湿度传感器及其测量电路

3.5湿度传感器及其测量电路湿度的测量与控制在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门及人们的舒适与健康方面至关重要。但是在常规的环境参数中，由于大气压强、温度等因素同时影响着湿度的高低，因而湿度的准确测量具有极大难度。使用常规的干湿球湿度计或毛发湿度计测量湿度时，测量误差在±5%～±20%之间，已经无法满足现代科技发展的需要，并且存在校准困难，即使如此也不能确保标定精度。近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步，湿度传感器正从简单的湿度元件向着集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度测控系统创造了非常有利的条件，也将湿度测量技术提高到了一个崭新的水平。精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所，气象预报、医疗卫生、食品加工等行业都有广泛的应用3.5.1湿度传感器的类型及性能1.湿度测量的名词术语湿度这一概念随被测物质的物理状态不同而有着不同的含义。对于气态物质，在测量其湿度时，常用绝对湿度、相对湿度和露点来表示；而对于固态物质，其湿度常用含湿量和湿度予以表示。(1)气体的湿度绝对湿度：指在一定温度和压力下，单位体积混合气体中所含的水蒸气量。用符号dv表示，单位为g/m3。dv=m/V=217.6p/(Tab+273.16)式中，p为水蒸气的压强，单位为帕斯卡(Pa)，Tab代表混合气体的温度，单位采用℃。相对湿度：以某温度下饱和水蒸气量为基准，相对湿度是指绝对湿度占同一温度下饱和水蒸气量的百分数，用RH(RelativeHumidity)表示。由于混合气体中水蒸气产生的分压强与其含量成正比，因此有RH=p1(T)/p2(T)×100%(3.28)式中，p1(T)表示温度为T时混合气体中水蒸气的分压强，p2(T)表示在温度T下饱和水蒸气中水蒸气的分压强。显然，RH是压强和温度的函数。

露（霜）点水的饱和蒸气压随温度的降低而逐渐下降。在同样的空气水蒸气压下，温度越低，则空气的水蒸气压与同温度下水的饱和蒸气压差值越小。当空气温度下降到某一温度时，空气中的水蒸气压与同温度下水的饱和水蒸气压相等。此时，空气中的水蒸气将向液相转化而凝结成露珠，相对湿度为100％RH。该温度，称为空气的露点温度，简称露点。如果这一温度低于0℃时，水蒸气将结霜，又称为霜点温度。两者统称为露点。空气中水蒸气压越小，露点越低，因而可用露点表示空气中的湿度。5010203040-1001020304050温度/℃10%RH露点/℃90%RH80%RH70%RH60%RH50%RH40%RH20%RH30%RH露点：在一定温度下，气体所容纳的水蒸气含量超过某限量时，多余的水从气态变为液态的现象称为结露。随着温度的降低，含水量一定的不饱和气体将首先达到饱和状态；随着温度的再进一步下降，将引起结露，并且不饱和气体的含水量越少，结露所要求的温度越低，含水量越多，结露所要求的温度也越高。我们把在水气冷却过程中最初发生结露时的温度称为露点，其单位采用温度单位℃。露点可用来表示不饱和气体的含水量，因此也是在测量气体湿度时常用的一个名词。(2)固体的湿度含湿量μ：指物质中水分的含量M1与不含水分的干物质质量M0之比的百分数。μ=M1/M0=(M-M0)/M0×100%(3.29)式中M为含水物质的质量，M0为相应的干物质质量，M1为含水物质中所含水分质量。湿度F：固态物质的湿度F定义为F=M1/M=(M-M0)/M×100%(3.30)式中符号的含义同上。二、湿度传感器的主要参数

1、湿度量程指湿度传感器技术规范中所规定的感湿范围。全湿度范围用相对湿度(0～100)％RH表示，它是湿度传感器工作性能的一项重要指标。

2、感湿特征量——相对湿度特性每种湿度传感器都有其感湿特征量，如电阻、电容等，通常用电阻比较多。以电阻为例，在规定的工作湿度范围内，湿度传感器的电阻值随环境湿度变化的关系特性曲线，简称阻湿特性。有的湿度传感器的电阻值随湿度的增加而增大，这种为正特性湿敏电阻器，如Fe3O4湿敏电阻器。有的阻值随着湿度的增加而减小，这种为负特性湿敏电阻器，如TiO2－SnO2陶瓷湿敏电阻器。

4、特征量温度系数反映湿度传感器在感湿特征量——相对湿度特性曲线随环境温度而变化的特性。感湿特征量随环境温度的变化越小，环境温度变化所引起的相对湿度的误差就越小。在环境温度保持恒定时，湿度传感器特征量的相对变化量与对应的温度变化量之比，称为特征量温度系数。ΔT——温度25℃与另一规定环境温度之差；R1(C1)——温度25℃时湿度传感器的电阻值(或电容值)；R2(C2)——另一规定环境温度时湿度传感器的电阻值(或电容值)。

电容温度系数(%/℃)=电阻温度系数(%/℃)=

5、感湿温度系数反映湿度传感器温度特性的一个比较直观、实用的物理量。它表示在两个规定的温度下，湿度传感器的电阻值(或电容值)达到相等时，其对应的相对湿度之差与两个规定的温度变化量之比，称为感湿温度系数。或环境温度每变化1℃时，所引起的湿度传感器的湿度误差。感湿温度系数

ΔT——温度25℃与另一规定环境温度之差；H1——温度25℃时湿度传感器某一电阻值(或电容值)对应的相对湿度值；

H2——另一规定环境温度下湿度传感器另一电阻值(或电容值)对应的相对湿度。下图为感湿温度系数示意图。

(%RH/℃)=相对湿度/%H1H2H2感湿温度系数示意图相对湿度/%H1H2H2RCT2T2T2T225℃25℃(a)电阻型(b)电容型

6、响应时间在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的电参量达到稳态变化量的规定比例所需要的时间。一般是以相应的起始和终止这一相对湿度变化区间的63％作为相对湿度变化所需要的时间，也称时间常数，它是反映湿度传感器相对湿度发生变化时，其反应速度的快慢。单位是s。也有规定从起始到终止90％的相对湿度变化作为响应时间的。响应时间又分为吸湿响应时间和脱湿响应时间。大多数湿度传感器都是脱湿响应时间大于吸湿响应时间，一般以脱湿响应时间作为湿度传感器的响应时间。

7、电压特性

当用湿度传感器测量湿度时，所加的测试电压，不能用直流电压。这是由于加直流电压引起感湿体内水分子的电解，致使电导率随时间的增加而下降，故测试电压采用交流电压。右图表示湿度传感器的电阻与外加交流电压之间的关系。可见，测试电压小于5V时，电压对阻——湿特性没有影响。但交流电压大于15V时，由于产生焦耳热，对湿度传感器的阻——湿特性产生了较大影响，因而一般湿度传感的使用电压都小于10V。Lg

R/Ω0123456578420℃100Hz11%RH33%RH75%RH100%RHU/V2.湿敏元件湿度传感器依据使用材料分类电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小。陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极,通过浸渍或涂覆,使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜。有机高分子的材料种类也很多,工作原理也各不相同。单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成。制成二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。

湿敏元件是最简单的湿度传感器，主要有电阻式和电容式两大类。(1)湿敏电阻湿敏电阻是覆盖在基片上的一层感湿材料膜，当空气中的水蒸气吸附于感湿膜上时，将引起其电阻率和电阻值变化，利用这一特性可以对湿度进行测量。湿敏电阻主要有金属氧化物湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等种类，如国产SM—1型硅湿敏电阻，其相对湿度的测量范围为1%～100%，测量精度达±4%。灵敏度高是湿敏电阻的主要优点，但存在较严重的非线性，互换性也不是很理想。(2)湿敏电容湿敏电容一般是用聚苯乙烯、聚烯亚胺、酪酸醋酸纤维等高分子材料制成的薄膜电容。环境湿度的改变，引起高分子材料的介电常数变化，导致湿敏电容的电容量也发生变化，并且其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、滞后量小、响应速度快，便于制造，易于实现小型化和集成化，但其精度一般低于湿敏电阻。目前湿敏电容的主要制造公司有哈米瑞尔(Humirel)、飞利浦(Philips)、西门子(Siemens)等。除电阻式、电容式湿敏元件外，还有电解质离子型、重量型、光强型、声表面波型等湿敏元件。湿敏元件的线性度和抗污染性差，在检测环境中由于易被污染而使其精度和稳定性受到影响。3.湿敏传感器(1)普通型湿度传感器它由湿敏元件构成，能将湿度转化为毫伏级电压信号，但不具备温度补偿及湿度信号调理功能。如国产CSR—1型湿度传感器，其相对湿度的测量范围为0～100%，测量精度为±2%～±4%，输出电压达0～+100mV，可在-10～+50℃温度范围内正常工作，工作电流≤15mA，响应时间不超过10s。(2)典型集成湿度传感器线性电压输出式集成湿度传感器：典型产品有Honeywell公司的HIH3605/3610、Humirel公司的HM1500/1520。它们采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度成比例的伏特级电压信号，响应速度快、重复性好，抗污染能力强。线性频率输出式集成湿度传感器：目前典型产品有Humirel公司的HF3223。它采用模块结构，能将相对湿度转换成频率信号并以频率信号形式输出。当相对湿度从10%变到95%，输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。HF3223具有良好的线性度和抗干扰能力，便于适配数字电路或单片机，并且价格低。频率/温度输出式集成湿度传感器：目前典型产品也是由Humirel公司推出的HTF3223。除了具有HF3223的全部功能外，还增加了NTC型热敏电阻作为温度传感器，因而既可输出湿度频率信号测量湿度，也可输出电阻信号实现温度测量。单片智能化湿度/温度传感器：2002年瑞士森斯瑞(Sensiron)公司率先研制出SHT11、SHT15型两种超小型、高精度、多功能式智能湿度/温度传感器，可用来测量相对湿度、温度和露点等参数。SHT11和SHT15电路原理相同，只是测量精度不同。它们被广泛应用于工农业生产、环境监测、医疗仪器、通风及空调设备中。三、电解质湿度传感器电解质是以离子形式导电的物质，分为固体电解质和液体电解质。若物质溶于水中，在极性水分子作用下，能全部或部分地离解为自由移动的正、负离子，称为液体电解质。电解质溶液的电导率与溶液的浓度有关，而溶液的浓度，在一定的温度下又是环境相对湿度的函数。

氯化锂湿度传感器的结构AB

B钯丝

A涂有聚苯乙烯薄膜的圆筒电解质氯化锂湿度传感器最为典型03060900.010.1110R/108Ω相对湿度/%①②③④⑤④1.0%LiCl⑤2.2%LiCl③0.5%LiCl②0.25%LiCl①PVAC氯化锂湿度传感器的阻—湿特性组合式氯化锂的阻—湿特性03060900.010.1110相对湿度/%R/108Ω把不同感湿范围的单片湿度传感器组合起来,可制成相对湿度工作量程为20％～90％RH的湿度传感器四、陶瓷湿度传感器利用半导体陶瓷材料制成的陶瓷湿度传感器。具有许多优点：测湿范围宽，可实现全湿范围内的湿度测量；工作温度高，常温湿度传感器的工作温度在150℃以下，而高温湿度传感器的工作温度可达800℃，响应时间较短，精度高，抗污染能力强，工艺简单，成本低廉。

典型产品是烧结型陶瓷湿敏元件是MgCr2O4－TiO2系。此外，还有TiO2-V2O5系、ZnO－Li2O－V2O5系、ZnCr2O4系、ZrO2－MgO系、Fe3O4系、Ta2O5系等。这类湿度传感器的感湿特征量大多数为电阻。除Fe3O4外，都为负特性湿度传感器，即随着环境相对湿度的增加，阻值下降。也有少数陶瓷湿度传感器，它的感湿特性量为电容。

1、结构该湿度传感器的感湿体是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。这种多孔陶瓷的气孔大部分为粒间气孔,气孔直径随TiO2添加量的增加而增大。粒间气孔与颗粒大小无关,相当于一种开口毛细管,容易吸附水分。材料的主晶相是MgCr2O4相,此外,还有TiO2相等,感湿体是一个多晶多相的混合物。陶瓷湿敏元件结构图护圈电极感湿陶瓷氧化钌电极加热器基板电极引线

2、主要特性与性能

（1）电阻一湿度特性

MgCr2O4－TiO2系陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特性，随着相对湿度的增加，电阻值急骤下降，基本按指数规律下降。在单对数的坐标中，电阻—湿度特性近似呈线性关系。当相对湿度由0变为100％RH时，阻值从107Ω下降到104Ω，即变化了三个数量级。20406080100103104105106107108相对湿度/%R/Ω

（2）电阻—温度特性是在不同的温度环境下，测量陶瓷湿度传感器的电阻—湿度特性。从图可见，从20℃到80℃各条曲线的变化规律基本一致，具有负温度系数，其感湿负温度系数为–0.38％RH／℃。如果要求精确的湿度测量，需要对湿度传感器进行温度补偿。

20406080100103104105106107108相对湿度/%20℃40℃60℃80℃R/ΩMgCr2O4-TiO2系湿度传感器的电阻—温度特性MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的时间响应特性20406080100010203094%RH50%RH1%RH50%RH

t/s%RH

（3）响应时间响应时间特性如图。根据响应时间的规定，从图中可知，响应时间小于10s。（4）稳定性制成的MgCr2O4-TiO2系陶瓷类湿度传感器，需要实验：高温负荷实验(大气中，温度150℃，交流电压5V，时间104h)；高温高湿负荷试验(湿度大于95％RH，温度60℃，交流电压5V，时间104h)；常温常湿试验[湿度(10～90)％RH，温度(–10℃～＋40℃)]；油气循环试验(油蒸气↔加热清洗循环25万次，交流电压5V)。经过以上各种试验，大多数陶瓷湿度传感器仍能可靠地工作，说明稳定性比较好。

五、高分子湿度传感器用有机高分子材料制成的湿度传感器，主要是利用其吸湿性与胀缩性。某些高分子电介质吸湿后，介电常数明显改变，制成了电容式湿度传感器；某些高分子电解质吸湿后，电阻明显变化，制成了电阻式湿度传感器；利用胀缩性高分子（如树脂）材料和导电粒子，在吸湿之后的开关特性，制成了结露传感器。

（一）电容式湿度传感器

1、结构高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的基本结构。高分子薄膜上部电极下部电极

2、感湿机理与性能电容式高分子湿度传感器，其上部多孔质的金电极可使水分子透过，水的介电系数比较大，室温时约为79。感湿高分子材料的介电常数并不大，当水分子被高分子薄膜吸附时，介电常数发生变化。随着环境湿度的提高，高分子薄膜吸附的水分子增多，因而湿度传感器的电容量增加．所以根据电容量的变化可测得相对湿度。（2）响应特性由于高分子薄膜可以做得极薄，所以吸湿响应时间都很短，一般都小于5s，有的响应时间仅为1s。（3）电容一温度特性电容式高分子膜湿度传感器的感湿特性受温度影响非常小，在5℃～50℃范围内,电容温度系数约为0.06％RH/℃

相对湿度/%050100200250300350电容—湿度特性C/pF（f=1.5MHZ）（1）电容—湿度特性其电容随着环境温度的增加而增加,基本上呈线性关系。当测试频率为l.5MHz左右时,其输出特性有良好的线性度。对其它测试频率,如1kHz、10kHz，尽管传感器的电容量变化很大,但线性度欠佳。可外接转换电路,使电容—湿度特性趋于理想直线。

（二）电阻式高分子膜湿度传感器1、结构聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的结构。

引线端感湿膜聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的结构梳状电极基片

2、主要特性（1）电阻—湿度特性当环境湿度变化时，传感器在吸湿和脱湿两种情况的感湿特性曲线，如图。在整个湿度范围内，传感器均有感湿特性，其阻值与相对湿度的关系在单对数坐标纸上近似为一直线。吸湿和脱湿时湿度指示的最大误差值为(3～4)％RH。1K30405060708090吸湿10K100K1M10M相对湿度/%R/Ω脱湿Δ<±3%RH电阻—湿度特性

（2）温度特性聚苯乙烯磺酸锂的电导率随温度的变化较为明显，具有负温度系数。在(0～55)℃时，温度系数为(–0.6％～–1.0％)RH/℃。

04020104608010050℃10102103聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的湿度特性25℃40℃R/Ω相对湿度/%

（3）其它特性聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的升湿响应时间比较快，降湿响应时间比较慢，响应时间在一分钟之内。湿滞比较小，在(1％～2％)RH之间。这种湿度传感器具有良好的稳定性。存储一年后，其最大变化不超过2％RH，完全可以满足器件稳定性的要求。高分子薄膜湿度传感器的缺点是：对于含有机溶媒气体的环境下测湿时，器件易损坏；另外不能用于80℃以上的高温。

六、湿度传感器的测量电路

（一）检测电路的选择

1、电源选择一切电阻式湿度传感器都必须使用交流电源，否则性能会劣化甚至失效。电解质湿度传感器的电导是靠离子的移动实现的，在直流电源作用下，正、负离子必然向电源两极运动，产生电解作用，使感湿层变薄甚至被破坏；在交流电源作用下，正负离子往返运动，不会产生电解作用，感湿膜不会被破坏。交流电源的频率选择是，在不产生正、负离子定向积累情况下尽可能低一些。在高频情况下，测试引线的容抗明显下降，会把湿敏电阻短路。另外，湿敏膜在高频下也会产生集肤效应，阻值发生变化，影响到测湿灵敏度和准确性。

2．温度补偿湿度传感器具有正或负的温度系数，其温度系数大小不一，工作温区有宽有窄。所以要考虑温度补偿问题。对于半导体陶瓷传感器，其电阻与温度的的关系一般为指数函数关系，通常其温度关系属于NTC型，即H：相对湿度；T：绝对温度；R0：在T=0℃相对湿度H=0时的阻值；A：湿度常数；B：温度常数。温度系数＝湿度系数＝湿度温度系数＝若传感器的湿度温度系数为0.07％RH/℃，工作温度差为30℃，测量误差为0.21％RH/℃，则不必考虑温度补偿；若湿度温度系数为0.4％RH/℃，则引起12％RH/℃的误差,必须进行温度补偿。

3．线性化

湿度传感器的感湿特征量与相对湿度之间的关系不是线性的，这给湿度的测量、控制和补偿带来了困难。需要通过一种变换使感湿特征量与相对湿度之间的关系线性化。下图为湿度传感器测量电路原理框图。

A2A1A3A4A5A6++__湿敏元件R1R2R3R4R5R6RTUSCC1C2C3W湿度传感器测量电路原理框图D1振荡器放大电路传感器驱动电路整流电路对数温补电路

（二）典型电路

电阻式湿度传感器，其测量电路主要有两种形式:

1．电桥电路振荡器对电路提供交流电源。电桥的一臂为湿度传感器，由于湿度变化使湿度传感器的阻值发生变化，于是电桥失去平衡，产生信号输出，放大器可把不平衡信号加以放大，整流器将交流信号变成直流信号，由直流毫安表显示。振荡器和放大器都由9V直流电源供给。电桥法适合于氯化锂湿度传感器。振荡器电桥放大器桥式整流电表指示直流电源9V湿度传感器电桥测湿电路框图100kΩ传感器湿度3AX3╳210kΩ100kΩ╳63DG62kΩ2kΩ2.2kΩ9V10μF10μF20μF10μF20μF3kΩ╳2U10μF51kΩ51kΩ100mA便携式湿度计的实际电路

2．欧姆定律电路此电路适用于可以流经较大电流的陶瓷湿度传感器。由于测湿电路可以获得较强信号，故可以省去电桥和放大器，可以用市电作为电源，只要用降压变压器即可。其电路图如图。

欧姆定律电路~220V22kΩ51kΩ3V2AP9╳4输入Rd插口0.05μF╳2

3．带温度补偿的湿度测量电路

在实际应用中，需要同时考虑对湿度传感器进行线性处理和温度补偿，常常采用运算放大器构成湿度测量电路。下图为湿度测量电路中Rt是热敏电阻器(20kΩ，B=4100K)；RH为H204C湿度传感器，运算放大器型号为LM2904。该电路的湿度电压特性及温度特性表明：在(30％～90％)RH、15℃～35℃范围内，输出电压表示的湿度误差不超过3％RH。

_+_+1V120HZ51kΩ91kΩ22kΩ91kΩRH+12V-12VD20μF47kΩ100kΩ100kΩ330kΩUOUT-VSRtA2A13.5.2基于湿敏电阻的相对湿度测量电路湿敏电阻因其灵敏度高、价格低廉而成为最常见的湿敏传感器。但在应用湿敏电阻设计相对湿度测量电路时，需要解决以下四个方面的问题，以便实现电路的优化设计。①相对湿度受环境温度影响，必须维持湿敏电阻在恒温下工作方可保证测量的准确性；②湿敏电阻的阻值与相对湿度之间存在严重非线性，电路需要采取相应的补偿措施；③鉴于直流电流流过湿敏电阻时的电化学迁移而损坏湿敏电阻，必须采用交流或对称方波信号来驱动湿敏电阻；④测量电路应具有校准相对湿度功能。根据上述要求，可以构思出相对湿度测量电路框图，如图3.35所示。下面给出一种由通用元件构建的高精度相对湿度测量电路，并介绍其工作原理及相关设计技巧。相对湿度测量电路如图3.36所示。以结型场效应管(JFET)为输入级的运放IC1a(1/4LF347)、三端可调电流源IC2(LM334)和二极管桥路(VD1～VD4)组成精密对称方波发生器，其输出UO1经缓冲器(IC1b)驱动PCRC—55型湿敏电阻；晶体管VT1和运放IC1c组成对数放大器，对湿敏电阻进行全局线性化处理并兼有半波整流作用，其输出UO2送至运放IC1d的反相输入端；运放IC1d和电位器RP1、RP2构成相对湿度校准电路，其中RP1用以校准40%RH的刻度，RP2则用以校准100%RH的刻度，校准后的信号经过滤波电容C3得到直流信号，再经过输出放大器IC3a放大，最终得到0～+10V的输出电压。PCRC—55型湿敏电阻是用经过化学方法处理的聚苯乙烯聚合物制成的，RH测量范围为0～100%，精度±1%，温度系数-0.36%RH/℃。由于电阻值R与相对湿度RH之间的关系近似为指数曲线，当RH从20%变化到100%时，电阻值就从100MΩ迅速减小至35kΩ，并且在RH≤40%时的非线性最为严重，因此其线性补偿须分段处理。图3.36中，在40%～100%RH相对湿度范围内，湿敏电阻的线性化处理工作是利用对数放大器中晶体管VT1发射结电压与集电极电流之间的对数关系来实现的。而在湿度低于40%RH(湿度为40%RH这一点称为断点)时，除了对数放大器的线性化处理外，还通过使用并联在输出放大器(IC3a)两端的断点放大器来保证输出电压与相对湿度之间的线性关系。断点放大器由IC3b、VD6和VT4构成，由于精密基准电压源集成电路IC4输出电压仅6.95V，不难算出IC3b的同相输入端电压为0.37V，因而当RH>40%后，IC3b反相输入电压高于同相输入电压，使VD6和VT4都截止，断点放大器不工作，只有在RH<40%范围内断点放大器方可工作，从而实现对0～40%RH的进一步线性化。当环境温度发生变化时，晶体管VT1的直流工作点也会改变，这必然影响对数放大器的输出特性，因此必须对VT1采取一定的温度补偿措施。温度补偿电路是由基准电压源IC4(LM329)、低电压音频放大器IC5(LM389)、+12V输出的三端稳压器IC6(7812)和VT2、VT3组成，VT2的集电结与发射结作温度传感器使用，VT3作为加热器给VT1提供一个+50℃的工作温度，使之不受外界环境温度变化的影响。对该电路进行调试时，首先将VT3的基极接地并置于+50℃环境，然后通电调节R19使IC5反相输入端电压与VT2的基极电压一致，最后将将VT3的基极与地脱开，即可使温度补偿电路具有+50℃的恒温特性。相对湿度测量仪的校准方法是：在输出端与地之间接一块满量程为20V的41/2DVM，用一只35MΩ电阻代替湿敏电阻，调节RP1使仪表读数为100.00%RH，再用一只8

MΩ电阻代替湿敏电阻，调节RP2使仪表读数为40.00%RH，如此重复，直至调节RP1和RP2时互不影响仪表读数。最后用一只60MΩ电阻代替湿敏电阻，适当调节断点放大器中R12的阻值使仪表读数为24.00%RH即完成全部调试工作，调试完毕后仪表即可投入使用测量相对湿度。上述相对湿度测量仪的测量范围为0.00%RH～100.00%RH，测量精度达±2%，分辨力为0.01%，由于全部使用通用元器件，因而成本低廉，易于推广应用。但在更换湿敏电阻后，必须重新校准，并且也需要根据所用湿敏电阻的工作温度特性来修正其RH读数。3.5.3基于湿敏电容的相对湿度测量电路湿敏电容是利用其电容量随环境湿度变化而变化的原理来进行湿度测量的，其电容变化量与环境湿度之间存在单值对应关系。根据电容测量方法，基于湿敏电容的相对湿度测量电路可以采用电压输出式和频率输出式两种主要形式。下面结合美国Humirel公司生产的HS1100/1101型湿敏电容，介绍基于湿敏电容的相对湿度测量电路的设计。1.

HS1100/1101型湿敏电容图3.37电容与湿度关系响应曲线C/pF1602102052001951901851801751701651009080706050403020100RH(%)TA=25℃f=10kHzHS1100/1101型湿敏电容在电路中都用可变电容符号表示，2个引脚，为使测量具有良好重复性，通常将其中1个引脚接地。HS1100和HS1101具有相同的性能，区别仅仅是封装形式不同，HS1100靠顶部来接触空气，HS1101靠侧面接触空气。HS1100/1101应用于相对湿度测量时，其测量范围为0～100%RH，在33%～75%RH内的平均灵敏度可达0.34pF/RH，输出电容容量在55%RH下的标称值为180pF，变化范围为163～201pF，湿度滞后量为±1.5%RH，响应时间典型值为5s。图3.37给出了在室温25℃、工作频率为10kHz测试条件下，HS1100/1101型湿敏电容的电容量与相对湿度的响应曲线。不难看出，RH=55%时HS1100/1101的电容量C0=181.5pF，当RH从0%变到100%时，HS1100/1101的电容量就从163pF变到201pF。并且由于电容量与相对湿度之间关系存在非线性，因而需要对湿敏电容量进行修正。在上述测试条件下，电容量的修正可按下式进行：C=(0.90+0.208RH)C0(3.31)如果湿敏电容的工作频率不等于10kHz，则其实际电容C΄为C΄=(1.027-0.01185Inf)C(3.32)2.湿敏电容式相对湿度测量电路(1)线性电压输出式相对湿度测量电路线性电压输出式相对湿度测量电路框图如图3.38所示。其特点是将HS1100/1101作为电容器接入桥式振荡器中，当相对湿度发生变化时，湿敏电容随之改变，使得振荡频率也发生变化，再经过整流滤波器和放大器，即可输出与相对湿度成线性关系的电压信号UO。当电源电压UCC=+5V、TA=+25℃时，输出电压与相对湿度的数据对照列见表3.7。输出电压与相对湿度之间的比例系数为正，输出电压既可直接使用数字电压表(DVM)测量，亦可经A/D转换后由微处理器系统测量。(2)

线性频率输出式相对湿度测量电路线性频率输出式相对湿度测量电路如图3.39所示。利用一片CMOS定时器TLC555，配上HS1100/1101和电阻R2、R4构成单稳态电路，将相对湿度转换成频率信号，电路的输出频率范围为7351Hz～6033Hz，所对应的相对湿度为0～100%。当RH=55%时，f=6660Hz。输出频率可送到数字频率计或单片机系统，测量并显示出相对湿度值。电路中，由UCC、R4、R2、HS1100/1101和地构成HS1100/1101的充电回路，HS1100/1101、R2、D端、内部放电管和地构成HS1100/1101的放电回路。当HS1100/1101被充电至TLC555的高触发电平(UH=0.67UCC)，TLC555翻转，从OUT端输出低电平；当HS1100/1101被放电至TLC555的低触发电平(UL=0.33UCC)，TLC555再次翻转，从OUT端输出高电平。周而复始地充电、放电，即形成了振荡。HS1100/1101的充电时间t1、放电时间t2分别为t1=C(R2+R4)In2t2=CR2In2输出波形的频率f和占空比P分别为f=T-1=(t1+t2)-1=[C(2R2+R4)In2]-1(3.33)P=t1/T=t1/(t1+t2)=(R2+R4)/(2R2+R4)(3.34)通常取R4<<R2，使P≈50%，输出接近方波。当RH=55%、TA=+25℃时输出频率与相对湿度之间的数据对应关系见表3.8。若RH≠55%，则需要利用式(3.35)对输出频率进行修正。f΄=(1.1038-0.1979RH)f(3.35)此外，在电路设计时，如果选用其它型号CMOS定时器，需对R1、R2的阻值作适当调整，R1的作用在于改变定时器的阈值电压，使之与HS1100/1101的温度系数相匹配，R1宜采用温度系数+100×10-6/℃、误差±1%的金属膜电阻。为确保电路能可靠工作，R4阻值不能太小。3.5.4SHT11/15型单片智能湿度/温度传感器及其应用SHT11/15是瑞士森斯瑞(Sensirion)公司于2002年在世界上率先推出的两种超小型、高精度、自校准、多功能式智能传感器，可用来测量相对湿度、温度和露点等参数。SHT11和SHT15的原理相同，只是测量精度方面存在一定差异。它们被广泛用于工农业生产、环境监测、医疗仪器、通风及空调设备等领域。SHT11/15型湿度/型温度传感器采用CMOSens(CMOS-Sensor)专利技术研制而成，将传感器(sensor)与变送器(transmitter)有机融合于一起，为开发高精度湿度/温度智能检测系统提供了一种有效的解决方案。其内部电路主要由相对湿度传感器(特殊聚合物制作成的湿敏电容)、带隙式温度传感器(输出电压与温度成正比，简称VPTAT)、放大器、可编程的14bitA/D(SHT15)或12bitA/D(SHT11)转换器、校准存储器(一次性可编程，OTP)、易失性存储器RAM、状态寄存器、循环冗余校验码(CRC)寄存器、加热器、低电压检测电路、二线串行接口和控制电路等12部分组成，如图3.40所示。其中湿度传感器的测量范围为0～100%RH，最高分辨力为0.03%RH(12bit)或0.5%RH(8bit)，精度可达±2%RH(SHT15)、±4%RH(SHT11)(常规湿度测量方法的精度在±5%RH～±20%RH)，响应时间仅需4s；温度传感器的测温范围为-40℃～+123.8℃，最高分辨力为0.01℃(12bit)或0.04℃(8bit)，响应时间为5～30s。湿度、温度两只传感器在出厂前已作过精密校准，校准系数被编成相应程序存入校准存储器中，在测量过程中可进行测量自动校准。同时，由于两只传感器共享一个底座并且同时对被测量作出响应，因此能测量同一位置的相对湿度和温度，这对于测量露点温度十分有用。内部模数转换器可以由状态寄存器中的D0位进行编程控制。上电或复位后，状态寄存器中的D0位为0，此时SHT11/15默认的湿度/温度分辨力为12bitRH/14bitT。如果编程将状态寄存器中的D0位置1，则分辨力分别降低至8bitRH/12bitT。通过降低测量分辨力，可以提高芯片的测量速度，减小芯片的功率损耗。内部加热器也由状态寄存器进行控制。若将状态寄存器的D2位置1，该加热器接通电源，可使传感器的温度升高大约5℃，电源电流亦增加8mA(采用+5V电源)。使用加热器具有三方面好处：①通过比较加热前后测出的相对湿度与温度，可确定传感器是否工作正常；②在潮湿环境下使用加热器，可避免传感器凝露；③为测量露点提供方便。低电压检测电路用于检测电源电压。正常工作情况下，SHT11/15的电源电压允许范围为+2.5～+5.0V，休眠模式(SleepMode，上电后默认或测量完毕而无新命令时的工作模式)下电源电流为0.3μA，测量阶段的工作电流为550μA。当电源电压低于+2.45V±0.1V时，状态寄存器的D6位立即被刷新，使芯片不工作，从而起到保护芯片的作用。可见，利用内部状态寄存器可完成不同功能，状态寄存器的位格式规定见表3.9。在受到较强静电放电(ESD)干扰时，可能引起易失存储器中所存校准数据丢失，因此芯片默认为在每次测量前都从校准存储器中重新读出校准数据，再写入易失存储器中。但这必然导致测量时间延长，测量速度降低，也增加芯片的功耗。如果能确定测量过程中不会受到强烈ESD干扰，则可以将状态寄存器的D1置1，不进行易失存储器重新加载，并且可以节省8.2ms时间。SHT11/15采用二线串行接口与外界联络，二线串行接口包括串行时钟线(SCK)和串行数据线(DATA)。SCK用于接收μC(主机)发来的串行时钟信号，使SHT11/15与主机保持同步；为三态双向引出端，既可输入数据，也可输出数据，不用时呈高阻态。为确保传输数据正确，在DATA与电源正端UDD之间需要接入上拉电阻(10kΩ)。仅当DATA的下降沿过后且SCK处于上升沿时刻，方可更新数据。对串行时钟最低频率没有任何限制，芯片可以在极低频率下工作，但值得注意的是，该二引串行接口并不与I2C总线兼容。SHT11/15的命令集见表3.10。SHT11/15测量相对湿度/温度的过程为：上电后SHT11/15经过10ms时间后方进入休眠模式，在此之前不能向它传输任何命令。在发出测量命令(温度测量命令为03H，相对湿度测量命令为05H)后，芯片被“唤醒”，微处理器或单片机即可启动SCK直至完成测量(8bit、12bit、14bit的测量时间分别为11ms、55ms和210ms)；然后数据线拉成低电平，μC又重新启动SCK，接着传输2字节的测量数据和1字节的CRC校验码数据。μC必须将数据线拉成低电平，才能为每个字节产生应答信号。数据按从最高位到最低位的顺序传输。循环冗余校验码(CRC码)的产生和校验使用的生成多项式都为G(x)=x8+x5+x4，用以校验测量和数据传输过程中发生的错误。一旦发现错误，SHT11/15即重新设置(命令为1EH)，再次进行测量。测量后SHT11/15输出的湿度读数值(N)、温度读数值(M)与相应的相对湿度(RH)、温度(T)之间是一种非线性关系。为了获得准确的湿度、温度测量值，必须对读数值进行非线性补偿。对于相对湿度的非线性补偿，在TA=+25℃情况下，当进行12bitA/D转换时，按式(3.36)进行补偿；当进行8bitA/D转换时，按式(3.37)进行补偿。RH=(C1+C2N+C3N2)%=(-4+0.0405N-2.8×10-6N2)%(3.36)RH=(-4+0.648N-7.2×10-4N2)%(3.37)需要指出的是，式(3.36)与式(3.37)中的N值并不相同。例如，对于读数值N=1000，进行12bitA/D转换时将N=1000代入式(3.36)计算得到补偿后的相对湿度RH=33.70%；而进行8

bitA/D转换时，在将读数值N代入式(3.37)前需先将其缩小24倍，才能得到正确的相对湿度补偿结果，于是补偿后的相对湿度RH=36.11%。如果环境温度TA≠+25℃，还需要对相对湿度传感器进行温度补偿，补偿方法为：进行12bitA/D转换时：RHT=(T–25)(0.01+0.00008N)%+RH(3.38)进行8bitA/D转换时：RHT=(T–25)(0.01+0.00128N)%+RH(3.39)对于温度测量值的非线性补偿，按式(3.46)进行：T=d1+d2M(3.40)式中，d1和d2均为常数。在不同情况下，d1、d2的大小根据表3.11确定。露点是湿度测量中的另一重要参数，它表示在水气冷却过程中最初发生结露的温度。为了计算露点，Sensirion公司向用户提供了一个测量露点程序“SHT1xdp.bsx”。利用该程序可以控制内部加热器的通断，再根据所测得的温度值与湿度值计算出露点。在命令响应界面上运行此程序时，用户在提示符“>”后先输入字母“S”，然后再输入相应数字，即可获得下述结果：输入数字“1”时，测量并显示出摄氏温度dgC=xx.x；输入数字“2”时，测量并显示出相对湿度%RH=xx.x；输入数字“3”时，打开加热器，使传感器温度升高5℃；输入数字“4”时