变化。

3.2 阻容并联模型

3.2.1 阻容模型

电容式湿度传感器在电路测量中相当于一个小电容，但实际上它不是一个纯电容，很多情况下都把它当作一个电容和一个电阻并联，这也是最经典的一个模型，其等效形式如图2所示：

图2 湿度传感器阻容模型等效电路

电容式湿度传感器的等效阻抗Zc和其等效容抗、等效电阻Rx有如下关系：

湿度传感器的品质因数Q和其等效容抗XC、等效电阻Rx有如下关系：

在电容式湿度传感器的测试中，电容值C与品质因数Q是两个重要参数，电容值影响传感器的可靠性、稳定性和一致性，品质因数Q则与产品质量有密切关系，如果Q过低，则产品的寿命会减少。在测量时使用复数电压测量法进行C和Q的测量。

3.2.2 复数电压测量法

复数电压测量法的基本原理：测量时，在湿度传感器两端施加正弦波电压，如果传感器是纯容性，则测量出通过它的电流与两端电压应产生90°相位差，且电流幅值与容抗成反比，与电容值成正比，Q值无穷大。若不是纯容性元件，则通过它的电流与两端电压的相位差小于90°，Q值为相位差的正切值。复数电压测量法就是在湿度传感器两端施加固定频率的正弦波电压，测量流过传感器的电流的幅值和相位，用复数形式表达出来，再经过数据处理就可以得到湿度传感器的电容值C和品质因数Q。

3.3 微观考虑的阻容网络模型

阻容并联网络模型可以和大多数电容型湿度传感器模型进行匹配，但是为了让模型更加精确，我们可以从更微观的角度来建立网络模型。

制作湿敏元件的材料基本都是绝缘物质，但是其绝缘介质并非理想的绝缘体，其弛豫时间由于极性分子与离子的个体环境不同而称分布状态。对于这种介质介电弛豫，可以引用非德拜模型。从而得出如图3的电路模型。