濕度傳感器的信號調(diào)節(jié)功能分析

濕度是空氣中水蒸氣量的術(shù)語。相對濕度(RH)定義為在給定溫度下水蒸氣的分壓(在空氣和水蒸氣的氣體混合物中)與水的飽和蒸氣壓之比。因此，簡單地說，RH是特定溫度下空氣中水蒸氣的量，與在給定溫度下空氣能夠保持而不會冷凝的最大水蒸氣相比。它是天氣預報中的一個重要指標，因為它是降水，露水或霧的可能性的指標。

濕度傳感器的類型

濕度傳感器通常是電容式或電阻式。電容式傳感器具有比電阻式傳感器更線性的響應(這些傳感器幾乎具有對數(shù)響應，但在低濕度下具有高靈敏度)。電容式傳感器也可用于0至100%相對濕度的整個范圍，其中電阻元件通常限制在約20%至90%的相對濕度。

電容式相對濕度傳感器通常使用經(jīng)過工業(yè)驗證的熱固性聚合物，三層電容結(jié)構(gòu)，鉑電極，除高溫版本外，其中一些還具有片上硅集成電壓輸出信號調(diào)理功能。這些傳感器工作在ΔC或電容隨濕度變化。交流激勵而不是DC用于防止極化。

電容式傳感器信號調(diào)理

多電路架構(gòu)可與電容式濕度傳感器配合使用。在這些設(shè)計中，在印刷電路板的布局過程中必須格外小心。必須在布局中最小化任何雜散電容，因為任何增加的電容將充當與傳感器的并聯(lián)電容并產(chǎn)生測量誤差。

建議對印刷電路板和元件進行仔細的保形涂層，以防止555定時器的FOUT出現(xiàn)意外偏差，特別是在高濕度條件下。

第一個也是最簡單的是電容 - 頻率轉(zhuǎn)換電路。圖1顯示了使用霍尼韋爾HCH-1000系列的電路圖，霍尼韋爾HCH-1000系列是一種基于聚合物的傳感器，具有ΔC形狀因子。

圖1：使用簡單555定時器的電容到頻率轉(zhuǎn)換電路。 (霍尼韋爾提供。)

HCH-1000是一個連接到THRES和TRIG引腳的可變電容。 RV是一個可變電阻，可以補償HCH-1000基本電容的輸出頻率。外部電容通過R1 +(Rv + R2)充電并通過(Rv + R2)放電。因此，如果占空比接近50%，則可以通過這兩個電阻的比率精確地設(shè)置占空比。因此，頻率與電源電壓無關(guān)。該方法的精度小于±3.9%RH。

接下來，我們有一個電壓輸出電路，由兩個555定時器產(chǎn)生，圖2中的第一個定時器提供一個連續(xù)的定時脈沖來觸發(fā)第二個定時器，它工作在脈沖寬度調(diào)制(PWM)模式。第二個定時器頻率輸出進入低通濾波器(LPF)和由雙LM2904運算放大器組成的放大器。該電路方法稱為一點校準電壓輸出。這使得電壓輸出的精度小于±2.7%RH。

圖2：電容電壓轉(zhuǎn)換架構(gòu)中的單點校正電路。 (霍尼韋爾提供。)

然后，為了獲得最佳精度，使用兩點校準方法(如圖3所示)，精度小于+/- 0.5%RH。

圖3：電容電壓轉(zhuǎn)換架構(gòu)中的兩點校正電路。 (霍尼韋爾提供。)

最后，還有ADI公司的AD7147等電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它提供了一種高度集成的方法，可使用電容式濕度傳感器將電容轉(zhuǎn)換為數(shù)字串行輸出直接連接到它的輸入。

作為針對特定但廣受歡迎的產(chǎn)品領(lǐng)域的最終電容式濕度傳感器解決方案，TDK擁有一系列帶有NB系列器件的超聲波霧化器單元。它們與電子設(shè)備完全集成，可隨時安裝到霧化器產(chǎn)品設(shè)計中。

電阻式濕度傳感器

電阻式濕度傳感器³可選陶瓷或聚合物結(jié)構(gòu)。電阻式濕度傳感器通常由吸濕(吸收水分)介質(zhì)組成，例如導電鹽或沉積在非導電基底上的貴金屬電極上的聚合物。

當傳感器存在水蒸氣時，它會被吸收，導致功能性離子基團解離，導致電導率增加。響應時間很慢，范圍從10到30秒，步長變化為63%。

大多數(shù)電阻式傳感器使用交流激勵來防止傳感器極化。產(chǎn)生的電流被整流并轉(zhuǎn)換成DC，然后可以進行線性化并根據(jù)需要進行放大。施加到橋的AC信號范圍從30Hz到10kHz。例如，考慮具有電壓輸出的TDK CHS系列集成電阻式濕度傳感器。

電阻式傳感器信號調(diào)理

如果需要采用分立式設(shè)計，可以使用1 kHz AC正弦波來激勵包含電阻式濕度傳感器的半橋。輸出電壓與上電阻和電阻傳感器建立的分壓電壓成正比。電阻濕度傳感器用AC信號而不是DC電壓激勵，以防止傳感器極化。

通過分壓器將DC基座電壓施加到反相輸入。通過儀表放大器從AC電壓中減去該DC電壓，并且在輸出端出現(xiàn)差電壓。 DC電平確保兩個輸入端的差電壓隨著電壓差的增加而導致輸出電壓增加。

然后將AC橋式放大器的輸出交流耦合，以去除DC內(nèi)容，到達執(zhí)行全波整流功能的絕對值電路。然后將整流電壓施加到雙極低通濾波器的輸入端。這消除了大部分1 kHz的紋波。由于濕度傳感器通過濕度水平的線性變化產(chǎn)生高度非線性的電阻變化，因此輸出電壓也是非線性的?？梢圆捎冒▽?shù)放大器來幫助改善輸出電壓與濕度響應。

溫度對基于吸收的濕度傳感器的影響

所有類型的基于吸收的濕度傳感器的輸出，無論是電容式，體電阻式，導電薄膜等，都受溫度1和相對濕度百分比的影響( %RH)。因此，溫度補償必須用于需要更高精度或?qū)捁ぷ鳒囟确秶h(huán)境的應用中。

溫度測量裝置應盡可能靠近濕度傳感器的有效區(qū)域，特別是在將RH和溫度結(jié)合作為測量露點的方法時。大多數(shù)工業(yè)級濕度和露點儀器在陶瓷傳感器基板背面使用1，000Ω鉑RTD。