基于HS1101 的湿度传感器及其变送器的设计

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。

 

 

湿度传感器输出的0～3V 电压通过XTR105 芯片的2 和13 引脚输入。调整3 和4 引脚间的电阻RG和RG1 的值，可以改变XTR105 芯片的内置仪表放大器增益值，从而选定合适的测量范围。RCM 取为1KO，它提供一个附加电压降，使XTR105 的输入电压限制在共模方式下的电压范围内。与RCM 并联的0.01μF 旁路电容用于降低共模噪声。整个装置的电压，电流传递函数为：

 

 

其中Rm=RG·RG1/(RG+RG1)，VIN 是VIN+(13 引脚)，VIN-(2 引脚)两端输入电压。VREG 引脚(11引脚)还专门为外部电路提供5.1V 的精密电压，11引脚最大输出电流为1mA，超过1mA 会影响到零输出电流。

三极管Q1 是4～20mA 电流回路的主要电流传导器件，用于吸收回路中的大部分电流。该器件将外部电源电流与XTR105 的内部消耗严格分开。由于外接三极管位于反馈回路中，其参数不能在临界点。

当电源电压低于36V 时，功耗可低一些。IN4048 接成的桥式电路可以保证XTR105 的电源极性不反接，从而真正实现两线制。C2 为去耦电容，其值是0.01μF，用于降低高频干扰。负载RL 用于将传送的4～20mA 的电流转换为电压，供后级处理。选择负载阻抗RL，应使得输出在4～20mA 范围内变化时，引脚7 和引脚8 之间的电压保持在11.6V～40V 的电源电压范围内。也可以由下式确定最大的RL：

 

 

所以取 RL=250Ω。

5 结语

我们对所设计的湿度传感器进行了准确度测量。将湿度传感器置入TERCHY 公司的MHU-SA 恒温恒湿箱内，用VAISALA 公司的HMP143A 高精度湿度测量仪及万用表对湿度传感器输出信号进行测量，结果见表1。从表1 的测试结果可以看出：该传感器的测量准确度达到了±2.5%以内。

基于HS1101 的湿度传感器及XTR105 变送器设计的电路性能好，线性度高，年漂移量小，可以互换，体积小。而且可在宽温度，全湿度范围内进行测量，具有温度补偿，提高了传感器的精度，传输距离远，防静电特点，所以有很大的推广价值。