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接诟袧癫牧虾螅淖杩?、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%～100%RH,，電容量由162PF 變到200PF，其誤差不大于±2%RH,；響應(yīng)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(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：

　　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(dāng)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(zhuǎn)換成電壓的變化，我們設(shè)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(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，這是一個非對稱多諧振蕩器,?；?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/非門" title="非門" target="_blank">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(zhuǎn)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(fù)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(shè)計中我們用兩片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(fù)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(shè)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(zhuǎn)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(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。

　　當(dāng)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(fù)載RL 用于將傳送的4～20mA 的電流轉(zhuǎn)換為電壓,，供后級處理。選擇負(fù)載阻抗RL,，應(yīng)使得輸出在4～20mA 范圍內(nèi)變化時,，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

　　我們對所設(shè)計的濕度傳感器進(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,，具有溫度補償,，提高了傳感器的精度，傳輸距離遠(yuǎn)，防靜電特點,，所以有很大的推廣價值,。