中心論題：
- 濕敏元件的特性。
- 集成濕度傳感器的性能特點及產(chǎn)品分類。
- 單片智能化濕度/溫度傳感器的介紹。
- 集成濕度傳感器典型產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)。
解決方案：
- 線性電壓輸出式集成濕度傳感器提高抗污染能力。
- HF3223型采用模塊式結(jié)構(gòu)降低成本。
- 利用SHT1xdp.bsx可以控制內(nèi)部加熱器的通斷。
在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研、航天等部門,經(jīng)常需要對環(huán)境濕度進(jìn)行測量及控制。但在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中,濕度是最難準(zhǔn)確測量的一個參數(shù)。用干濕球濕度計或毛發(fā)濕度計來測量濕度的方法,早已無法滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需要。這是因為測量濕度要比測量溫度復(fù)雜的多,溫度是個獨(dú)立的被測量,而濕度卻受其他因素(大氣壓強(qiáng)、溫度)的影響。
此外,濕度的校準(zhǔn)也是一個難題。國外生產(chǎn)的濕度標(biāo)定設(shè)備價格十分昂貴。
近年來,國內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長足進(jìn)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(shù)檢測的方向迅速發(fā)展,為開發(fā)新一代濕度/溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件,也將濕度測量技術(shù)提高到新的水平。
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。
a 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(dāng)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(fā)生變化,利用這一特性即可測量濕度。濕敏電阻的種
近年來,國內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長足進(jìn)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(shù)檢測的方向迅速發(fā)展,為開發(fā)新一代濕度/溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件,也將濕度測量技術(shù)提高到新的水平。
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。
a 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(dāng)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(fā)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(yōu)點是靈敏度高,主要缺點是線性度和產(chǎn)品的互換性差。
b 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(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時,濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化,使其電容量也發(fā)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(yōu)點是靈敏度高、產(chǎn)品互換性好、響應(yīng)速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)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(dāng)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(shù)為0.04pF/℃,濕度滯后量為±1.5%,響應(yīng)時間為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、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(qiáng)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(huán)境濕度時,濕敏元件要長期暴露在待測環(huán)境中,很容易被污染而影響其測量精度及長期穩(wěn)定性。
集成濕度傳感器的性能特點及產(chǎn)品分類
目前,國外生產(chǎn)集成濕度傳感器的主要廠家及典型產(chǎn)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(chǎn)品可分成以下三種類型:
a 線性電壓輸出式集成濕度傳感器
典型產(chǎn)品有HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特點是采用恒壓供電,內(nèi)置放大電路,能輸出與相對濕度呈比例關(guān)系的伏特級電壓信號,響應(yīng)速度快,重復(fù)性好,抗污染能力強(qiáng)。
b 線性頻率輸出式集成濕度傳感器
典型產(chǎn)品為HF3223型。它采用模塊式結(jié)構(gòu),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(dāng)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(qiáng)、便于配數(shù)字電路或單片機(jī)、價格低等優(yōu)點。
c 頻率/溫度輸出式集成濕度傳感器
典型產(chǎn)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(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻作為溫度傳感器。當(dāng)環(huán)境溫度變化時,其電阻值也相應(yīng)改變并且從
b 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(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時,濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化,使其電容量也發(fā)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(yōu)點是靈敏度高、產(chǎn)品互換性好、響應(yīng)速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)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(dāng)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(shù)為0.04pF/℃,濕度滯后量為±1.5%,響應(yīng)時間為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、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(qiáng)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(huán)境濕度時,濕敏元件要長期暴露在待測環(huán)境中,很容易被污染而影響其測量精度及長期穩(wěn)定性。
集成濕度傳感器的性能特點及產(chǎn)品分類
目前,國外生產(chǎn)集成濕度傳感器的主要廠家及典型產(chǎn)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(chǎn)品可分成以下三種類型:
a 線性電壓輸出式集成濕度傳感器
典型產(chǎn)品有HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特點是采用恒壓供電,內(nèi)置放大電路,能輸出與相對濕度呈比例關(guān)系的伏特級電壓信號,響應(yīng)速度快,重復(fù)性好,抗污染能力強(qiáng)。
b 線性頻率輸出式集成濕度傳感器
典型產(chǎn)品為HF3223型。它采用模塊式結(jié)構(gòu),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(dāng)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(qiáng)、便于配數(shù)字電路或單片機(jī)、價格低等優(yōu)點。
c 頻率/溫度輸出式集成濕度傳感器
典型產(chǎn)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(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻作為溫度傳感器。當(dāng)環(huán)境溫度變化時,其電阻值也相應(yīng)改變并且從
NTC端引出,配上二次儀表即可測量出溫度值。
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(zhǔn),校準(zhǔn)系數(shù)被編成相應(yīng)的程序存入校準(zhǔn)存儲器中,在測量過程中可對相對濕度進(jìn)行自動校準(zhǔn)。它們不僅能準(zhǔn)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(dá)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轉(zhuǎn)換器的位數(shù)分別可達(dá)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(chǎn)品互換性好,響應(yīng)速度快,抗干擾能力強(qiáng),不需要外部元件,適配各種單片機(jī),可廣泛用于醫(yī)療設(shè)備及溫度/濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。
芯片內(nèi)部包含相對濕度傳感器、溫度傳感器、放大器、14位A/D轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)存儲器(E2PROM)、易失存儲器(RAM)、狀態(tài)寄存器、循環(huán)冗余校驗碼(CRC)寄存器、二線串行接口、控制單元、加熱器及低電壓檢測電路。其測量原理是首先利用兩只傳感器分別產(chǎn)生相對濕度、溫度的信號,然后經(jīng)過放大,分別送至A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)和糾錯,最后通過二線串行接口將相對濕度及溫度的數(shù)據(jù)送至μC。鑒于SHT11/15輸出的相對濕度讀數(shù)值與被測相對濕度呈非線性關(guān)系,為獲得相對濕度的準(zhǔn)確數(shù)據(jù),必須利用μC對讀數(shù)值進(jìn)行非線性補(bǔ)償。此外當(dāng)環(huán)境溫度TA≠+25℃時,還需要對相對濕度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
芯片內(nèi)部有一個加熱器。將狀態(tài)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(xiàn)以下三種功能:
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(zhǔn),校準(zhǔn)系數(shù)被編成相應(yīng)的程序存入校準(zhǔn)存儲器中,在測量過程中可對相對濕度進(jìn)行自動校準(zhǔn)。它們不僅能準(zhǔn)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(dá)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轉(zhuǎn)換器的位數(shù)分別可達(dá)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(chǎn)品互換性好,響應(yīng)速度快,抗干擾能力強(qiáng),不需要外部元件,適配各種單片機(jī),可廣泛用于醫(yī)療設(shè)備及溫度/濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。
芯片內(nèi)部包含相對濕度傳感器、溫度傳感器、放大器、14位A/D轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)存儲器(E2PROM)、易失存儲器(RAM)、狀態(tài)寄存器、循環(huán)冗余校驗碼(CRC)寄存器、二線串行接口、控制單元、加熱器及低電壓檢測電路。其測量原理是首先利用兩只傳感器分別產(chǎn)生相對濕度、溫度的信號,然后經(jīng)過放大,分別送至A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)和糾錯,最后通過二線串行接口將相對濕度及溫度的數(shù)據(jù)送至μC。鑒于SHT11/15輸出的相對濕度讀數(shù)值與被測相對濕度呈非線性關(guān)系,為獲得相對濕度的準(zhǔn)確數(shù)據(jù),必須利用μC對讀數(shù)值進(jìn)行非線性補(bǔ)償。此外當(dāng)環(huán)境溫度TA≠+25℃時,還需要對相對濕度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
芯片內(nèi)部有一個加熱器。將狀態(tài)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(xiàn)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(huán)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(shù),它表示在水汽冷卻過程中最初發(fā)生結(jié)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(nèi)部加熱器的通、斷,再根據(jù)所測得的溫度值及相對濕度值計算出露點。在命令響應(yīng)界面上運(yùn)行此程序時,計算機(jī)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(yīng)的數(shù)字,即可獲得下述結(jié)果:
輸入數(shù)字“1”時,測量并顯示出攝氏溫度dgC=xx.x;
輸入數(shù)字“2”時,測量并顯示出相對濕度%RH=xx.x;
輸入數(shù)字“3”時,打開加熱器,使傳感器溫度升高5℃;
輸入數(shù)字“4”時,關(guān)閉加熱器,使傳感器降溫;
輸入數(shù)字“5”時,顯示露點溫度dpC=xx.x。
集成濕度傳感器典型產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)
集成濕度傳感器典型產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)詳見表1。由表可見,集成濕度傳感器的測量范圍一般可達(dá)到0～100%。但有的廠家為保證精度指標(biāo)而將測量范圍限制為10%～95%。設(shè)計+3.3V低壓供電的濕度/溫度測試系統(tǒng)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(rèn)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(dāng)電源電壓低于+2.45V±0.1V時,狀態(tài)寄存器的第6位立即更新,使芯片不工作,從而起到了保護(hù)作用。
