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[導讀]  1引言  濕度傳感器是根據(jù)某種物質從其周圍空氣中吸收水分后引起的物理或化學性質的變化,從而獲得該物質的吸水量和周圍空氣的濕度?! 穸葌鞲衅鞣譃殡娮枋胶碗娙菔絻煞N,產(chǎn)品的基本形式都是在基片涂覆感濕材

  1引言

  濕度傳感器是根據(jù)某種物質從其周圍空氣中吸收水分后引起的物理或化學性質的變化,從而獲得該物質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、響應速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實現(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%~100%RH,電容量由162PF 變到200PF,其誤差不大于±2%RH;響應時間小于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:

  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 抗干擾能力強;

  f 工作溫度范圍寬(-40~+85℃)


  3 濕度測量電路

  HS1101在電路中相當于一個電容器件,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換成電壓的變化,我們設計了振蕩電路、消除零點電容影響電路、整流電路、積分電路、電壓—電流轉換電路、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化為頻率可變的方波。由圖3 可知,這是一個非對稱多諧振蕩器?;蚍情TG1 工作在電壓傳輸特性的轉折區(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)工作點也處于電壓傳輸特性轉折區(qū)上。反饋環(huán)路中電容使電路在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間往復振蕩。

  由于電容充放電的時間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。通過這個電路使?jié)穸刃盘栕優(yōu)殡娙葜?,最后變?yōu)轭l率信號輸出。


  3.2 消除零點電容

  需要指出的是,圖3 所示的濕度傳感器零點電容比較大,靈敏度不夠高,濕度從0%~100%RH,電容的變化量不超過30~50PF。為此,最好將零點電容消除掉,在實際設計中我們用兩片CMOS4001 集成電路對圖3 進行改造,具體見圖4。


  A、B、C、D 四個點的波形如圖5 所示。由圖4 中U1 的4 個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,從而可以消除零點電容,經(jīng)過調(diào)制的電容變化信號也就是濕度信號。將同一封裝內(nèi)的門電路U2A、U2B、U2C、U2D 并聯(lián)使用,可以擴大CMOS 門電路輸出低電平時吸收負載電流的能力。



  3.3 線性輸出信號調(diào)理

  電路濕度的脈沖信號再經(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。由于信號比較微弱,再經(jīng)過一個同向比例放大器把信號放大,最終把信號調(diào)理為0~3V的輸出。

  4 濕度變送器的設計

  在工業(yè)現(xiàn)場,采集到的信號經(jīng)長線傳輸時,往往會產(chǎn)生以下問題:由于傳輸?shù)男盘柺请妷盒盘?,傳輸線會受到噪聲的干擾;傳輸線的分布電阻會產(chǎn)生電壓降。為了解決這些問題,通常用電流來傳輸信號,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 電壓轉換為4~20mA 的電流信號輸出。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引腳最大輸出電流為1mA,超過1mA 會影響到零輸出電流。

  三極管Q1 是4~20mA 電流回路的主要電流傳導器件,用于吸收回路中的大部分電流。該器件將外部電源電流與XTR105 的內(nèi)部消耗嚴格分開。由于外接三極管位于反饋回路中,其參數(shù)不能在臨界點。

  當電源電壓低于36V 時,功耗可低一些。IN4048 接成的橋式電路可以保證XTR105 的電源極性不反接,從而真正實現(xiàn)兩線制。C2 為去耦電容,其值是0.01μF,用于降低高頻干擾。負載RL 用于將傳送的4~20mA 的電流轉換為電壓,供后級處理。選擇負載阻抗RL,應使得輸出在4~20mA 范圍內(nèi)變化時,引腳7 和引腳8 之間的電壓保持在11.6V~40V 的電源電壓范圍內(nèi)。也可以由下式確定最大的RL:


  所以取 RL=250Ω。

  5 結語

  我們對所設計的濕度傳感器進行了準確度測量。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進行測量,結果見表1。從表1 的測試結果可以看出:該傳感器的測量準確度達到了±2.5%以內(nèi)。

  基于HS1101濕度傳感器及XTR105 變送器設計的電路性能好,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)進行測量,具有溫度補償,提高了傳感器的精度,傳輸距離遠,防靜電特點,所以有很大的推廣價值。


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