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(yù)報中的一個重要指標(biāo)，因為它是降水，露水或霧的可能性的指標(biāo)。

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(yīng)(這些傳感器幾乎具有對數(shù)響應(yīng)，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(dāng)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(jìn)行仔細(xì)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(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(dǎo)電鹽或沉積在非導(dǎo)電基底上的貴金屬電極上的聚合物。

當(dāng)傳感器存在水蒸氣時，它會被吸收，導(dǎo)致功能性離子基團(tuán)解離，導(dǎo)致電導(dǎo)率增加。響應(yīng)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(jìn)行線性化并根據(jù)需要進(jìn)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(dǎo)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(dá)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(yīng)。

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(dǎo)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(yīng)用中。

溫度測量裝置應(yīng)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。