采用IC传感器的相对湿度测量

采用IC传感器的相对湿度测量

谢长江　尤丽华

摘要:在比较各种相对湿度测量方法及传感器的基础上，结合实例介绍了集成湿度传感器的特性及使用方法，指出使用条件的影响因素及补偿途径，给出了带有温度效应补偿作用的相对湿度检测具体实现线路，并提供了检测软件计算的具体表达式，分段实施的对比实验结果，以及检测过程的外界条件限制。
关键词:相对湿度，传感器，集成，测量，微处理器

Relative Humidity Detection by IC Sensor

Abstract:Based on comparation of relative -humidity detection manners and sensors,the IC relative-humidity sensor and its applied conditions are introduced the factors which influence the detection accuracy and the compensation methods are studied. The actual circuit detection software and the environmental limits in detecting processes are also given.
Key words:relative humidity，sensor，IC，detect，microprocessor

1　相对湿度检测的传感器特性
1.1　常用湿度传感器比较
　　湿度测量在自动化系统及其他许多技术领域中占有日趋重要的地位。但是，湿度与温度等物理量相比是比较难于测量的。其原因主要是，由于空气中所含的水蒸汽相对空气来说是微量的，而且水蒸汽对各种物质的影响也错综复杂。目前用于湿度测量的传感器及检测方法已有多种，从使用角度讲，一般要求其应具如下特点：
　　① 能准确、快速地测量湿度；
　　② 使用温度范围宽；
　　③ 湿度检测范围宽；
　　④ 时效变化小；
　　⑤ 外围电路简单。
　　目前使用的湿度传感器主要分为吸附型和非吸附型。由于价格、使用环境等原因，广泛使用的是吸附型传感器。水分子吸附在物体表面或渗入物体内部后，直接影响物体的电气物理性能，利用这一特性制成了多种吸附型传感器。几种常用的湿度检测传感器及其特性见表1所示。尽管经过长期改进和完善，但要完全满足上述要求还是比较困难的。随着集成电子技术的发展，集成电路与传感技术相结合，已使传感器原有不足之处发生了很大改观。
1.2　电容式传感器的工作原理
　　电容式传感器目前是环境湿度及过程湿度检测的主流，并且是唯一能够在相对湿度0～100%RH范围内进行全程检测的传感器^［1］。

表1　常用湿度传感器特性比较

活性物质 热固聚合物 热塑聚合物 热塑聚合物 热塑物 AIO3 氯化锂薄膜 蒸发饱和 基底材料 陶瓷或硅 陶瓷或玻璃 聚脂薄膜 NA NA 陶瓷 NA 测量参数 %RH %RH %RH %RH %RH %RH 干湿球湿度 变化参数 电容 电容 电容 电阻 电阻 导电率 温度 RH范围 0%～100% 0%～100% 0%～100% 20%～100% 2%～90% 15%～＜100% 20%～100% RH精度 ±1%～±5% ±3%～±5% ±3%～±5% ±3%～±10% ±1%～±5% ±5% ±3% 迟滞 1%～3%RH 2%～5%RH 2%～5%RH 3%～6%RH ＜2%RH 很差 差 响应时间 15～60s 15～90s 15～90s 2～5min 3～15min 3～5min 2～5min 线性度 ±1%RH ±1%RH ±1%RH 差 差 很差 差 温度范围 -40～185℃ -30～190℃ -25～100℃ 10～40℃ -10～75℃ -50～100℃ 0～100℃ 温度效应 0.0022%RH/℃ ＜0.3%RH/℃ ＜0.3%RH/℃ ＞1%RH/℃ ＞1%RH/℃ ＞1%RH/℃ ＜0.5%RH/℃ 时效 ±1%RH/5yr ±1%RH/yr ±1%RH/yr ±3%RH/yr ±3%RH/yr ±1%RH/yr ±0.1%RH/yr 抗腐蚀 优 好 一般 一般 一般 差 一般 抗结露 优 优 好 一般 一般 一般 好

　

　　电容式湿度传感器主要由保护层、屏蔽层、电容和电极层及基底组成。传感器工作时，活性电容绝缘层的水气与周围气体平衡，屏蔽层主要使传感器与外界绝缘，减少外界非湿度因素对传感器的影响。保护层在传感器的最外层，用以保证传感器免受灰尘和油污的侵蚀。
　　电容式传感器的保护层和屏蔽层的渗透性要求非常高，当环境中的相对饱和度(水汽平衡点)变化时，直接影响电容的变化。这种变化具有反应迅速、线性度良好、长时间稳定等特点。在增加一些外围电路后可以很方便地测出电容变化。这是目前电容式传感器测量湿度的普遍形式。
　　随着传感技术的发展和用户要求的不断提高，传感器生产厂商已在多种传感器上集成了信号调理电路，使传感器本身即能输出可转换或稍加整理即可进行转换的信号，很大程度上方便了用户的使用。Honeywell公司在1997年底推出的硅信号集成湿度传感器IH3605系列即是这种形式。
　　这种传感器(简称RHICS)把芯片上信号调理与敏感电容结合在一起，使传感器线性输出，其特性被激光修正。当供电电压V_s=5 V、环境温度25 ℃时，在0～100% RH相对湿度范围内将电压输出修正为0.8～3.9 V。由于生产过程的离散性，具体的传感器参数可能有一些差异，厂家出厂时应提供每只传感器的修正参数。对于供电电压V_s在4～9 V范围变化时，输出电压

　(1)

其中，V_out为相对湿度H_out时的传感器输出，V_s为传感器供电电压，V₀和V_f是在温度25 ℃时、相对湿度为0和H_f条件下的传感器标定输出电压(由厂商出厂时标定数据提供)。
　　所有吸附型湿度传感器(电容、电阻、导电薄膜等)的输出都受温度的影响，在温度变化范围不大时，因为RHICS良好的温度特性，在使用时经常不需要补偿即可进行测量。在温度变化范围较大或远离25　℃时，温度效应将显著体现。厂商根据不同温度下的传感器输出与实际相对湿度关系(其表面特性如图1所示)，建立温度补偿公式：

H_r=H_s/(1.0546-0.002 16T)；T为温度，单位℃

(2)

式中H_r和H_s分别为实际相对湿度和传感器出值。此式在不同的温度范围会有不同的补偿误差，温度高时较小(T>20 ℃时为±1%)，温度低时较大，最大不超过±5%，从某种意义上讲，即可依据(2)式将温度效应产生误差的95%以上补偿掉。

图1　温度效应表面特性图

2　测量硬件实现
　　传感电路已具备弱信号的处理功能，进行测量时可使用ADC进行直接转换。在实施时，结合传感器特性考虑以下问题。
2.1　供电电压
　　传感器的供电电压范围为4～9 V，由于厂商在传感器出厂时提供5 V、25 ℃供电时的标定数据，而且为了简化电源设计，可以采用5 V直流稳定电源供电。当湿度较大时，传感器活性区域的温度可能会降至露点附近或以下，此时可能会产生结露，在这种情况下，较高的供电电压会使传感器产生较多的自身热量，有助于使活性区域温度高于露点温度，避免出现冷凝。因此供电电压的选择要依据使用情况确定。
2.2　温度效应
　　在对RHICS进行温度补偿时，要使用温度传感器，同时要使测温点尽可能靠近湿度活性传感区域，即处于相同的微环境。可以采用常规测温元件的小型化产品，当然可以选用带附加温度传感器的RHICS，但价格较高。
　　一种实现方便的测量电路如图2所示。传感器采用5 V供电，温度测量采用了Pt100的小型元件。模拟量的转化采用INTEL80C196KC的内置ADC，考虑到ADC的分辨率和在-50～100 ℃经常使用的温度范围内保证0.1 ℃的转换精度，采用了图2中的检测线路。为限制自身热效应的影响，恒流源输出为1 mA，经普通消偏差分放大电路调理后使-50～100 ℃温度范围对应传感器输出0～5 V，精度完全可以保证。而RHICS因输出量程在范围之内，因而不经其他处理直接转换。

图2　测量实现硬件图

3　功能要求及软件实现
　　采用RHICS进行相对湿度测量时，要求测量电路具有如下功能：
　　① 传感器参数输入,根据厂商独立标定的数据确定传感器特性；
　　② 供电电压选择,根据这一输入及(1)式计算得到测量的H_s；
　　③ 根据H_s及实测温度计算出实际相对湿度H_r。
　　为计算方便，将(1)式进行处理，得到：

其中K=5 /V_s，设常数

　(3)
　　　　　　　　　　　(4)

　　则测量得到的相对湿度：

　(5)

再由(2)式及测得的温度T可以得出：

依据(3)、(4)、(5)和(2)式编程即可算出带补偿的相对湿度实际值。该测试的实施条件为无结露及相对稳定的环境(微环境动平衡)。

4　实验验证
　　采用以上方法及硬件对传感器进行湿度检测，考虑到湿度测量的特殊性，为能对其结果进行实验验证，用湿空气与干空气混合的方法产生所需的一定湿度的气体。干空气由自行研制的气源处理设备产生，经微真空与氧化铝分子筛过滤后，室温下其相对湿度可达0.5%以下，与湿空气混合后可产生相对湿度0.5%以上的气体。由于一般的湿度测量仪器在低温范围内精度很差，将测量范围划分为0～10%(低挡)和10%～100%(高挡)二挡，对低档范围采用测量，而后查表计算，高档采用高分子湿度测量仪进行测量。对于低温范围，RHICS测量结果与DWS-II微量水分测量仪进行比较，由于DWS-II采用的是五氧化二磷电解平衡分析法，因此只能输出气体的水分含量ppm值，由ppm值和温度通过气体通用焓湿图即可查出相对湿度^［4］。在稳定条件下实验结果表明，在低温范围内，RHICS的误差在1%RH以内，而且基本不变。在10%～95%的湿度范围，采用高分子薄膜湿度测量仪与RHICS测量装置进行对比实验，结果表明，湿度较低时对比偏差较小，湿度较高时偏差较大，其偏差范围在1%～3%之间。对于95%～100%的湿度范围，由于实验条件限制，无法产生湿度稳定的不结露气体，因此未进行验证。
　　由于湿度测量的特殊，在使用RHICS时应注意一些限制条件。由于传感器需要一定的稳定时间，当环境未达到动平衡时，误差可能很大。另一点要注意的是，环境条件相对稳定的另一方面即空气缓速流动(近于静止状态)。空气流动速度较快时(在一定范围内)，特别在低湿条件下，笔者经实验证明，其误差可以大到无法接受的程度(与介质流动速度有关)。对于测量结果与流动速度的关系，由于受多方面因素的影响，因此难以进行定量分析，详细讨论可见参考文献［6］。
　　由于保护层的原因，RHICS对化学气体有良好的抵抗性。长时间水汽暴露会增加误差，但与普通电容式传感器相比，性能大为改善。笔者经过长期实验证明，后者可能出现传感器大量失效，许多无法恢复，而RHICS在此方面作出了明显改进。

作者单位:谢长江　尤丽华　无锡市江南大学电子工程系(214063)

参考文献
1　1993 ASHARE Handbook of Fundaments.American Society of Heating,Refrigerating,and Aircondition Engineer,Inc.
2　RH Sensor.Sensing and Control.Honeywell,1997.11
3　井上宇市.空气调节手册.北京：建筑工业出版社，1986.9
4　张福学.传感器应用及其电路精选.北京：电子工业出版社，1992.7
5　寥传善等.房间湿度的测量与调节.北京：建筑工业出版社，1987.4
6　赵玉珍等.湿球温度与其几何尺寸及风速的关联式研究.工程热物理学报，1989，10(3)