一种具有温度补偿的盐雾湿度传感器的设计

一种具有温度补偿的盐雾湿度传感器的设计李文强 杨录 王万月(中北大学 山西太原 030051)摘要：介绍一种抗盐雾型湿度传感器，它可实现温、湿度的双参数测量。选用电源稳压芯片 TSP63002，解决了电源波动对振荡频率的影响；通过控制模拟电子开关，使在高湿、低湿阶段自动选择不同的电容，解决了测频对测量精度的影响；通过拟合曲线法进行温度补偿，提高了测量结果的可靠性和精度。文中最后，通过对补偿后曲线与实际曲线进行比较，讨论了试验结果。通过在海边的初步使用，证明本传感器的性能指标超过或达到实际要求。关键词：温度补偿，高分子湿敏电阻，湿度，传感器，TSP63002中图分类号：TP212 文献标识码： AA Study on a Kind of Humidity Sensor Which Uses Temperature Compensation Method and Can Work in Salt AirLi Wen-qiang Yang Lu Wang Wan-yue( North University of CHINA, TaiYuan, 030051 )Abstract: This article introduces a study on a kind of humidity sensor which can measure temperature and humidity in salt air. It uses power regulator of TSP63002 to resolve voltage fluctuation which can affect oscillation frequency; It automatically switches capacitances by simulate electronic on-off in the condition of high humidity and low humidity , and figures out the influence of measuring frequency to metrical precision; It uses temperature compensation by fitted curve in order to improves the reliability and precision of the measurement result. In the end, it analyses test result by way of comparing compensated curve with the factual. It can surpass or achieve performance index by measured against practical needs after it has been used on the sea.Key Words: Temperature Compensation, Macromolecule Humidity Resistance, Humidity, Sensor, TSP63002引言：湿度是表示大气干燥程度的物理量。常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、混合比、饱和差以及露点等物理量表示，人们生活中所说的湿度是指相对湿度，指在某一温度下，空气中所含水蒸气的实际密度与同一温度下饱和密度之比，用%RH 表示。虽然目前市场上出现的湿度传感器很丰富，但能在特定环境下长期正常工作的很贫乏。比如，在海洋性气候（盐雾环境）下能长期不失效的湿度传感器几乎没有。本文正是在这种需求下，设计了一种抗盐雾型湿度传感器。1 系统介绍图 1 是系统组成框图。在图 1 中，湿度传感器选用一种专利型高分子湿敏电阻，它是本系统的核心器件之一；温度传感器选用 DS18B20，它是温度补偿中温度参数的来源；LED 显示选用 74HC164 串联驱动数只独立式共阴数码管，用来显示温度、湿度和输出电压。本文主要介绍湿敏电阻及其后续处理电路和温度补偿。湿度传感器温度传感器方波振荡 电路A T m e g a 8 T L C 5 6 2 0L E D 显示图 1 系统组成框图Fig 1 System composition diagram高分子湿敏电阻具响应速度快，灵敏度高，抗污染能力强，耐水性好，性能稳定可靠，使用方便等优点 1。它采用功能高分子膜涂敷在带有导电电极陶瓷基体上，形成阻抗随相对湿度变化成对数变化的敏感部件。导电机理为水分子的存在影响高分子膜内部导电离子的迁移率。湿敏电阻的内部结构如图 2 所示 2，3 。1 防尘外壳，2 基体，3 电极，4 感湿层，5 引线端图 2 湿敏电阻内部结构Fig 2 Interior structure of humidity resistance 本湿敏电阻的主要特性如下：工作温度：1060；工作湿度：20%95%RH；误差：3%RH；温漂系数：0.5%RH/；湿滞回差：2%RH ；响应时间：吸湿，20S，脱湿， 40S；湿敏特性：湿度从 20%95%RH 变化时，其阻抗从几百欧姆变化到兆欧姆。 2电路设计根据湿敏电阻的阻抗随相对湿度变化这一特性，把湿敏电阻接入方波振荡电路的反馈回路中，可实现湿度变化引起方波振荡周期的变化，由此设计出湿度采集电路如图3所示 4。为了分析的方便，把C 1和C 2等效为电容C 12，把R 3和RP等效为电阻 R3P。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 10-Sep-2000 Sheet of File: G:lwq度度度度BACKUP1.DDB Drawn By:R510KRP 度度度度K1C1200pfC20.1ufA1VCCS2 S1R48.5K1KR2R150KR350KUZVDUcu+u-Uo图3 湿度采集电路图Fig 3 Circuit diagram of gathering temperature 2.1电路工作原理当电路接通时，u +u_ ,由于运放开环增益很大，又具有正反馈，因此输出电压U O将迅速上升为+U Z，则（1）53()ZPRU与此同时，U O将通过R 1使 C12充电，U C由零向正方向逐渐上升。在u _ u+ 期间，U O= -UZ保持不变。只要u _下降到略小于u + 时，又出现正反馈过程，最终导致U O= +UZ。如此周而复始，在输出端U O将产生方波信号，方波的幅值为UZ。利用单片机对U O处的信号采集，就可得到方波的周期。2.2 方波周期计算方波的周期可以由电容充、放电规律和波形发生器工作原理求得。电容两端电压的变化规律为：（3）()(0)tCCutUe其中，U C(0)为在选定时起点时电容C 12上的电压值，即（4）53(0)()ZPRUC() 是t=时，电容电压的终值（5）()CZU是电容充电、放电时间常数（6）12R将这些值代入式（3） ，得（7）1253()tRCCZZPuUUe式中，t = t - t1, 且t 1 t t 2 。当 时，则2Tt（8）53cZPRu于是（9）125533()TRCZZPPRRUUe解此式可得方波的周期为（10）5123ln()PTC由此式可见，改变R 1、C 12 、R 5和R 3P 都能改变方波周期。当测试电路确定以后，R1、C 12、R 5和R 3都是常量，只有 Rp是变量。前面的分析已经可测量出方波的周期，通过标定就可得到湿度值。在本系统中，用直接测量单位时间内方波的个数代替测量方波周期，降低了标定的工作量，提高单片机的工作效率 5。即（11）tTD式中，t为单位时间，即每次的测量时间，由单片机的定时器实现； T为方波的周期；D为t时间内的方波个数。这样就建立D和湿度的对应关系。通常，测频也会引起测量误差，对测频的选择应考虑两个因素：其一,为消除湿敏电阻的极化现象,频率一般不能过低；其二,当测试电路的时间常数较大时,过高的采样频率会导致在过渡过程尚未结束时脉冲就发生翻转,再加之脉冲频率的摆动,反而会扩大测量误差。因此,对测量频率的选择,应权衡这两方面使之达到最优。这也是优化D的途径。要解决这个问题，结合传感器特性，对式（10）和（11）做一个分析：RH%R pTD 。因此，低湿范围（55 %RH）要通过其他参数使D，那么R 1 、C 12 、R 5和R 3都可使D；而高湿范围（55% RH）要通过其他参数使D，那么R 1、C 12 、R 5 和R 3 都可使D 。通过计算和实验，本系统通过电子开关控制K 1，在低湿范围使C 1工作；高湿范围使C 2工作，改变C 12的值，这样从根本上解决了测频引起的测量误差。2.3 电源设计电源是整个系统的命脉,电源性能的优劣在很大程度上直接影响系统的可靠性,据工程统计,系统70%的干扰来自电源 6。电源对本传感器的影响也不例外，主要有两点：其一电源带来的干扰信号，会使输出的方波带有毛刺；其二电源的波动，会改变方波的周期。这会大大降低测量结果的可靠性和精度，为了解决此问题，系统选用TI 公司的直流升压降压转换器TPS63002，它具有宽泛的输入电压（1.85.5 V） ，具有最大1.7A电流输出和直流5V稳定输出，精度为1mV，电压效率为96%和外围电路简单（2个10uf的电容和1个2.2uH 的电感）等特点 7。3 温度补偿由于相对湿度的定义与温度有密切的关系，温度又是影响湿度测量中最主要的因素之一，在不同的相对湿度下,温度系数又不同。另外，本湿敏电阻的湿度温度系数偏大, 要实现高精度测量，所以必须进行温度补偿。温度补偿可采用硬件、软件两种方法：根据湿敏电阻的温度特性，硬件补偿法使阻值随温度呈指数变化的湿敏电阻脱离指数状态而呈线性关系；软件补偿法是在湿敏电阻拟合方程中引入温度参量，建立新的湿度测量数学模型。目的都是通过补偿减小湿度测量误差，而软件补偿有一定的灵活性和柔性，所以本传感器采用后一种方法。在借鉴文献 8的理论上，实现温度补偿的原理和过程如下：（1）湿敏电阻的温漂系数是一个变常数。补偿方法是在标定时，把标定时的环境温度值记录下来，在向存储器存入标定数据时，同时将这个标定温度值也存入。当程序运行时，每次把测得的温度值和这个标定的环境温度值比较，求出差值，再将这个差值转换为湿度值的偏差值，进而求出真实的湿度值。（2）在测量范围内，根据国家标准测出湿度源为X 0, X1, Xi , XN时在温度t k (k=0,1,M)下,相应的方波个数 Di, k (i=0,1, N)值，这样就得到了M+1 组数据( 每组数对应1条湿度特性曲线)。把温度分区点t 0, t1, tk,tM和湿度分区点X 0, X1, Xi, XN以及上面测得的M+1组数据，按照一定顺序依次存储固化到单片机的EPROM内，完成数据库的建立工作。（3）在单片机测出温度t后(设t 0tt M),将t与温度分区点t 0, t1, tk, tM进行比较，找出t所在的温度区间t k-1, tk, k1, M，从而得到在温度 tk-1和t k两组湿度特性数据,再利用如下公式就可算出温度t时湿度特性曲线上对应的湿度点X0,X1, Xi, XN的方波个数D 0, t, D1, t, Di, t, DN, t 。， （i=0，1，N） (12),1,1()ikiiti kt由单片机测出方波个数D，把D与刚才求得的D 0, t, D1,t,Di, t, DN, t 相比较(正常情况下D 0,t D DN, t)。若D i-1, t D Di, t , 则得到具有温度补偿下湿度值为(13)1,11()itti iiXX4试验结果为了模拟海洋性气候的盐雾环境，先将 30 只传感器放入天津苏瑞公司生产的 YW/R-750 型盐雾腐蚀试验箱，按照 GB/T2423，17电子电工产品基本环境试验规程 Ka，盐雾试验方法 及 GJB150 的试验要求进行盐雾试验；然后在RGDS-500 型高低温湿热试验箱进行湿度标定和测量，得到采用温度补偿后的曲线与实际测量曲线的比较图，如图 4 所示。湿度 % R H1 0 08 04 02 0频率kHZ1 086426 0未修正曲线实际曲线修正后曲线图4 补偿后曲线与实际曲线比较Fig 4 Compare graph compensation and fact从图4可以看出，在20%95%RH 范围内，通过温度补偿后，方波频率随环境的相对湿度变化与实际变化很接近，以55%RH为界，线性较好。另外通过实际的海边初步使用，测出本传感器的精度为4%RH，超出5%RH 的设计要求，其它性能指标也完全达到实际要求。总之，本传感器具有精度高、稳定性好、成本低和适用性强等特点。参考文献：1 陈翠萍等. 高分子湿度传感器的研制.J ，仪表技术与传感器， 2005；2005(10) ：48.2 M.Dokmeci，K.Najafi. Humidity measuring technique.J ，Metrology & Measurement Technique，1999.3 S.J.Osadnik, E.L. Prociow. Refor