基于HS1101的湿度传感器及其变送器的设计

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1引言
　　湿度传感器是根据某种物质从其周围空气中吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，从而获得该物质的吸水量和周围空气的湿度。
　　湿度传感器分为电阻式和电容式两种，产品的基本形式都是在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，由于它具有灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。但电阻对温度的敏感因而限制了器件在较大温度范围内的应用，因而电容湿度传感器越来越受到重视。
　　2 湿敏元件及变送器芯片特性
　　目前， 生产湿敏电容的主要厂家是法国Humirel 公司。它生产的HS1101 测量范围是0%～100%RH，电容量由162PF 变到200PF，其误差不大于±2%RH；响应时间小于5S；湿度系数为0.34PF/℃；年漂移量0.5%RH/年，长期稳定。图1 为HS1101 湿敏电容的湿度-电容响应曲线。
　　湿度变送器采用了美国 BB 公司生产的XTR105芯片，该变送器具有以下特点：
　　a 工作范围宽；
　　b 测量精度高；
　　c 电路简单；
　　d 可靠性好，使用寿命长；
　　e 抗干扰能力强；
　　f 工作温度范围宽（-40～+85℃）


　　3 湿度测量电路
　　HS1101在电路中相当于一个电容器件，它的电容量随着所测空气湿度的增加而增大，为了能将电容的变化转换成电压的变化，我们设计了振荡电路、消除零点电容影响电路、整流电路、积分电路、电压—电流转换电路、放大电路等，其工作原理简图如图2 所示。


　　3.1 振荡电路
　　振荡电路的作用是将电容的变化量转化为频率可变的方波。由图3 可知，这是一个非对称多谐振荡器。或非门G1 工作在电压传输特性的转折区，把它的输出电压直接连接到或非门G2 的输入端。G2即可得到一个介于高低电平之间的静态偏置电压，从而使G2 的静态工作点也处于电压传输特性转折区上。反馈环路中电容使电路在两个暂稳态之间往复振荡。
　　由于电容充放电的时间T为2.2RC，所以输出的方波频率：

可见输出频率和电容值成反比。通过这个电路使湿度信号变为电容值，最后变为频率信号输出。


　　3.2 消除零点电容
　　需要指出的是，图3 所示的湿度传感器零点电容比较大，灵敏度不够高，湿度从0%～100%RH，电容的变化量不超过30～50PF。为此，最好将零点电容消除掉，在实际设计中我们用两片CMOS4001 集成电路对图3 进行改造，具体见图4。


　　A、B、C、D 四个点的波形如图5 所示。由图4 中U1 的4 个或非门组合逻辑可知：



       只要调整C 的脉冲宽度，就可以得到D 的脉冲宽度，从而可以消除零点电容，经过调制的电容变化信号也就是湿度信号。将同一封装内的门电路U2A、U2B、U2C、U2D 并联使用，可以扩大CMOS 门电路输出低电平时吸收负载电流的能力。


　　3.3 线性输出信号调理
　　电路湿度的脉冲信号再经过后面的二极管整流、RC积分电路，得到随温度变化的电压。由于信号比较微弱，再经过一个同向比例放大器把信号放大，最终把信号调理为0～3Ｖ的输出。
　　4 湿度变送器的设计
　　在工业现场，采集到的信号经长线传输时，往往会产生以下问题：由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声的干扰；传输线的分布电阻会产生电压降。为了解决这些问题，通常用电流来传输信号，这就用到了变送器。
　　本文采用了美国BB 公司生产的XTR105 作为湿度变送器的芯片，把湿度传感器输入的0～3V 电压转换为4～20mA 的电流信号输出。其电路如图7 所示。