基于HS1101 的濕度傳感器及其變送器的設(shè)計(jì)

　　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?？諝庵械乃羝接诟袧癫牧虾?，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(duì)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(cè)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(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(cè)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(qiáng)；

　　f 工作溫度范圍寬（-40～+85℃）

　　3 濕度測(cè)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(cè)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?cè)O(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(duì)稱多諧振蕩器。或非門G1 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?，最后變?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%～100%RH，電容的變化量不超過30～50PF。為此，最好將零點(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(duì)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，最終把信號(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(cè)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引腳最大輸出電流為1mA，超過1mA 會(huì)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(dǎo)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(yán)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(diǎn)。

　　當(dāng)電源電壓低于36V 時(shí)，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(shí)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(fù)載RL 用于將傳送的4～20mA 的電流轉(zhuǎn)換為電壓，供后級(jí)處理。選擇負(fù)載阻抗RL，應(yīng)使得輸出在4～20mA 范圍內(nèi)變化時(shí)，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(jié)語

　　我們對(duì)所設(shè)計(jì)的濕度傳感器進(jìn)行了準(zhǔn)確度測(cè)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(cè)量儀及萬用表對(duì)濕度傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見表1。從表1 的測(cè)試結(jié)果可以看出：該傳感器的測(cè)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(cè)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。