不同类型的湿度传感器信号调节功能分析

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所属分类:传感器技术
       湿度是空气中水蒸气量的术语。相对湿度(RH)定义为在给定温度下水蒸气的分压(在空气和水蒸气的气体混合物中)与水的饱和蒸气压之比。因此,简单地说,RH是特定温度下空气中水蒸气的量,与在给定温度下空气能够保持而不会冷凝的最大水蒸气相比。它是天气预报中的一个重要指标,因为它是降水,露水或雾的可能性的指标。
       湿度传感器的类型
       湿度传感器通常是电容式或电阻式。电容式传感器具有比电阻式传感器更线性的响应(这些传感器几乎具有对数响应,但在低湿度下具有高灵敏度)。电容式传感器也可用于0至100%相对湿度的整个范围,其中电阻元件通常限制在约20%至90%的相对湿度。
       电容式相对湿度传感器通常使用经过工业验证的热固性聚合物,三层电容结构,铂电极,除高温版本外,其中一些还具有片上硅集成电压输出信号调理功能。这些传感器工作在ΔC或电容随湿度变化。交流激励而不是DC用于防止极化。
       电容式传感器信号调理
       多电路架构可与电容式湿度传感器配合使用。在这些设计中,在印刷电路板的布局过程中必须格外小心。必须在布局中最小化任何杂散电容,因为任何增加的电容将充当与传感器的并联电容并产生测量误差。
       建议对印刷电路板和元件进行仔细的保形涂层,以防止555定时器的FOUT出现意外偏差,特别是在高湿度条件下。
       第一个也是最简单的是电容 - 频率转换电路。图1显示了使用霍尼韦尔HCH-1000系列的电路图,霍尼韦尔HCH-1000系列是一种基于聚合物的传感器,具有ΔC形状因子。
不同类型的湿度传感器信号调节功能分析
图1:使用简单555定时器的电容到频率转换电路
       HCH-1000是一个连接到THRES和TRIG引脚的可变电容。 RV是一个可变电阻,可以补偿HCH-1000基本电容的输出频率。外部电容通过R1 +(Rv + R2)充电并通过(Rv + R2)放电。因此,如果占空比接近50%,则可以通过这两个电阻的比率精确地设置占空比。因此,频率与电源电压无关。该方法的精度小于±3.9%RH。
       接下来,我们有一个电压输出电路,由两个555定时器产生,图2中的第一个定时器提供一个连续的定时脉冲来触发第二个定时器,它工作在脉冲宽度调制(PWM)模式。第二个定时器频率输出进入低通滤波器(LPF)和由双LM2904运算放大器组成的放大器。该电路方法称为一点校准电压输出。这使得电压输出的精度小于±2.7%RH。
不同类型的湿度传感器信号调节功能分析
图2:电容电压转换架构中的单点校正电路
       然后,为了获得最佳精度,使用两点校准方法(如图3所示),精度小于+/- 0.5%RH。
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图3:电容电压转换架构中的两点校正电路
       最后,还有ADI公司的AD7147等电容数字转换器,它提供了一种高度集成的方法,可使用电容式湿度传感器将电容转换为数字串行输出直接连接到它的输入。
       作为针对特定但广受欢迎的产品领域的最终电容式湿度传感器解决方案,TDK拥有一系列带有NB系列器件的超声波雾化器单元。它们与电子设备完全集成,可随时安装到雾化器产品设计中。
       电阻式湿度传感器
       电阻式湿度传感器³可选陶瓷或聚合物结构。电阻式湿度传感器通常由吸湿(吸收水分)介质组成,例如导电盐或沉积在非导电基底上的贵金属电极上的聚合物。
       当传感器存在水蒸气时,它会被吸收,导致功能性离子基团解离,导致电导率增加。响应时间很慢,范围从10到30秒,步长变化为63%。
       大多数电阻式传感器使用交流激励来防止传感器极化。产生的电流被整流并转换成DC,然后可以进行线性化并根据需要进行放大。施加到桥的AC信号范围从30Hz到10kHz。例如,考虑具有电压输出的TDK CHS系列集成电阻式湿度传感器。
       电阻式传感器信号调理
       如果需要采用分立式设计,可以使用1 kHz AC正弦波来激励包含电阻式湿度传感器的半桥。输出电压与上电阻和电阻传感器建立的分压电压成正比。电阻湿度传感器用AC信号而不是DC电压激励,以防止传感器极化。
      通过分压器将DC基座电压施加到反相输入。通过仪表放大器从AC电压中减去该DC电压,并且在输出端出现差电压。 DC电平确保两个输入端的差电压随着电压差的增加而导致输出电压增加。
       然后将AC桥式放大器的输出交流耦合,以去除DC内容,到达执行全波整流功能的绝对值电路。然后将整流电压施加到双极低通滤波器的输入端。这消除了大部分1 kHz的纹波。由于湿度传感器通过湿度水平的线性变化产生高度非线性的电阻变化,因此输出电压也是非线性的。可以采用包括对数放大器来帮助改善输出电压与湿度响应。
       温度对基于吸收的湿度传感器的影响
       所有类型的基于吸收的湿度传感器的输出,无论是电容式,体电阻式,导电薄膜等,都受温度1和相对湿度百分比的影响( %RH)。因此,温度补偿必须用于需要更高精度或宽工作温度范围环境的应用中。
       温度测量装置应尽可能靠近湿度传感器的有效区域,特别是在将RH和温度结合作为测量露点的方法时。大多数工业级湿度和露点仪器在陶瓷传感器基板背面使用1,000Ω铂RTD。
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