配網內環境監測系統濕度傳感器溫漂校正電路模型的建立

伍健松

（廣東電網有限責任公司江門供電局廣東江門529000）

配網內環境監測系統濕度傳感器溫漂校正電路模型的建立

伍健松

（廣東電網有限責任公司江門供電局廣東江門529000）

本文分析了配網設備環境監測系統濕度傳感器溫度漂移的原因，并提出溫漂的解決方法，設計出電容式濕度傳感器電路模型分析。

環境監測；傳感器；溫漂

引言

由于濕度傳感器本身的溫漂特性而導致輸出量不準確是內環境監測系統中需要面對的一個問題。通常有兩種解決方法：一是更換傳感器；二是對傳感器進行在線校正。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絡電路模型，然后制作相應的電路來校驗。

1 溫漂產生的原因

不同材料所制成的濕度傳感器溫漂產生的情況不同，國內外還沒有明確的結論，經過一些研究學者的努力，發現了一部分型號濕度傳感器溫漂產生的原因，現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生的原因：

制造的工藝條件：傳感器采用的加工工藝參數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處理工藝對感濕層的特性有較大影響，采用不同參數的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高分子聚合物，其物理化學性質在通常情況下較穩定，但隨著溫度升高，會逐漸發生水解，使其吸水特性發生改變，使得溫漂現象發生。不同類型的聚酰亞胺的吸水特性不同，導致水解程度不同，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生溫漂的直接原因。聚酰亞胺的熱膨脹系數比襯底的硅材料大一個數量級，因此，當溫度升高時，由于熱膨脹系數不同，導致聚酰亞胺感濕層有應變效應發生，導致節點常數發生改變，使電容值發生相應變化。

2 溫漂校正的方法

2.1 電路溫漂校正法

電橋電路是一種經常采用的轉換輸出電路，可以通過差動式的接法使其靈敏度提高，并能對溫度誤差有補償作用。工作電阻接在橋路上作差動輸出，應變引起的電阻變化量是大小相等，符號相反的兩個變化量，溫度引起的電阻變化量是大小相等，符號相同的兩個變化量。當補償環節和被補償環節溫度輸出大小相等，符號相反，才能實現全補償。

2.2 數字化溫漂校正

上述溫度補償方法都是通過硬件手段來消除溫度變化對測量結果的影響，同時也可以用軟件方法來實現溫度補償，即通過監測信號的數字化來建立模型，設計程序以實現自動補償。通過檢測出的零位溫度系數與靈敏度溫度系數，通過兩者的值進行自動補償。如在輸入信號為0情況下，檢測由于零位漂移引起的輸出量，然后將其存入內存，在之后的每次測量中都減掉此量值即可。產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，其隨時間和溫度的變化而變化。因此需要定時測量零位漂移值，隨時修改內存數據，進行自動跟蹤補償。

2.3 神經網絡校正法

神經網絡作為一種非線性映射方法在濕度傳感器的設計中被稱為一種改善輸出特性的手段。通過神經網絡改善濕度傳感器的特性，可使其測試范圍從60～ 80%RH擴展到40～80%RH。神經網絡可分為通用神經網絡和專用神經網絡。通用神經網絡不針對具體的應用要求，它是模擬大范圍的神經網絡模型，適用性

強，但是要消耗很多硬件資源。而專用神經網絡是針對具體的模型，快速簡潔。神經網絡的實現方法最常用的是電子學方法，具有較強的靈活性，可靠性高。但是在實現各種運算時要消耗大量的硬件資源，這極大影響了神經元數目，也限制了神經網絡的規模。

2.4 系統溫漂校正

當環境溫度變化較大，或者對檢測精度要求較高的場合，既需要對檢測系統進行整體的溫度補償，還要對系統中的敏感元件進行單獨的溫度補償。

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構參數而使物體間電容量發生改變，從而實現對被測量的檢測。

電容式濕度傳感器的結構是平行板式電容，在不計邊緣效應的情況下，其電容為：

在濕度的測量上，主要是通過改變介電常數ε來進行測量的。如圖1所示為一種變介電常數電容式敏感元件結構示意圖如。

圖1 變介電常數電容式敏感元件結構示意圖

介質的厚度保持不變，相對介電常數變化而導致電容發生變化。

3.2 阻容并聯模型

3.2.1 阻容模型

電容式濕度傳感器在電路測量中相當于一個小電容，但實際上它不是一個純電容，很多情況下都把它當作一個電容和一個電阻并聯，這也是最經典的一個模型，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有如下關系：

濕度傳感器的品質因數Q和其等效容抗XC、等效電阻Rx有如下關系：

在電容式濕度傳感器的測試中，電容值C與品質因數Q是兩個重要參數，電容值影響傳感器的可靠性、穩定性和一致性，品質因數Q則與產品質量有密切關系，如果Q過低，則產品的壽命會減少。在測量時使用復數電壓測量法進行C和Q的測量。

3.2.2 復數電壓測量法

復數電壓測量法的基本原理：測量時，在濕度傳感器兩端施加正弦波電壓，如果傳感器是純容性，則測量出通過它的電流與兩端電壓應產生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。若不是純容性元件，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。復數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，用復數形式表達出來，再經過數據處理就可以得到濕度傳感器的電容值C和品質因數Q。

3.3 微觀考慮的阻容網絡模型

阻容并聯網絡模型可以和大多數電容型濕度傳感器模型進行匹配，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絡模型。

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

圖3 微觀考慮的阻容網絡模型

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。

通過對濕度傳感器進行阻抗及電阻的測量，可計算出相應的電阻和電容的數值。

3.4 考慮電感的阻容感網絡模型

當信號發生電路發出的信號頻率較低時，我們可以忽略電容式濕度傳感器中的電感，但如果發出的信號頻率較高時，傳感器中的電感就不可忽略了，在分析電路模型時，應適當考慮電感的存在。

3.4.1 簡單阻容感網絡模型

當考慮電感的存在后，濕度傳感器的電路模型可如圖4所示：

圖4 考慮電感的阻容網絡模型

L表示導線與導線間的動態電感。

由此可看出，當頻率較大時，電感是不可以忽略的。

結語

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概念并給出了電容式濕度傳感器在線自校驗方式，通過數據采集通道的切換可以定期對濕度傳感器進行校正。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絡模型構成的。