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湿度传感器的开展趋向


在工农业消费、气候、环保、国防、科研、航天等部门,经常需求对环境湿度停止丈量及控制。但在常规的环境参数中,湿度是最难精确丈量的一个参数。用干湿球湿度计或毛发湿度计来丈量湿度的办法,早已无法满足现代科技开展的需求。这是由于丈量湿度要比丈量温度复杂的多,温度是个独立的被丈量,而湿度却受其他要素(大气压强、温度)的影响。此外,湿度的规范也是一个难题。国外消费的湿度标定设备价钱非常昂贵。   近年来,国内外在湿度传感器研发范畴获得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向疾速开展,为开发新一代湿度/温度测控系统发明了有利条件,也将湿度丈量技术进步到新的程度。   1 湿敏元件的特性   湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要电阻式、电容式两大类。   1.1 湿敏电阻   湿敏电阻的特性是在基片上掩盖一层用感湿资料制成的膜,当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时,元件的电阻率和电阻值都发作变化,应用这一特性即可丈量湿度。湿敏电阻的品种很多,例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵活度高,主要缺陷是线性度和产品的互换性差。   1.2 湿敏电容   湿敏电容普通是用高分子薄膜电容制成的,常用的高分子资料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。当环境湿度发作改动时,湿敏电容的介电常数发作变化,使其电容量也发作变化,其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵活度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易完成小型化和集成化,其精度普通比湿敏电阻要低一些。国外消费湿敏电容的主厂家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。以Humirel公司消费的SH1100型湿敏电容为例,其丈量范围是(1%~99%)RH,在55%RH时的电容量为180pF(典型值)。当相对湿度从0变化到100%时,电容量的变化范围是163pF~202pF。温度系数为0.04pF/℃,湿度滞后量为±1.5%,响应时间为5s。   除电阻式、电容式湿敏元件之外,还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件(应用感湿膜重量的变化来改动振荡频率)、光强型湿敏元件、声外表波湿敏元件等。湿敏元件的线性度及抗污染性差,在检测环境湿度时,湿敏元件要长期暴露在待测环境中,很容易被污染而影响其丈量精度及长期稳定性。   表1 集成湿度传感器的主要技术指标   2 集成湿度传感器的性能特性及产品分类   目前,国外消费集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Honeywell公司(HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型),Humirel公司(HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型),Sensiron公司(SHT11、SHT15型)。这些产品可分红以下三品种型:   2.1 线性电压输出式集成湿度传感器   典型产品有HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特性是采用恒压供电,内置放大电路,能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号,响应速度快,反复性好,抗污染才能强。   2.2 线性频率输出集成湿度传感器   典型产品为HF3223型。它采用模块式构造,属于频率输出式集成湿度传感器,在55%RH时的输出频率为8750Hz(型值),当上对湿度从10%变化到95%时,输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。这种传感用具有线性度好、抗干扰才能强、便于配数字电路或单片机、价钱低等优点。   2.3 频率/温度输出式集成湿度传感器   典型产品为HTF3223型。它除具有HF3223的功用以外,还增加了温度信号输出端,应用负温度系数(NTC)热敏电阻作为温度传感器。当环境温度变化时,其电阻值也相应改动并且从NTC端引出,配上二次仪表即可丈量出温度值。   3 单片智能化温度/温度传感器   2002年Sensiron公司在世界上率先研制胜利SHT11、SHT15型智能化温度/温度传感器,其外形尺寸仅为7.6(mm)×5(mm)×2.5(mm),体积与火柴头相近。出厂前,每只传感器都在温度室中做过精细规范,规范系数被编成相应的程序存入校准存储器中,在丈量过程中可对相对湿度停止自动校准。它们不只能精确丈量相对温度,还能丈量温度和露点。丈量相对温度的范围是0~100%,分辨力达0.03%RH,最高精度为±2%RH。丈量温度的范围是-40℃~+123.8℃,分辨力为0.01℃。丈量露点的精度<±1℃。在丈量湿度、温度时A/D转换器的位数分别可达12位、14位。应用降低分辨力的办法能够进步丈量速率,减小芯片的功耗。SHT11/15的产品互换性好,响应速度快,抗干扰才能强,不需求外部元件,适配各种单片机,可普遍用于医疗设备及温度/湿度调理系统中。   芯片内部包含相对湿度传感器、温度传感器、放大器、14位A/D转换器、校准存储器(E2PROM)、易失存储器(RAM)是、状态存放器、循环冗余校验码(CRC)存放器、二线串行接口、控制单元、加热器及低电压检测电路。其丈量原理是首先应用两只传感器分别产生相对湿度、温度的信号,然后经过放大,分别送至A/D转换器停止模/数转换、校准和纠错,最后经过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至μC。鉴于SHT11/15输出的相对湿度读数值与被测相对湿度呈非线性关系,为取得相对湿度的精确数据,必需应用μC对读数值停止非线性补偿。此外当环境温度TA≠+25℃时,还需求对相对湿度传感器停止温度补偿。   芯片内部有一个加热器。将状态存放器的第2位置“1”时该加热器接通电源,可使传感器的温度大约升高5℃,电源电流亦增加8mA(采用+5V电源)。运用加热器可完成以下三种功用:①经过比拟加热前后测出的相对湿度值及温度值,可肯定传感器能否正常工作;②在湿润环境下运用加热器,可防止传感器凝露;③丈量露点时也需求运用加热器。   露点也是湿度丈量中的一个重要参数,它表示在水汽冷却过程中最初发作结露的温度。为了计算露点,Sensirion公司还向用户提供一个丈量露点的程序“SHT xdp.bsx”。应用该程序能够控制内部加热器的通、断,再依据所测得的温度值及相对湿度值计算出露点。在命令响应界面上运转此程序时,计算机屏幕上就显现提示符“>”。用户首先从键盘上输入字母“S”,然后输入相应的数字,即可取得下述结果:   输入数字“1”时,丈量并显现出摄氏温度dgC=xx.x;   输入数字“2”时,丈量并显现出相对湿度%RH=xx.x;   输入数字“3”时,翻开加热器,使传感器温度升高5℃;   输入数字“4”时,关闭加热器,使传感器降温;   输入数字“5”时,显现露点温度dpC=xx.x。   4 集成湿度传感器典型产品的技术指标   集成湿度传感器典型产品的主要标详见表1。由表可见,集成湿度传感器的丈量范围普通可到达0~100%。但有的厂家为保证精度指标而将丈量范围限制为10%~95%。设计+3.3V低压供电的湿度/温度测试系统时,可选用SHT11、SHT15传感器。这种传感器在丈量阶段的工作电流为550μA,均匀工作电流为28μA(12位)或2μA(8位)。上电时默许为休眠形式(Sleep Mode),电源电流仅为0.3μA(典型值)。丈量终了只需没有新的命令,就自动返回休眠形式,能使芯片功耗降至最低。此外,它们还具有低电压检测功用。当电源电压低于+2.45V±0.1V时,状态存放器的第6位立刻更新,使芯片不工作,从而起到了维护作用。


 
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