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℃）

 
图1：HS1101湿度-电容响应曲线

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。

 
图2：湿度检测原理

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。

 
图3：多谐振荡电路

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。

 
图4：湿度检测振荡电路

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。

 
图5：振荡电路波形

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。

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。

 
图6：湿度变送器电路图

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。

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。

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。