摘? 要: 介紹濕敏元件的特性,重點闡述集成傳感器" title="濕度傳感器">濕度傳感器、單片智能化濕度/溫度傳感器的性能特點及產品分類,最后給出集成濕度傳感器典型產品的技術指標。

　　關鍵詞: 集成濕度傳感器? 單片智能濕度/溫度傳感器? 校準? 補償

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　　在工農業生產、氣象、環保、國防、科研、航天等部門,經常需要對環境濕度進行測量及控制。但在常規的環境參數中,濕度是最難準確測量的一個參數。用干濕球濕度計或毛發濕度計來測量濕度的方法,早已無法滿足現代科技發展的需要。這是因為測量濕度要比測量溫度復雜的多,溫度是個獨立的被測量,而濕度卻受其他因素(大氣壓強、溫度)的影響。此外,濕度的校準也是一個難題。國外生產的濕度標定設備價格十分昂貴。

　　近年來,國內外在濕度傳感器研發領域取得了長足進步。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數檢測的方向迅速發展,為開發新一代濕度/溫度測控系統創造了有利條件,也將濕度測量技術提高到新的水平。

1 濕敏元件的特性

　　濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類。

1.1 濕敏電阻

　　濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜,當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時,元件的電阻率和電阻值都發生變化,利用這一特性即可測量濕度。濕敏電阻的種類很多,例如金屬氧化物濕敏電阻、硅濕敏電阻、陶瓷濕敏電阻等。濕敏電阻的優點是靈敏度高,主要缺點是線性度" title="線性度">線性度和產品的互換性差。

1.2 濕敏電容

　　濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的,常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。當環境濕度發生改變時,濕敏電容的介電常數發生變化,使其電容量也發生變化,其電容變化量與相對濕度成正比。濕敏電容的主要優點是靈敏度高、產品互換性好、響應速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實現小型化和集成化,其精度一般比濕敏電阻要低一些。國外生產濕敏電容的主要廠家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。以Humirel公司生產的SH1100型濕敏電容為例,其測量范圍是(1%～99%)RH,在55%RH時的電容量為180pF(典型值)。當相對濕度從0變化到100%時,電容量的變化范圍是163pF～202pF。溫度系數為0.04pF/℃,濕度滯后量為±1.5%,響應時間為5s。

　　除電阻式、電容式濕敏元件之外,還有電解質離子型濕敏元件、重量型濕敏元件(利用感濕膜重量的變化來改變振蕩頻率)、光強型濕敏元件、聲表面波濕敏元件等。濕敏元件的線性度及抗污染性差,在檢測環境濕度時,濕敏元件要長期暴露在待測環境中,很容易被污染而影響其測量精度及長期穩定性。

2 集成濕度傳感器的性能特點及產品分類

　　目前,國外生產集成濕度傳感器的主要廠家及典型產品分別為Honeywell公司(HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型),Humirel公司(HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型),Sensiron公司(SHT11、SHT15型)。這些產品可分成以下三種類型:

2.1 線性電壓輸出式集成濕度傳感器

　　典型產品有HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特點是采用恒壓供電,內置放大電路,能輸出與相對濕度呈比例關系的伏特級電壓信號,響應速度快,重復性好,抗污染能力強。

2.2 線性頻率輸出式集成濕度傳感器

　　典型產品為HF3223型。它采用模塊式結構,屬于頻率輸出式集成濕度傳感器,在55%RH時的輸出頻率為8750Hz(典型值),當相對濕度從10%變化到95%時,輸出頻率就從9560Hz減小到8030Hz。這種傳感器具有線性度好、抗干擾能力強、便于配數字電路或單片機、價格低等優點。

2.3 頻率/溫度輸出式集成濕度傳感器

　　典型產品為HTF3223型。它除具有HF3223的功能以外,還增加了溫度信號輸出端,利用負溫度系數(NTC)熱敏電阻作為溫度傳感器。當環境溫度變化時,其電阻值也相應改變并且從NTC端引出,配上二次儀表即可測量出溫度值。

3?單片智能化濕度/溫度傳感器

　　2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT11、SHT15型智能化濕度/溫度傳感器,其外形尺寸僅為7.6(mm)×5(mm)×2.5(mm),體積與火柴頭相近。出廠前,每只傳感器都在濕度室中做過精密校準,校準系數被編成相應的程序存入校準存儲器中,在測量過程中可對相對濕度進行自動校準。它們不僅能準確測量相對濕度,還能測量溫度和露點。測量相對濕度的范圍是0～100%,分辨力達0.03%RH,最高精度為±2%RH。測量溫度的范圍是-40℃～+123.8℃,分辨力為0.1℃。測量露點的精度<±1℃。在測量濕度、溫度時A/D" title="A/D">A/D轉換器的位數分別可達12位、14位。利用降低分辨力的方法可以提高測量速率,減小芯片的功耗。SHT11/15的產品互換性好,響應速度快,抗干擾能力強,不需要外部元件,適配各種單片機,可廣泛用于醫療設備及溫度/濕度調節系統中。

　　芯片內部包含相對濕度傳感器、溫度傳感器、放大器、14位A/D轉換器、校準存儲器(E2PROM)、易失存儲器(RAM)、狀態寄存器" title="狀態寄存器">狀態寄存器、循環冗余校驗碼(CRC)寄存器、二線串行接口" title="串行接口">串行接口、控制單元、加熱器及低電壓檢測電路。其測量原理是首先利用兩只傳感器分別產生相對濕度、溫度的信號,然后經過放大,分別送至A/D轉換器進行模/數轉換、校準和糾錯,最后通過二線串行接口將相對濕度及溫度的數據送至μC。鑒于SHT11/15輸出的相對濕度讀數值與被測相對濕度呈非線性關系,為獲得相對濕度的準確數據,必須利用μC對讀數值進行非線性補償。此外當環境溫度TA≠+25℃時,還需要對相對濕度傳感器進行溫度補償。

芯片內部有一個加熱器。將狀態寄存器的第2位置“1”時該加熱器接通電源,可使傳感器的溫度大約升高5℃,電源電流亦增加8mA(采用+5V電源)。使用加熱器可實現以下三種功能:①通過比較加熱前后測出的相對濕度值及溫度值,可確定傳感器是否正常工作;②在潮濕環境下使用加熱器,可避免傳感器凝露;③測量露點時也需要使用加熱器。

　　露點也是濕度測量中的一個重要參數,它表示在水汽冷卻過程中最初發生結露的溫度。為了計算露點,Sensirion公司還向用戶提供一個測量露點的程序“SHT1xdp.bsx”。利用該程序可以控制內部加熱器的通、斷,再根據所測得的溫度值及相對濕度值計算出露點。在命令響應界面上運行此程序時,計算機屏幕上就顯示提示符“>”。用戶首先從鍵盤上輸入字母“S”,然后輸入相應的數字,即可獲得下述結果:

　　輸入數字“1”時,測量并顯示出攝氏溫度dgC=xx.x;

　　輸入數字“2”時,測量并顯示出相對濕度%RH=xx.x;

　　輸入數字“3”時,打開加熱器,使傳感器溫度升高5℃;

　　輸入數字“4”時,關閉加熱器,使傳感器降溫;

　　輸入數字“5”時,顯示露點溫度dpC=xx.x。

4 集成濕度傳感器典型產品的技術指標

　　集成濕度傳感器典型產品的主要技術指標詳見表1。由表可見,集成濕度傳感器的測量范圍一般可達到0～100%。但有的廠家為保證精度指標而將測量范圍限制為10%～95%。設計+3.3V低壓供電的濕度/溫度測試系統時,可選用SHT11、SHT15傳感器。這種傳感器在測量階段的工作電流為550μA,平均工作電流為28μA(12位)或2μA(8位)。上電時默認為休眠模式(Sleep Mode),電源電流僅為0.3μA(典型值)。測量完畢只要沒有新的命令,就自動返回休眠模式,能使芯片功耗降至最低。此外,它們還具有低電壓檢測功能。當電源電壓低于+2.45V±0.1V時,狀態寄存器的第6位立即更新,使芯片不工作,從而起到了保護作用。

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參考文獻

1 Sensirion Inc， SHT1x Humidity & Temperature Sensmitter， 2002.3

2 Honeywell公司、Humirel公司產品資料,2000-2003

3 沙占友.智能溫度傳感器的發展趨勢. 電子技術應用, 2002. №5