基于聚乙烯醇材料石英音叉湿度传感系统的研究与设计

发布时间：2022-11-07 18:04

　　湿度检测技术在气候监测、智能制造、智慧农业、航空航天等领域发挥着重要的作用。针对兆赫兹频率级别输出的石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance,QCM）湿度传感器,虽然具有灵敏度高和响应速度快等优点,但存在体积大、功耗高、输出信号需要屏蔽缆线等问题。因此,本文通过对国内外技术现状和应用领域调研,提出以聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol,PVA）为湿敏材料,结合石英音叉谐振器,设计一种数字型湿度传感器,该传感器具有体积小、功耗低、灵敏度高等特点。本论文采用理论分析和实验验证相结合的方法进行传感器的研究与设计。首先,对石英音叉谐振器的工作机理进行阐述,在分析PVA材料与水分子感湿特性的基础上,将PVA涂覆在石英音叉臂的顶端,结合PVA对水分子吸附、脱附而导致石英音叉臂质量的微小变化,引起石英音叉谐振频率的偏移;根据石英音叉臂质量变化与石英音叉谐振频率偏移之间的湿敏特性,通过仿真建立传感器湿度频率特性关系曲线,完成湿度传感器机理的理论分析。其次,采用ABS外壳及松香树脂对传感器结构进行封装,完成传感器原型设计,同时将石英音叉谐振频率振荡和分频电路与微处理... 

【文章页数】：65 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 湿度传感器简介
        1.2.1 湿度表示方法
        1.2.2 湿度传感器相关特性参数
    1.3 国内外研究现状
        1.3.1 湿敏材料发展现状
        1.3.2 湿敏元件发展现状
        1.3.3 国内外湿度传感器发展现状
    1.4 主要研究内容
第2章 湿度传感器的敏感机理研究与设计
    2.1 石英音叉
        2.1.1 机械特性
        2.1.2 振动模式
        2.1.3 有限元分析
    2.2 湿敏材料
        2.2.1 聚乙烯醇
        2.2.2 亲水机理
    2.3 湿度传感器构成
    2.4 湿度传感器制备
        2.4.1 聚乙烯醇溶液制备
        2.4.2 石英音叉预处理
        2.4.3 湿敏材料涂覆与传感器封装
    2.5 传感系统方案设计
    2.6 本章小结
第3章 湿度传感系统设计
    3.1 频率采集系统设计
        3.1.1 主控电路设计
        3.1.2 振荡电路设计
        3.1.3 分频电路设计
        3.1.4 频率采集器设计
    3.2 网络节点系统设计
    3.3 数据可视化系统设计
        3.3.1 可视化方案设计
        3.3.2 局域网访问
        3.3.3 内网穿透
    3.4 本章小结
第4章 实验结果与分析
    4.1 测试环境搭建
        4.1.1 湿度标定方法
        4.1.2 频率采集客户端设计
    4.2 湿频特性分析
        4.2.1 静态特性分析
        4.2.2 动态特性分析
    4.3 本章小结
结论
参考文献
攻读学位期间发表的学术成果
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]硅基石墨烯纳米墙的制备及其湿度传感器的应用[J]. 张楠,李久荣,向鹏程,胡绪瑞,陈达,王刚.  材料科学与工程学报. 2020(01)
[2]单根Sb掺杂ZnO微米线非平衡电桥式气敏传感器的制作与性能[J]. 冯秋菊,石博,李昀铮,王德煜,高冲,董增杰,解金珠,梁红伟.  物理学报. 2020(03)
[3]基于马赫-曾德干涉的光纤湿度传感器[J]. 王勇能,沈常宇.  中国计量大学学报. 2019(04)
[4]MIL-125（Ti）及其氨基功能化材料修饰石英晶体微天平的湿敏性能[J]. 武月桃,樊煜,刘艳丽,徐甲强.  无机化学学报. 2019(04)
[5]无芯片RFID湿度传感器[J]. 王思睿,薛严冰,宋智,孟影.  仪器仪表学报. 2019(01)
[6]基于碳纳米管-纸纤维的电阻型湿度传感器[J]. 周培迪,林建平,陈鲁倬.  福建师范大学学报(自然科学版). 2018(06)
[7]Active-Thermal-Tunable Terahertz Absorber with Temperature-Sensitive Material Thin Film[J]. Zhao Zhang,Zhen Tian,Chao Chang,Xueguang Wang,Xueqian Zhang,Chunmei Ouyang,Jianqiang Gu,Jiaguang Han,Weili Zhang.  Nanotechnology and Precision Engineering. 2018(02)
[8]基于树莓派的远程水质监测系统设计[J]. 郭鹏飞,温志渝,周颖,刘海涛.  重庆理工大学学报(自然科学). 2018(04)
[9]基于LCP衬底的柔性湿度传感器研究（英文）[J]. 章丹,黄见秋,王立峰.  传感技术学报. 2017(10)
[10]压电陶瓷发电装置的能效优化系统设计[J]. 王曙光,李南,张小博.  压电与声光. 2017(06)

博士论文
[1]相对湿度及其动态变化对人体热舒适的影响研究[D]. 李超.重庆大学 2018
[2]石英音叉谐振式温度传感器及关键技术的研究[D]. 徐军.哈尔滨理工大学 2014

硕士论文
[1]基于倾斜光纤光栅的湿度传感器研究[D]. 刘斌.大连理工大学 2017
[2]一种聚酰亚胺（PI）感湿膜平行板电容式湿敏元件及其特性模拟研究[D]. 陈美娟.兰州交通大学 2015
[3]基于神经网络的FPGA温度补偿QCM湿度传感器系统设计[D]. 高古鹏.西南交通大学 2014
[4]基于沸石薄膜的QCM湿度传感器感湿特性研究[D]. 李东娟.哈尔滨工业大学 2013
[5]基于纳米氧化锌的湿敏石英谐振传感器的研究[D]. 周晓峰.华东师范大学 2007



本文编号：3704150