基于HS1101的濕度傳感器及其變送器的設(shè)計

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(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。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(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。