新型传感器技术论文.doc

《新型传感器技术》课程报告 院 系： 信息工程与自动化学院 专 业： 仪器仪表工程 年 级： 2013级 学生姓名： 汤超 学 号： 2013704018 任课教师： 万舟 2014年6月 昆 明 理 工 大 学 试卷 信自学院 检测、测试 专业硕士生 2013 级 二 学 期 考试科目：新型传感器技术 学生姓名：汤超 学号：2013704018 题 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 总 分 评 分 结合实际工艺对象设计一种传感器和检测方法 1、针对特定的工艺对象，选择相关参数 2、分析传感器敏感元件、换能元件的工作原理、物理特性 3、建立传感器数学模型 4、传感器静态特性、动态特性分析 5、分析测量电路 6、分析干扰因素及解决方案 7、校验与标定方案 8、该传感器的应用、发展前景及目前的必威体育精装版动态一种新型土壤水分传感器的研究与应用 引言 1 相关参数的选定 土壤水分的测量是精细农业中实施节水灌溉的基础。基于真有效值检测技术，利用土壤的介电特性，设计了一个高频电容式土壤水分传感器，主要由电源滤波电路、100MHz有源品振、XC74UL14AA 探针电极和AD8361组成。其中，探针电极由印刷电路板制成并与主印刷电路板一体化成型。传感器以直流电压输出，分别在空气和去离子水中测得其输出范围为工作电压的20%～70%。配制不同等效土壤体积含水率的待测溶液，在不同工作电压下，对传感器进行了标定。目前在市场上所能见到的土壤水分快速检测设备一般的参数为 ①测试时间≤20秒 ②测试的绝对误差≤2%；③相对百分误差≤3%；④土壤水分探头工作温度10℃—70℃；传感器的工作原理及数学模型土壤水分传感器的测量原理是当传感器置于待测土壤进行测量时，100 MHz方波激励信号加在由电阻R2和探针的等效电容组成的一阶RC电路上，进行周期性地充放电，同时探针上会出现相应的周期性波形信号，然后利用真有效值检测器对此波形信号进行真有效值转换，以等效的直流电压输出，作为传感器的测量结果。当土壤的含水量不同时，其介电常数发生变化，从而探针的等效电容也随之变化，导致探针等效电容上的充放电曲线发生变化，即探针上的周期性波形发生变化，最终使传感器输出的直流电压发生改变。在方波信号的激励下，探针等效电容C上的充电电压可用下式计算 (1) 式中，为探针等效电容C两端的电压；V与分别为方波信号的高、低电压；t为充电时间大小由方波激励信号的频率决定；C为探针等效电容；R为图3中的电阻R2。探针等效电容C的容量与探针周围的介质及探针本身的寄生电容有关，是介质的介电常数和几何因子的函数，其中几何因子与探针电极的配置及渗透到介质中的电磁场的形状相关。探针等效电容C的容量可用下式计算 (2) 式中，C同式(1)，是探针的几何因子，是待测介质的介电常数。 由式(1) (2)知 (3) 式中，、、R和t同式（1），和同式（2）。 由方波激励信号的特性知，式（3）可简化为 (4) 式中，、V、R和t同式(1)，和同式（2。 由上述分析知，当探针电极插入某种待测土壤进行测量时，电阻R、几何因子、时间t及方波激励信号的高电平V均为常量，因此土壤介电常数与探针上的电压成一一对应关系。 传感器传感器主要由电源滤波电路、有源晶振、施密特触发器、信号衰减器、探针和真有效值检测器组成，如图1所示。电源滤波电路用于消除或减小地电位跳跃和电源噪声，为电路中各单元提供稳定、无纹波的工作电压；有源晶振用来产生一个单一频率的高频振荡信号，经施密特触发器整形成波形标准的方波信号，作为传感器测量时的激励信号；信号衰减器将方波激励信号的幅度衰减后再加至探针上；真有效值检测器用于将插入待测土壤中的探针上的信号进行真有效值转换，以将探针上的波形信号以等效的直流电压输出，作为整个传感器的输出信号。 图1 土壤水分传感器的原理框图 其中，探针电极为两针平行结构，由2个长条形印刷电路板(PCB)构成，并与安装有整个传感器电子电路的主PCB进行电气连接一体化结构，如图2所示。探针电极长5cm，宽0.5cm，厚1.6 mm，两探针电极的内侧距离为0.5 cm，探针末端设计为三角形便于插入待测土壤。主PCB与探针电极PCB均为双层板，但探针电极PCB只其中一个表涂有敷铜层，并在敷铜层表上涂覆有绝缘层，只裸露探针电极PCB敷铜层的四周，形成电接触区，以感知待测土壤的水分信息。为使传感器能埋入土壤中进行测