濕度傳感器及其變送器設(shè)計(jì)方案

　　1、引言
　　
　　濕度傳感器是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍空氣中吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，從而獲得該物質(zhì)的吸水量和周圍空氣的濕度。
　　
　　濕度傳感器分為電阻式和電容式兩種，產(chǎn)品的基本形式都是在基片涂覆感濕材料形成感濕膜。空氣中的水蒸汽吸附于感濕材料后，元件的阻抗、介質(zhì)常數(shù)發(fā)生很大的變化，從而制成濕敏元件。濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，由于它具有靈敏度高、產(chǎn)品互換性好、響應(yīng)速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實(shí)現(xiàn)小型化和集成化，其精度一般比濕敏電阻要低一些。但電阻對溫度的敏感因而限制了器件在較大溫度范圍內(nèi)的應(yīng)用，因而電容濕度傳感器越來越受到重視。
　　
　　2、濕敏元件及變送器芯片特性
　　
　　目前，生產(chǎn)濕敏電容的主要廠家是法國Humirel公司。它生產(chǎn)的HS1101測量范圍是0%～RH，電容量由162PF變到200PF，其誤差不大于±2%RH；響應(yīng)時(shí)間小于5S；濕度系數(shù)為0.34PF/℃；年漂移量0.5%RH/年，長期穩(wěn)定。圖1為HS1101濕敏電容的濕度-電容響應(yīng)曲線。
　　
　　濕度變送器采用了美國BB公司生產(chǎn)的XTR105芯片，該變送器具有以下特點(diǎn)：a工作范圍寬；b測量精度高；c電路簡單；d可靠性好，使用壽命長；e抗*力強(qiáng)；f工作溫度范圍寬（-40～+85℃）。　　
　　3、濕度測量電路
　　
　　HS1101在電路中相當(dāng)于一個(gè)電容器件，它的電容量隨著所測空氣濕度的增加而增大，為了能將電容的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，我們設(shè)計(jì)了振蕩電路、消除零點(diǎn)電容影響電路、整流電路、積分電路、電壓—電流轉(zhuǎn)換電路、放大電路等，其工作原理簡圖如圖2所示。　　
　　3.1振蕩電路
　　
　　振蕩電路的作用是將電容的變化量轉(zhuǎn)化為頻率可變的方波。由圖3可知，這是一個(gè)非對稱多諧振蕩器?；蚍情TG1工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，把它的輸出電壓直接連接到或非門G2的輸入端。G2即可得到一個(gè)介于高低電平之間的靜態(tài)偏置電壓，從而使G2的靜態(tài)工作點(diǎn)也處于電壓傳輸特性轉(zhuǎn)折區(qū)上。反饋環(huán)路中電容使電路在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間往復(fù)振蕩。
　　
　　由于電容充放電的時(shí)間T為2.2RC，所以輸出的方波頻率：可見輸出頻率和電容值成反比。通過這個(gè)電路使?jié)穸刃盘?hào)變?yōu)殡娙葜?，zui后變?yōu)轭l率信號(hào)輸出。
　　
　　3.2消除零點(diǎn)電容
　　
　　需要指出的是，圖3所示的濕度傳感器零點(diǎn)電容比較大，靈敏度不夠高，濕度從0%～RH，電容的變化量不超過30～50PF。為此，將零點(diǎn)電容消除掉，在實(shí)際設(shè)計(jì)中我們用兩片CMOS4001集成電路對圖3進(jìn)行改造，具體見圖4。　　
　　A、B、C、D四個(gè)點(diǎn)的波形如圖5所示。由圖4中U1的4個(gè)或非門組合邏輯可知：
只要調(diào)整C的脈沖寬度，就可以得到D的脈沖寬度，從而可以消除零點(diǎn)電容，經(jīng)過調(diào)制的電容變化信號(hào)也就是濕度信號(hào)。將同一封裝內(nèi)的門電路U2A、U2B、U2C、U2D并聯(lián)使用，可以擴(kuò)大CMOS門電路輸出低電平時(shí)吸收負(fù)載電流的能力。
　　
　　3.3線性輸出信號(hào)調(diào)理
　　
　　電路濕度的脈沖信號(hào)再經(jīng)過后面的二極管整流、RC積分電路，得到隨溫度變化的電壓。由于信號(hào)比較微弱，再經(jīng)過一個(gè)同向比例放大器把信號(hào)放大，zui終把信號(hào)調(diào)理為0～3V的輸出。　　
　　4、濕度變送器的設(shè)計(jì)
　　
　　在工業(yè)現(xiàn)場，采集到的信號(hào)經(jīng)長線傳輸時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生以下問題：由于傳輸?shù)男盘?hào)是電壓信號(hào)，傳輸線會(huì)受到噪聲的干擾；傳輸線的分布電阻會(huì)產(chǎn)生電壓降。為了解決這些問題，通常用電流來傳輸信號(hào)，這就用到了變送器。
　　
　　本文采用了美國BB公司生產(chǎn)的XTR105作為濕度變送器的芯片，把濕度傳感器輸入的0～3V電壓轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流信號(hào)輸出。其電路如圖7所示。　　
　　濕度傳感器輸出的0～3V電壓通過XTR105芯片的2和13引腳輸入。調(diào)整3和4引腳間的電阻RG和RG1的值，可以改變XTR105芯片的內(nèi)置儀表放大器增益值，從而選定合適的測量范圍。RCM取為1KO，它提供一個(gè)附加電壓降，使XTR105的輸入電壓限制在共模方式下的電壓范圍內(nèi)。與RCM并聯(lián)的0.01μF旁路電容用于降低共模噪聲。整個(gè)裝置的電壓，電流傳遞函數(shù)為：　　
　　其中Rm=RG·RG1/（RG+RG1），VIN是VIN+（13引腳），VIN-（2引腳）兩端輸入電壓。VREG引腳（11引腳）還專門為外部電路提供5.1V的精密電壓，11引腳zui大輸出電流為1mA，超過1mA會(huì)影響到零輸出電流。
　　　　
　　所以取RL=250Ω。
　　
　　5、結(jié)語
　　
　　我們對所設(shè)計(jì)的濕度傳感器進(jìn)行了準(zhǔn)確度測量。將濕度傳感器置入TERCHY公司的MHU-SA恒溫恒濕箱內(nèi)，用VAISALA公司的HMP143A高精度濕度測量儀及萬用表對濕度傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行測量，結(jié)果見表1。從表1的測試結(jié)果可以看出：該傳感器的測量準(zhǔn)確度達(dá)到了±2.5%以內(nèi)。　　
　　基于HS1101的濕度傳感器及XTR105變送器設(shè)計(jì)的電路性能好，線性度高，年漂移量小，可以互換，體積小。而且可在寬溫度，全濕度范圍內(nèi)進(jìn)行測量，具有溫度補(bǔ)償，提高了傳感器的精度，傳輸距離遠(yuǎn)，防靜電特點(diǎn)，所以有很大的推廣價(jià)值。