氧化钛湿敏元件建模及其优化方法研究

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1、分类号:学校代码:10128UDC:学号:20061216硕士学位论文类别：全日制硕士研究生题目：氧化钛湿敏元件建模及其优化方法研究英文题目：ResearchonModelingandOptimizationMethodofTitaniaHumiditySensor研究生：刘罡学科名称：控制理论与控制工程指导教师：李巴津教授二○○九年五月摘要实验选择高离子场强度的稀土离子掺杂纯氧化钛及其复合陶瓷，利用溶胶－凝胶法和烧结法在带电极的陶瓷基片上制作多孔厚膜以及薄膜，获得用于湿度测量的湿敏元件。通过前期工作证明：500℃烧结得到的纯TiO2薄

2、膜感湿性能较好。为了能够更好的研究湿度传感器的结构和性能，首先必须对湿敏元件建模。课题采用复阻抗法建立湿敏元件的电路模型。每一种确定的电路模型均存在与之相对应的复阻抗曲线，利用origin绘图软件绘制出实验数据对应的复阻抗特性曲线图，通过比对实验数据得到的复阻抗曲线与理想电路模型对应的复阻抗曲线，从而找出特性最为接近的曲线所对应的电路模型。结果表明，氧化钛湿敏元件的复阻抗曲线是由一个或两个半圆组成，或者其中的部分图形组成，可以等效为三个电阻和两个电容通过串-并联的方式组合而成的电路。然后，利用VB编程语言编写等效电路分析系统，通过试凑的

3、方法，分析等效电路的可行性，并通过改变各个参数值，分析出了各个参数对复阻抗曲线的影响：其中电阻分别改变曲线与实轴的坐标和曲线中圆弧的大小，电容改变曲线中圆弧的存在形式。优化方面采用两种方法。首先，用阻抗分析软件Zsimpwin，依据建立的等效电路模型，对氧化钛湿敏元件在不同湿度下的复阻抗测试结果进行拟合处理，并得出等效电路的有关参数；然后，通过matlab语言编程，尝试将最优化方法之一的“遗传算法”用于复阻抗数据拟合处理中，并对算法进行了相应的改进。同时，采用迭代方法计算出了等效电路的参数值。结果证明，改进的遗传算法应用于复阻抗数据拟合

4、中是可行的，所确立的等效电路模型是正确的。关键词：湿敏元件；建模；复阻抗分析；优化；遗传算法AbstractRareearthiondopedpureTitaniainhighionfieldintensityandcompositeceramicsarechosenintheexperiment.Sol-gelmethodandfrittingmethodareappliedinmakingporousthickfilmsandthinfilmsontheceramicsubstratesurfacewithelectrode,and

5、dewcellusinginhumiditymeasurementareconstructed.Dewcell’scircuitshouldbeprimarymodeledforabetterresearchofhumiditysensor'sstructureandperformance,andcompleximpendencemethodisusedinthepaper.Eachkindofdefiniteelectriccircuitmodelhasarelatedcompleximpedanceplot.Correspondin

6、gcompleximpedanceplotofempiricaldatumcanbedrawnbyOrigingraphicssoftware.Bycomparingthecompleximpedanceplotrelatedtoempiricaldatumwithidealelectriccircuitmodel,theelectriccircuitmodelwhichcharacteristicsmostcloselytotheplotcanbediscovered.TheresultsindicatethatTitaniahumi

7、ditysensorwhosecompleximpedanceplotiscomposedwithoneortwosemicircles,orpartofthem.Anequivalentcircuitmodelcanbeassociatedwiththreeresistorsandtwocapacitorswhichcombinedwithseries-parallelstyle.ThenequivalentcircuitanalysissystemisprogrammedbasedonVBprogramminglanguage.By

8、cutandtrymethod,thefeasibilityofequivalentcircuitisanalyzed,andtheinfluenceofeachparametertothecomplexi