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濕度傳感器 發展趨勢淺析

2013-04-23 15:37:10

近年來，本國內在濕度傳感器開發范疇獲得了長足提高。濕敏傳感器正從容易的濕敏元件向集成化、智能化、多參數檢測的方向快速開展，為開發新一代濕度/溫度測控零碎締造了有利要求，也將濕度測量技巧進步到新的程度。

    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。

    1.1濕敏電阻

    濕敏電阻的特點是在基片上掩蓋一層用感濕資料制成的膜，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出現變化，應用 這一特性便可測量濕度。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。濕敏電阻的長處是靈敏度高，重要缺陷是線性度和產物的 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。當環境濕度出現改動時，濕敏 電容 的介電常數出現變化，使其電容量也出現變化，其電容變化量與絕對濕度成反比。濕敏電容的重要長處是靈敏度高、產物互換性好、呼應速率快、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。國外消費濕敏電容的主廠家有Humirel公司、Philips公司、Siemens 公司等。以Humirel公司消費的SH1100型濕敏電容為例，其測量領域是（1%～99%）RH，在55%RH時的電容量為180pF（典型值）。當 絕對濕度從0變化到100%時，電容量的變化領域是163pF～202pF。溫度系數為0.04pF/℃，濕度滯后量為±1.5%，呼應時刻為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、分量型濕敏元件（應用感濕膜分量的變化來改動振蕩頻率）、光強型濕敏元 件、聲外表波濕敏元件等。濕敏元件的線性度及抗凈化性差，在檢測環境濕度時，濕敏元件要臨時表露在待測環境中，很輕易被凈化而影響其測量精度及臨時穩固 性。

    2集成濕度傳感器的功能特點及產物分類

    目前，國外消費集成濕度傳感器的重要廠家及典型產物辨別為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

    典型產物有HIH3605/3610、HM1500/1520。其重要特點是采用恒壓供電，內置縮小電路，能輸入與絕對濕度呈比例關系的伏特級電壓信號，呼應速率快，反復性好，抗凈化才能強。

    2.2線性頻率輸入集成濕度傳感器

    典型產物為HF3223型。它采用模塊式構造，屬于頻率輸入式集成濕度傳感器，在55%RH時的輸入頻率為8750Hz（型值），當上對濕度從10%變化到95%時，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、便于配數字電路或單片機、價錢高等長處。

    2.3頻率/溫度輸入式集成濕度傳感器

    典型產物為HTF3223型。它除具有HF3223的功效以外，還增長了溫度信號輸入端，應用負溫度系數（NTC）熱敏電阻做為溫度傳感器。當環境溫度變化時，其電阻值也對應改動而且從NTC端引出，配上二次儀表便可測量出溫度值。

    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精細規范，規范系數被編成對應的程序存入校準存儲器 中，在測量進程中可對絕對濕度實行主動校準。它們不只能精確測量絕對溫度，還能測量溫度和露點。測量絕對溫度的領域是0～100%，分辨力達 0.03%RH，max精度為±2%RH。測量溫度的領域是-40℃～+123.8℃，分辨力為0.01℃。測量露點的精度<±1℃。在測量濕度、溫 度時A/D轉換器的位數辨別可達12位、14位。應用降低分辨力的辦法能夠進步測量速率，減小芯片的功耗。SHT11/15的產物互換性好，呼應速率快， 抗攪擾才能強，不需求內部元件，適配各類單片機，可普遍用于醫療設備及溫度/濕度調理零碎中。

    芯片外部包括絕對濕度傳感器、溫度傳感器、縮小器、14位A/D轉換器、校準存儲器 （E2PROM）、易失存儲器（RAM）是、狀 態存放器、循環冗余校驗碼（CRC）存放器、二線串行接口、控制單元、加熱器及低電壓檢測電路。其測量原理是首先應用兩只傳感器辨別發生絕對濕度、溫度的 信號，接著經歷縮小，辨別送至A/D轉換器實行模/數轉換、校準和糾錯，最終經過二線串行接口將絕對濕度及溫度的數據送至μC。鑒于SHT11/15輸入 的絕對濕度讀數值與被測絕對濕度呈非線性關系，為取得絕對濕度的精確數據，必需應用μC對讀數值實行非線性補償。此外當環境溫度TA≠+25℃時，還需求 對絕對濕度傳感器實行溫度補償。

    芯片外部有一個加熱器。將形態存放器的第2地位“1”時該加熱器接通電源，可使傳感器 的溫度大約降低5℃，電源電流亦增長8mA（采用+5V電源）。運用加熱器可完成以下三種功效：①經過比擬加熱前后測出的絕對濕度值及溫度值，可確定傳感 器能否正常任務；②在濕潤環境下運用加熱器，可防止傳感器凝露；③測量露點時也需求運用加熱器。

    露點也是濕度測量中的一個緊要參數，它表示在水汽冷卻進程中最后出現結露的溫度。為了 計算露點，Sensirion公司還向玩家提 供一個測量露點的程序“SHTxdp.bsx”。應用該程序能夠控制外部加熱器的通、斷，再按照所測得的溫度值及絕對濕度值計算出露點。在命令呼應界面上 運轉此程序時，計算機屏幕上就顯示提醒符“>”。玩家首先從鍵盤上輸出字母“S”，接著輸出對應的數字，便可取得下述后果：

    輸出數字“1”時，測量并顯示出攝氏溫度dgC=xx.x；輸出數字“2”時，測量并顯示出絕對濕度%RH=xx.x；輸出數字 “3”時，開啟加熱器，使傳感器溫度降低5℃；輸出數字“4”時，封閉加熱器，使傳感器降溫；輸出數字“5”時，顯示露點溫度dpC=xx.x。

4集成濕度傳感器典型產物的技巧目標

    集成濕度傳感器的測量領域普通可到達0～100%。但有的廠家為確保精度目標而將測量領域束縛為10%～95%。設 計+3.3V高壓供 電的濕度/溫度測試零碎時，可選用SHT11、SHT15傳感器。這種傳感器在測量階段的任務電流為550μA，均勻任務電流為28μA（12位）或 2μA（8位）。上電時默許為休眠形式（SleepMode），電源電流僅為0.3μA（典型值）。測量終了只需沒有新的命令，就主動前往休眠形式，能使 芯片功耗降至zui低。此外，它們還具有低電壓檢測功效。當電源電壓低于+2.45V±0.1V時，形態存放器的第6位立刻更新，使芯片不任務，從而起到了保 護作用。