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濕度傳感器 發(fā)展趨勢(shì)淺析
2013-04-23 15:37:10
近年來(lái)，本國(guó)內(nèi)在濕度傳感器開(kāi)發(fā)范疇獲得了長(zhǎng)足提高。濕敏傳感器正從容易的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測(cè)的方向快速開(kāi)展，為開(kāi)發(fā)新一代濕度/溫度測(cè)控零碎締造了有利要求，也將濕度測(cè)量技巧進(jìn)步到新的程度。
1濕敏元件的特性
濕敏元件是非常容易的濕度傳感器。濕敏元件重要電阻式、電容式兩大類(lèi)。
1.1濕敏電阻
濕敏電阻的特點(diǎn)是在基片上掩蓋一層用感濕資料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)，元件的電阻率和電阻值都出現(xiàn)變化，應(yīng)用 這一特性便可測(cè)量濕度。濕敏電阻的品種很多，例如金屬氧化特濕敏電阻、硅濕敏電阻、陶瓷濕敏電阻等。濕敏電阻的長(zhǎng)處是靈敏度高，重要缺陷是線性度和產(chǎn)物的 互換性差。
1.2濕敏電容
濕敏電容普通是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子資料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酷酸醋酸纖維等。當(dāng)環(huán)境濕度出現(xiàn)改動(dòng)時(shí)，濕敏 電容 的介電常數(shù)出現(xiàn)變化，使其電容量也出現(xiàn)變化，其電容變化量與絕對(duì)濕度成反比。濕敏電容的重要長(zhǎng)處是靈敏度高、產(chǎn)物互換性好、呼應(yīng)速率快、濕度的滯后量小、 便于制造、輕易完成小型化和集成化，其精度普通比濕敏電阻要低少許。國(guó)外消費(fèi)濕敏電容的主廠家有Humirel公司、Philips公司、Siemens 公司等。以Humirel公司消費(fèi)的SH1100型濕敏電容為例，其測(cè)量領(lǐng)域是（1%～99%）RH，在55%RH時(shí)的電容量為180pF（典型值）。當(dāng) 絕對(duì)濕度從0變化到100%時(shí)，電容量的變化領(lǐng)域是163pF～202pF。溫度系數(shù)為0.04pF/℃，濕度滯后量為±1.5%，呼應(yīng)時(shí)刻為5s。
除電阻式、電容式濕敏元件之外，還有電解質(zhì)離子型濕敏元件、分量型濕敏元件（應(yīng)用感濕膜分量的變化來(lái)改動(dòng)振蕩頻率）、光強(qiáng)型濕敏元 件、聲外表波濕敏元件等。濕敏元件的線性度及抗凈化性差，在檢測(cè)環(huán)境濕度時(shí)，濕敏元件要臨時(shí)表露在待測(cè)環(huán)境中，很輕易被凈化而影響其測(cè)量精度及臨時(shí)穩(wěn)固 性。
2集成濕度傳感器的功能特點(diǎn)及產(chǎn)物分類(lèi)
目前，國(guó)外消費(fèi)集成濕度傳感器的重要廠家及典型產(chǎn)物辨別為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(chǎn)物可分紅以下三品種型：
2.1線性電壓輸入式集成濕度傳感器
典型產(chǎn)物有HIH3605/3610、HM1500/1520。其重要特點(diǎn)是采用恒壓供電，內(nèi)置縮小電路，能輸入與絕對(duì)濕度呈比例關(guān)系的伏特級(jí)電壓信號(hào)，呼應(yīng)速率快，反復(fù)性好，抗凈化才能強(qiáng)。
2.2線性頻率輸入集成濕度傳感器
典型產(chǎn)物為HF3223型。它采用模塊式構(gòu)造，屬于頻率輸入式集成濕度傳感器，在55%RH時(shí)的輸入頻率為8750Hz（型值），當(dāng)上對(duì)濕度從10%變化到95%時(shí)，輸入頻率就從9560Hz減小到8030Hz。
這種傳感用具有線性度好、抗攪擾才能強(qiáng)、便于配數(shù)字電路或單片機(jī)、價(jià)錢(qián)高等長(zhǎng)處。
2.3頻率/溫度輸入式集成濕度傳感器
典型產(chǎn)物為HTF3223型。它除具有HF3223的功效以外，還增長(zhǎng)了溫度信號(hào)輸入端，應(yīng)用負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻做為溫度傳感器。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，其電阻值也對(duì)應(yīng)改動(dòng)而且從NTC端引出，配上二次儀表便可測(cè)量出溫度值。
3單片智能化溫度/光纖溫度傳感器
2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT11、SHT15型智能化 溫度/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，每只傳感器都在溫度室中做過(guò)精細(xì)規(guī)范，規(guī)范系數(shù)被編成對(duì)應(yīng)的程序存入校準(zhǔn)存儲(chǔ)器 中，在測(cè)量進(jìn)程中可對(duì)絕對(duì)濕度實(shí)行主動(dòng)校準(zhǔn)。它們不只能精確測(cè)量絕對(duì)溫度，還能測(cè)量溫度和露點(diǎn)。測(cè)量絕對(duì)溫度的領(lǐng)域是0～100%，分辨力達(dá) 0.03%RH，max精度為±2%RH。測(cè)量溫度的領(lǐng)域是-40℃～+123.8℃，分辨力為0.01℃。測(cè)量露點(diǎn)的精度<±1℃。在測(cè)量濕度、溫 度時(shí)A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)辨別可達(dá)12位、14位。應(yīng)用降低分辨力的辦法能夠進(jìn)步測(cè)量速率，減小芯片的功耗。SHT11/15的產(chǎn)物互換性好，呼應(yīng)速率快， 抗攪擾才能強(qiáng)，不需求內(nèi)部元件，適配各類(lèi)單片機(jī)，可普遍用于醫(yī)療設(shè)備及溫度/濕度調(diào)理零碎中。
芯片外部包括絕對(duì)濕度傳感器、溫度傳感器、縮小器、14位A/D轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)存儲(chǔ)器 （E2PROM）、易失存儲(chǔ)器（RAM）是、狀 態(tài)存放器、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）存放器、二線串行接口、控制單元、加熱器及低電壓檢測(cè)電路。其測(cè)量原理是首先應(yīng)用兩只傳感器辨別發(fā)生絕對(duì)濕度、溫度的 信號(hào)，接著經(jīng)歷縮小，辨別送至A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)和糾錯(cuò)，最終經(jīng)過(guò)二線串行接口將絕對(duì)濕度及溫度的數(shù)據(jù)送至μC。鑒于SHT11/15輸入 的絕對(duì)濕度讀數(shù)值與被測(cè)絕對(duì)濕度呈非線性關(guān)系，為取得絕對(duì)濕度的精確數(shù)據(jù)，必需應(yīng)用μC對(duì)讀數(shù)值實(shí)行非線性補(bǔ)償。此外當(dāng)環(huán)境溫度TA≠+25℃時(shí)，還需求 對(duì)絕對(duì)濕度傳感器實(shí)行溫度補(bǔ)償。
芯片外部有一個(gè)加熱器。將形態(tài)存放器的第2地位“1”時(shí)該加熱器接通電源，可使傳感器 的溫度大約降低5℃，電源電流亦增長(zhǎng)8mA（采用+5V電源）。運(yùn)用加熱器可完成以下三種功效：①經(jīng)過(guò)比擬加熱前后測(cè)出的絕對(duì)濕度值及溫度值，可確定傳感 器能否正常任務(wù)；②在濕潤(rùn)環(huán)境下運(yùn)用加熱器，可防止傳感器凝露；③測(cè)量露點(diǎn)時(shí)也需求運(yùn)用加熱器。
露點(diǎn)也是濕度測(cè)量中的一個(gè)緊要參數(shù)，它表示在水汽冷卻進(jìn)程中最后出現(xiàn)結(jié)露的溫度。為了 計(jì)算露點(diǎn)，Sensirion公司還向玩家提 供一個(gè)測(cè)量露點(diǎn)的程序“SHTxdp.bsx”。應(yīng)用該程序能夠控制外部加熱器的通、斷，再按照所測(cè)得的溫度值及絕對(duì)濕度值計(jì)算出露點(diǎn)。在命令呼應(yīng)界面上 運(yùn)轉(zhuǎn)此程序時(shí)，計(jì)算機(jī)屏幕上就顯示提醒符“>”。玩家首先從鍵盤(pán)上輸出字母“S”，接著輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)字，便可取得下述后果：
輸出數(shù)字“1”時(shí)，測(cè)量并顯示出攝氏溫度dgC=xx.x；輸出數(shù)字“2”時(shí)，測(cè)量并顯示出絕對(duì)濕度%RH=xx.x；輸出數(shù)字 “3”時(shí)，開(kāi)啟加熱器，使傳感器溫度降低5℃；輸出數(shù)字“4”時(shí)，封閉加熱器，使傳感器降溫；輸出數(shù)字“5”時(shí)，顯示露點(diǎn)溫度dpC=xx.x。
4集成濕度傳感器典型產(chǎn)物的技巧目標(biāo)
集成濕度傳感器的測(cè)量領(lǐng)域普通可到達(dá)0～100%。但有的廠家為確保精度目標(biāo)而將測(cè)量領(lǐng)域束縛為10%～95%。設(shè) 計(jì)+3.3V高壓供 電的濕度/溫度測(cè)試零碎時(shí)，可選用SHT11、SHT15傳感器。這種傳感器在測(cè)量階段的任務(wù)電流為550μA，均勻任務(wù)電流為28μA（12位）或 2μA（8位）。上電時(shí)默許為休眠形式（SleepMode），電源電流僅為0.3μA（典型值）。測(cè)量終了只需沒(méi)有新的命令，就主動(dòng)前往休眠形式，能使 芯片功耗降至zui低。此外，它們還具有低電壓檢測(cè)功效。當(dāng)電源電壓低于+2.45V±0.1V時(shí)，形態(tài)存放器的第6位立刻更新，使芯片不任務(wù)，從而起到了保 護(hù)作用。
