电容式湿度传感器测试方法与测试系统研究

摘要

湿度传感器已经在许多领域得到广泛应用。该课题是针对目前影响湿度传感器产量和产品质量的产品批量检测问题而提出的，目的是解决湿度传感器的高精度测试问题，减少测量误差，提高工效，降低生产成本，增强国产湿度传感器的竞争力。本论文从测量方法及系统设计两方面对电容式湿度传感器测试系统进行了深入研究，测试系统的对象主要是目前得到广泛应用的高分子电容式湿度传感器。文中对测量方法、误差修正技术、过采样技术及数字滤波技术等测试系统的几个关键技术进行了理论分析、仿真验证和应用设计，解决了电容式湿度传感器测试系统理论和设计上的难题。该文主要完成了以下几方面的工作： 1.离散化的复数电压测量法及其数学模型的建立。进行了离散化的复数电压测量法的理论分析，建立了数学模型，并对以数字离散化方式完成测量进行了数学分析，给出了离散化参数。 2.离散化的复数电压测量误差跟踪修正技术。对复数电压测量的主要测量误差源进行了分析，提出了误差修正的数学方法，并建立测量误差跟踪修正数学模型。 3.谐波分析测量法。将傅立叶变换应用于测试系统中，采用傅立叶变换完成了从测量数据中提取信号的工作，并有效地将干扰噪声从测量数据中分离出来。 4.数字滤波技术的理论分析和应用设计。将经典数字滤波技术应用于测试系统中，完成了IIR数字低通滤波器设计。将小波分析理论应用于测试系统中，进行了小波滤波器设计。 5.正弦波信号源频谱及失真度的理论分析。对作为激励信号施加到被测传感器上的正弦波信号的频谱及失真度进行了理论分析，为正弦波信号发生电路的D/A字长、每波输出点数及运算放大器的确定提供依据。 6.采用过采样技术提高测量精度和抗干扰能力。由于进行数据采集时可能引入多种噪声，并且测试系统采用的DSP芯片的A/D是10位，不能满足测试系统高精度测量的需要，所以在进行测控软件设计时，充分利用DSPA/D转换速度快的优点，用过采样技术有效地提高了测量分辨力和抗干扰能力。 7.测试系统硬件电路设计。在基于DSP的测试系统中，硬件电路以DSP器件为核心器件，选用D/A器件产生测试所需的正弦波，利用DSP器件内置A/D实现高速数据采集工作，采用多路模拟电子开关进行多通道传感器的选择，测试系统的通讯接口采用了USB1.1协议的接口器件，利用厂商提供的软件包完成了固件开发工作。 8.虚拟面板及数据处理软件设计。虚拟监控面板提供了系统与用户的人机界面，并可进行数据处理，对下位机进行实时监控；数据处理软件可以实现传感器性能参数的显示、分档、存储、打印和数据库管理的工作。 该课题所完成的测试系统集湿度环境模拟、数据采集、数据通讯与数据分析处理于一体，可以有效地解决批量湿度传感器性能参数快速、准确检测这一传感器企业亟待解决的问题，为组建类似的检测系统提供了可以借鉴的方法和系统构架。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1研究背景及意义

1.2湿度传感器及传感器测试技术的研究与发展

1.2.1湿度传感器的研究与发展

1.2.2传感器测试技术的发展及存在的问题

1.3数字信号处理技术的研究与发展

1.4虚拟仪器与USB总线技术的研究与发展

1.5课题的来源及研究的内容

第2章电容式湿度传感器测量方法研究

2.1电容式湿度传感器感湿机理及其等效形式

2.2复数电压测量法原理及其数学模型建立

2.3离散化的复数电压测量法

2.4复数电压测量法测量误差跟踪修正技术

2.4.1主要测量误差分析

2.4.2跟踪修正测量电路

2.4.3测量误差跟踪修正的数学模型

2.5谐波分析测量法

2.5.1傅里叶变换

2.5.2谐波分析测量法的原理

2.5.3仿真分析和DSP编程实现

2.6离散化的复数电压测量法、谐波分析测量法的对比

2.7采用过采样技术提高ADC转换器的分辨力

2.7.1过采样技术的基本工作原理

2.7.2基于DSP的过采样技术的实现

2.7.3过采样仿真实验

2.8本章小结

第3章测试系统方案设计

3.1测试系统的构成及方案设计

3.2正弦波信号源电路设计及失真度分析

3.2.1正弦波信号源电路设计

3.2.2正弦波信号源波形频谱成分分析

3.2.3正弦波信号源波形失真度分析

3.3湿度源设计

3.4本章小结

第4章测试系统的数字滤波技术

4.1干扰噪声分析

4.1.1正弦波信号失真产生的噪声

4.1.2热噪声的影响

4.1.3 A/D量化噪声的影响

4.1.4杂散电磁场和交流电源串入高频干扰

4.1.5工频干扰的影响

4.1.6干扰噪声与数字滤波器设计

4.2经典数字低通滤波器设计

4.2.1数字滤波器类型及原型的选择

4.2.2低通滤波器的设计方法和技术指标

4.2.3数字低通滤波器的结构

4.2.4数字低通滤波器仿真分析

4.2.5数字低通滤波器的DSP编程实现

4.3基于小波分析的滤波器设计

4.3.1连续小波变换

4.3.2离散小波变换

4.3.3小波的多分辨率分析

4.3.4小波基的选取及滤波尺度的确定

4.3.5边界效应的解决方法

4.3.6小波滤波仿真分析

4.3.7小波滤波软件的设计与实现

4.4滤波实例分析

4.5本章小结

第5章基于DSP的测试系统开发研究

5.1基于DSP的测试系统的组成

5.1.1测试系统的硬件电路设计

5.1.2测试系统固件程序设计

5.1.3系统软件设计

5.2测试系统性能分析

5.2.1基于DSP的测试系统硬件误差分析

5.2.2测试系统的测试

5.3本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢