濕敏元件及變送器芯片特性

目前， 生產濕敏電容的主要廠家是法國Humirel 公司。它生產的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；濕度系數為0.34PF/℃；年漂移量0.5%RH/年，長期穩定。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℃）

 
圖1：HS1101濕度-電容響應曲線

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換成電壓的變化，我們設計了振蕩電路、消除零點電容影響電路、整流電路、積分電路、電壓—電流轉換電路、放大電路等，其工作原理簡圖如圖2 所示。

 
圖2：濕度檢測原理

振蕩電路

振蕩電路的作用是將電容的變化量轉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折區，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偏置電壓，從而使G2 的靜態工作點也處于電壓傳輸特性轉折區上。反饋環路中電容使電路在兩個暫穩態之間往復振蕩。

 
圖3：多諧振蕩電路

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，在實際設計中我們用兩片CMOS4001 集成電路對圖3 進行改造，具體見圖4。

 
圖4：濕度檢測振蕩電路

只要調整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，經過調制的電容變化信號也就是濕度信號。將同一封裝內的門電路U2A、U2B、U2C、U2D 并聯使用，可以擴大CMOS 門電路輸出低電平時吸收負載電流的能力。

 
圖5：振蕩電路波形

線性輸出信號調理

電路濕度的脈沖信號再經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，再經過一個同向比例放大器把信號放大，最終把信號調理為0～3Ｖ的輸出。

濕度變送器的設計

在工業現場，采集到的信號經長線傳輸時，往往會產生以下問題：由于傳輸的信號是電壓信號，傳輸線會受到噪聲的干擾；傳輸線的分布電阻會產生電壓降。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 電壓轉換為4～20mA 的電流信號輸出。其電路如圖7 所示。

 
圖6：濕度變送器電路圖

輸出的0～3V 電壓通過XTR105 芯片的2 和13 引腳輸入。調整3 和4 引腳間的電阻RG和RG1 的值，可以改變XTR105 芯片的內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。與RCM 并聯的0.01μF 旁路電容用于降低共模噪聲。

三極管Q1 是4～20mA 電流回路的主要電流傳導器件，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 的內部消耗嚴格分開。由于外接三極管位于反饋回路中，其參數不能在臨界點。

當電源電壓低于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，從而真正實現兩線制。C2 為去耦電容，其值是0.01μF，用于降低高頻干擾。負載RL 用于將傳送的4～20mA 的電流轉換為電壓，供后級處理。選擇負載阻抗RL，應使得輸出在4～20mA 范圍內變化時，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。

結語

我們對所設計的濕度傳感器進行了準確度測量。將濕度傳感器置入TERCHY 公司的MHU-SA 恒溫恒濕箱內，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行測量，結果見表1。從表1 的測試結果可以看出：該傳感器的測量準確度達到了±2.5%以內。