高分子电阻型湿敏元件复阻抗的测量

李桂芬, 顾万里, 王大美, 李宝华

(吉林大学 电子科学与工程学院, 长春 130012)

0 引 言

随着科学技术的不断发展, 湿度计量已经成为很多应用领域中不可缺少的重要因素[1], 因此, 越来越多的研究机构开始着手于湿敏元件的研究与制作。为进一步改善湿敏元件的感湿特性, 需要对湿敏元件的敏感机理进行研究[2-5]。目前, 对湿敏元件敏感机理的研究常常采用复阻抗分析法[6-10], 得到湿敏元件在不同湿度中的复阻抗特性曲线, 该方法可实现在任意信号频率下对湿敏元件复阻抗的测量, 从而为湿敏元件导电机理的研究打下基础。由于相敏检波电路可对信号的相位进行鉴别, 因此, 在复阻抗测量过程中, 经常采用相敏检波电路实现信号幅值与相角的测量。目前, 应用较多的相敏检波电路主要包括二极管桥形电路、 三极管相敏放大电路、 模拟开关电路和模拟乘法器电路等[11]。其中前两种电路虽然结构简单、 但在电路设计时需要添加变压器辅助实现, 使整个电路的体积变大、 成本升高, 不符合现代技术的设计要求。模拟开关电路的实现过程比较简单, 但参考信号的选择对电路的稳定性具有重要意义, 如果参考信号选用方波信号, 会在电路工作过程中引入谐波干扰。因此, 在一些测量精度要求较高的应用领域, 参考信号常采用纯净的正弦波信号实现, 以尽可能地减少谐波干扰。另外还可通过软件的方法实现数字相敏检波[12-14], 但该方法的实现对硬件平台的要求较高, 需采用高速A/D及DSP技术, 这无疑使设计成本增加, 而且软件算法比较复杂。从设计的难易程度与成本节约方面考虑, 笔者采用由模拟乘法器构成的相敏检波电路实现复阻抗的测量。

1 复阻抗测量原理

由于湿敏元件所呈现出阻抗特性是电阻、 电感或电容的混合, 因此, 不能用普通的分压电路对其阻抗进行测量, 普通的分压电路也无法求出矢量电压或矢量电流在各个坐标轴上的投影分量。针对这种情况, 采用矢量法原理(见图1), 即根据被测元件两端的矢量电压和流过被测元件的矢量电流计算阻抗矢量。分别求出矢量电压和矢量电流在各坐标轴上的各投影分量Ux,Uy,Ix,Iy, 从而求出复阻抗的幅值和相角。

(1)

由于在采用矢量法进行复阻抗测量过程中需要两路正交的正弦波作为参考信号, 因此, 需要设计一个正交输出的程控信号源, 要求输出信号的频率在20 Hz～1 MHz之间。在测量过程中, 由于加在湿敏元件两端的参考信号不能含有直流成分, 但信号源产生的信号却存在直流偏置。因此, 需要通过信号处理电路去除该直流偏置, 将处理过的正交信号其中一路作为激励信号施加到被测元件的两端(见图2), 然后对流过被测元件的矢量电流进行调理。经相敏检波电路后, 将被测信号通过A/D转换采集到单片机中, 由单片机完成信号的矢量分解运算, 得到矢量电流在两个正交的参考信号上的分量, 从而得到湿敏元件两端的矢量电压和流过湿敏元件的矢量电流。最终计算湿敏元件在不同湿度下的复阻抗, 并根据该阻抗精确估计被测元件的各种电参数及其频率响应。根据上述原理设计了系统的结构框图(见图3)。正交信号的频率可以通过按键进行设置, 最后将激励信号的频率及湿敏元件在不同湿度情况下的测量结果在液晶屏幕上显示。

图1 矢量法测量原理 图2 原理结构框图

图3 系统结构框图

在实验过程中, 电流信号的获取是通过测量取样电阻两端电压UR得到的, 所以, 在电路的测量过程中可以用电压信号代替电流信号进行运算。因为湿敏元件复阻抗值的范围过大, 为保证电流的测量精度, 需要对取样电阻值进行相应的调节。笔者采用程控取样电路, 完成对取样电阻的切换。

2 算法设计

(2)

经低通滤波器滤除交流成分后, 得到的直流电压为

(3)

同理, 将取样电压信号和激励电压正交的信号相乘、 滤波后得到

(4)

从而得到取样电压和矢量电流在两个正交信号上的分量Vrx、Vry和Ix、Iy

(5)

(6)

(7)

(8)

其中φzu为湿敏元件两端矢量电压的相位。

3 硬件电路设计

该系统主要由程控信号源和相敏检波电路两大部分组成, 分别采用DDS(Direct Digital Synthesizer)技术和模拟乘法器实现电路设计, 将乘法器的输出经低通滤波后采集到单片机中, 由单片机完成数据的运算和处理, 进而得到湿敏元件在不同湿度下的复阻抗特性曲线。

3.1 信号发生电路

笔者采用AD9854数字频率合成芯片配合单片机产生正交的正弦信号(见图4)。AD9854是高集成度的数字频率合成器, 它采用先进的DDS技术, 可产生高稳定的频率、 相位、 幅度可编程的正弦和余弦信号。该电路结构简单, 输出信号精度高。

图4 AD9854信号发生电路

3.2 信号处理电路

图5 信号处理电路

信号处理电路的作用主要是去除正交信号中所存在的直流偏置, 其电路包含了两组滤波器(见图5), 它们都是把放大器输出端的低频成分检出, 作为伺服信号输入到回路中自动匹配输入信号中所携带的直流成分。该电路很好地解决了信号的直流偏移问题。

3.3 相敏检波电路

图6 AD835的基本应用电路 图7 有源低通滤波电路

笔者采用AD835实现相敏检波电路的设计, 该芯片是电压输出型的四象限模拟乘法器, 经常应用于相位检测和测量电路中。该芯片外围电路简单, 配置方便(见图6)。该电路主要用于求出矢量电流在两个正交信号上投影。首先将取样电压信号分别与两个正交的参考信号相乘(见式(2)), 然后经低通滤波器(见图7)滤除信号中的交流成分, 得到取样电压在两个正交信号上的投影(见式(3)和式(4))。最后把该信号通过A/D转换采集到单片机中, 由单片机完成数据的运算和处理, 计算湿敏元件两端的矢量电压和流过湿敏元件的矢量电流, 从而求出湿敏元件复阻抗的幅值和相角(见式(7)和(8))。

4 实验结果

在室温条件下, 信号频率变化在20 Hz～100 kHz之间, 并分别在湿度为11%RH、54%RH、95%RH的饱和盐溶液的湿度源瓶中测试, 得到在这些湿度下的复阻抗特性曲线(见图8)。将该测试结果与已知的该湿度传感器参数进行比较, 可以看出, 该测量方法能满足实际测试的需求。

a 11%RH b 54%RH c 95%RH

5 结 语

笔者采用复阻抗分析法对湿敏元件的感湿特性进行研究, 根据矢量法原理设计了一个复阻抗测量电路, 实现了不同频率信号下对湿敏元件复阻抗的测量, 从而得到湿敏元件在不同湿度下的复阻抗特性曲线。实验结果表明, 该测量方法能满足实际测试的需求。

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