基于QCM的低湿传感器及其无线传感系统设计

摘要

在当今社会，人们对测量湿度的精度要求越来越高，尤其是对一些低湿度环境的检测。如变压器中断路器内SF6介质环境的湿度检测。但是由于在低湿环境下，空气中水分子含量极少，导致大部分湿度传感器在低湿环境下的测量准确性仍旧存在不足。
　　本文以石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance，QCM)的质量敏感原理为理论基础，利用QCM传感器可以检测到10-9 g质量变化的优势，通过在QCM晶片上涂覆对水分子具有良好吸附特性的Nation材料的方式，制作QCM低湿传感器。并通过对多组不同Nation涂覆量的QCM低湿传感器在1％～10％RH相对湿度范围内的湿敏曲线进行对比，综合考虑传感器的稳定性以及传感器对湿度变化的灵敏程度，得到QCM低湿传感器较为合适的Nation涂覆量。以此为基础，研究了该传感器在低湿环境下的湿敏特性。研究结果表明，基于QCM的Nation低湿传感器在1～10％RH范围内具有良好的重复性及线性，其线性拟合度R2约为0.98;传感器可以分辨1％RH的相对湿度变化，且传感器响应时间较短。同时，本文研究了该QCM低湿传感器在其他相对湿度环境下的表现。研究结果表明，该传感器在11.3～97.3％RH范围内仍具有较好的湿度响应，且具有比较良好的短期稳定性。
　　另外，本文设计并实现了基于FPGA的湿度无线传感系统。其中，采用QCM低湿传感器作为无线湿度传感系统的传感器部分，并设计起振电路使QCM传感器谐振;在FPGA中设计并实现温度与湿度的数据采集;通过Verilog-HDL硬件描述语言编写D触发器实现差频法消除了部分温漂误差，设计频率计对差频信号进行测频;使用最小二乘法对实验数据分别进行了线性与二次项函数拟合并选择更精确的拟合函数，采用SOPC技术搭建NiosⅡ软核并在软核内通过拟合函数实现差频频率到相对湿度的转化，并根据不同湿度环境设计按键来进行低湿、高湿测量的转换;在NiosⅡ环境中编程控制液晶屏，将转化生成的相对湿度值显示在系统下位机，同时控制蓝牙将数据传输至系统上位机，系统上位机采用VS2010开发，可以进行串口通信控制、数据实时显示、动态曲线显示、湿度超标报警、历史数据存储、查询以及Excel文件的导出等功能。
　　通过对系统进行测试，结果表明本系统在低湿环境中可以进行较为准确的测量，同时本系统也可以在其余相对湿度范围下进行工作;另外，本文针对低湿环境的密闭性进行无线传输测试，搭建了电气设备SF6模拟环境，结果表明本系统可以在金属密闭环境中工作。综上，系统实现了对低湿密闭环境的测量，同时也可以在中高相对湿度下进行工作，拓宽了湿度传感系统在低湿的测量范围，同时针对如SF6介质气体湿度测量具体应用环境进行模拟，取得了一定的效果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究进展

1．2．1 低湿范围检测研究进展

1．2．2 Nafion湿敏材料研究进展

1．2．3 QCM传感器低湿研究进展

1．2．4 湿度传感系统研究进展

1．3 本文的主要内容及结构安排

第2章 系统总体设计

2．1 系统设计的目的与意义

2．2 QCM低湿传感器设计方案及原理

2．2．1 相对湿度相关概念

2．2．2 湿敏材料选择方案

2．2．3 Nafion湿敏原理

2．2．4 石英晶体压电效应

2．2．5 QCM低湿传感器工作原理

2．3 低湿测试环境搭建方法

2．3．1 低湿环境搭建

2．3．2 低湿测试系统的搭建

2．4 传感系统总体设计方案

2．4．1 系统下位机总体设计

2．4．2 无线传输方案选择

2．4．3 上位机需求分析及总体设计

2．5 本章小结

第3章 QCM低湿传感器的制备及湿敏特性

3．1 QCM低湿传感器的制备

3．1．1 实验材料与设备

3．1．2 QCM低湿传感器的制作

3．2 QCM低湿传感器在10％RH以下的性能研究

3．2．1 基于Nafion的QCM低湿传感器低湿特性

3．2．2 1．2μL样品湿敏特性曲线

3．2．3 重复性

3．2．4 响应时间

3．2．5 短期稳定性

3．3 QCM低湿传感器在11．3～97．3％RH相对湿度下湿敏特性

3．3．1 QCM低湿传感器湿敏特性

3．3．2 湿滞特性

3．3．3 响应时间

3．3．4 短期稳定性

3．4 QCM低湿传感器性能总结

3．5 本章小结

第4章 QCM低湿无线传感系统设计

4．1 系统外围电路设计

4．1．1 QCM振荡电路设计

4．1．2 电源稳压电路设计

4．1．3 下位机显示电路设计

4．2 传感器采集模块设计

4．2．1 湿度传感器测频电路

4．2．2 温度采集模块设计

4．3 系统软核设计

4．3．1 NiosⅡ软核设计

4．3．2 系统软件设计

4．4 系统无线传输电路

4．4．1 蓝牙发送硬件电路设计

4．4．2 蓝牙发送软件设计

4．5 系统上位机设计

4．5．1 串口通信模块

4．5．2 数据实时监测与动态曲线显示

4．5．3 历史数据的查询与导出

4．6 系统测量准确性优化

4．6．1 差频法进行温度补偿

4．6．2 传感器测湿函数拟合

4．7 本章小结

第5章 系统测试及结果分析

5．1 QCM低湿无线传感系统测试

5．1．1 QCM低湿无线传感系统的搭建

5．1．2 SF6介质模拟环境传输可靠性测试

5．1．3 系统联合测试

5．2 误差分析

5．3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文