採用IC感應器的相對濕度測量

採用IC感應器的相對濕度測量 謝長江　尤麗華 摘要:在比較各種相對濕度測量方法及感應器的基礎上，結合執行個體介紹了整合濕度感應器的特性及使用方法，指出使用條件的影響因素及補償途徑，給出了帶有溫度效應補償作用的相對濕度檢測具體實現線路，並提供了檢測軟體計算的具體運算式，分段實施的對比實驗結果，以及檢測過程的外界條件限制。 關鍵詞:相對濕度，感應器，整合，測量，微處理器 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　相對濕度檢測的感應器特性 1.1　常用濕度感應器比較 　　濕度測量在自動化系統及其他許多技術領域中佔有日趨重要的地位。但是，濕度與溫度等物理量相比是比較難於測量的。其原因主要是，由於空氣中所含的水蒸汽相對空氣來說是微量的，而且水蒸汽對各種物質的影響也錯綜複雜。目前用於濕度測量的感應器及檢測方法已有多種，從使用角度講，一般要求其應具如下特點： 　　① 能準確、快速地測量濕度； 　　② 使用溫度範圍寬； 　　③ 濕度檢測範圍寬； 　　④ 時效變化小； 　　⑤ 外圍電路簡單。 　　目前使用的濕度感應器主要分為吸附型和非吸附型。由於價格、使用環境等原因，廣泛使用的是吸附型感應器。水分子吸附在物體表面或滲入物體內部後，直接影響物體的電氣物理效能，利用這一特性製成了多種吸附型感應器。幾種常用的濕度檢測感應器及其特性見表1所示。儘管經過長期改進和完善，但要完全滿足上述要求還是比較困難的。隨著整合電子技術的發展，整合電路與感測技術相結合，已使感應器原有不足之處發生了很大改觀。 1.2　電容式感應器的工作原理 　　電容式感應器目前是環境濕度及過程濕度檢測的主流，並且是唯一能夠在相對濕度0～100%RH範圍內進行全程檢測的感應器［1］。 表1　常用濕度感應器特性比較

活性物質	熱固彙總物	熱塑彙總物	熱塑彙總物	熱塑物	AIO3	氯化鋰薄膜	蒸發飽和
基底材料	陶瓷或矽	陶瓷或玻璃	聚脂薄膜	NA	NA	陶瓷	NA
測量參數	%RH	%RH	%RH	%RH	%RH	%RH	乾濕球濕度
變化參數	電容	電容	電容	電阻	電阻	導電率	溫度
RH範圍	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%
遲滯	1%～3%RH	2%～5%RH	2%～5%RH	3%～6%RH	＜2%RH	很差	差
回應時間	15～60s	15～90s	15～90s	2～5min	3～15min	3～5min	2～5min
線性度	±1%RH	±1%RH	±1%RH	差	差	很差	差
溫度範圍	-40～185℃	-30～190℃	-25～100℃	10～40℃	-10～75℃	-50～100℃	0～100℃
溫度效應	0.0022%RH/℃	＜0.3%RH/℃	＜0.3%RH/℃	＞1%RH/℃	＞1%RH/℃	＞1%RH/℃	＜0.5%RH/℃
時效	±1%RH/5yr	±1%RH/yr	±1%RH/yr	±3%RH/yr	±3%RH/yr	±1%RH/yr	±0.1%RH/yr
抗腐蝕	優	好	一般	一般	一般	差	一般
抗結露	優	優	好	一般	一般	一般	好

　

電容式濕度感應器主要由保護層、屏蔽層、電容和電極層及基底組成。感應器工作時，活性電容絕緣層的水氣與周圍氣體平衡，屏蔽層主要使感應器與外界絕緣，減少外界非濕度因素對感應器的影響。保護層在感應器的最外層，用以保證感應器免受灰塵和油汙的侵蝕。 　　電容式感應器的保護層和屏蔽層的滲透性要求非常高，當環境中的相對飽和度(水汽平衡點)變化時，直接影響電容的變化。這種變化具有反應迅速、線性度良好、長時間穩定等特點。在增加一些外圍電路後可以很方便地測出電容變化。這是目前電容式感應器測量濕度的普遍形式。 　　隨著感測技術的發展和使用者要求的不斷提高，感應器生產廠商已在多種感應器上整合了訊號調理電路，使感應器本身即能輸出可轉換或稍加整理即可進行轉換的訊號，很大程度上方便了使用者的使用。Honeywell公司在1997年底推出的矽訊號整合濕度感應器IH3605系列即是這種形式。 　　這種感應器(簡稱RHICS)把晶片上訊號調理與敏感電容結合在一起，使感應器線性輸出，其特性被雷射修正。當供電電壓Vs=5 V、環境溫度25 ℃時，在0～100% RH相對濕度範圍內將電壓輸出修正為0.8～3.9 V。由於生產過程的離散性，具體的感應器參數可能有一些差異，廠家出廠時應提供每隻感應器的修正參數。對於供電電壓Vs在4～9 V範圍變化時，輸出電壓 　(1) 其中，Vout為相對濕度Hout時的感應器輸出，Vs為感應器供電電壓，V0和Vf是在溫度25 ℃時、相對濕度為0和Hf條件下的感應器標定輸出電壓(由廠商出廠時標定資料提供)。 　　所有吸附型濕度感應器(電容、電阻、導電薄膜等)的輸出都受溫度的影響，在溫度變化範圍不大時，因為RHICS良好的溫度特性，在使用時經常不需要補償即可進行測量。在溫度變化範圍較大或遠離25　℃時，溫度效應將顯著體現。廠商根據不同溫度下的感應器輸出與實際相對濕度關係(其表面特性1所示)，建立溫度補償公式： Hr=Hs/(1.0546-0.002 16T)；T為溫度，單位℃ (2) 式中Hr和Hs分別為實際相對濕度和感應器出值。此式在不同的溫度範圍會有不同的補償誤差，溫度高時較小(T>20 ℃時為±1%)，溫度低時較大，最大不超過±5%，從某種意義上講，即可依據(2)式將溫度效應產生誤差的95%以上補償掉。 圖1　溫度效應表面特性圖 2　測量硬體實現 　　感測電路已具備弱訊號的處理功能，進行測量時可使用ADC進行直接轉換。在實施時，結合感應器特性考慮以下問題。 2.1　供電電壓 　　感應器的供電電壓範圍為4～9 V，由於廠商在感應器出廠時提供5 V、25 ℃供電時的標定資料，而且為了簡化電源設計，可以採用5 V直流穩定電源供電。當濕度較大時，感應器活性地區的溫度可能會降至露點附近或以下，此時可能會產生結露，在這種情況下，較高的供電電壓會使感應器產生較多的自身熱量，有助於使活性地區溫度高於露點溫度，避免出現冷凝。因此供電電壓的選擇要依據使用方式確定。 2.2　溫度效應 　　在對RHICS進行溫度補償時，要使用溫度感應器，同時要使測溫點儘可能靠近濕度活性感測地區，即處於相同的微環境。可以採用常規測溫元件的小型化產品，當然可以選用帶附加溫度感應器的RHICS，但價格較高。 　　一種實現方便的測量電路2所示。感應器採用5 V供電，溫度測量採用了Pt100的小型元件。類比量的轉化採用INTEL80C196KC的內建ADC，考慮到ADC的解析度和在-50～100 ℃經常使用的溫度範圍內保證0.1 ℃的轉換精度，採用了圖2中的檢測線路。為限制自身熱效應的影響，恒流源輸出為1 mA，經普通消偏差分放大電路調理後使-50～100 ℃溫度範圍對應感應器輸出0～5 V，精度完全可以保證。而RHICS因輸出配量在範圍之內，因而不經其他處理直接轉換。 圖2　測量實現硬體圖 3　功能要求及軟體實現 　　採用RHICS進行相對濕度測量時，要求測量電路具有如下功能： 　　① 感應器參數輸入,根據廠商獨立標定的資料確定感應器特性； 　　② 供電電壓選擇,根據這一輸入及(1)式計算得到測量的Hs； 　　③ 根據Hs及實測溫度計算出實際相對濕度Hr。 　　為計算方便，將(1)式進行處理，得到： 其中K=5 /Vs，設常數 　(3) 　　　　　　　　　　　(4) 　　則測量得到的相對濕度： 　(5) 再由(2)式及測得的溫度T可以得出： 依據(3)、(4)、(5)和(2)式編程即可算出帶補償的相對濕度實際值。該測試的實施條件為無結露及相對穩定的環境(微環境動平衡)。 4　實驗驗證 　　採用以上方法及硬體對感應器進行濕度檢測，考慮到濕度測量的特殊性，為能對其結果進行實驗驗證，用濕空氣與幹空氣混合的方法產生所需的一定濕度的氣體。幹空氣由自行研製的氣源處理裝置產生，經微真空與氧化鋁分子篩過濾後，室溫下其相對濕度可達0.5%以下，與濕空氣混合後可產生相對濕度0.5%以上的氣體。由於一般的濕度測量儀器在低溫範圍內精度很差，將測量範圍劃分為0～10%(低擋)和10%～100%(高擋)二擋，對低檔範圍採用測量，而後查表計算，高檔採用高分子濕度測量儀進行測量。對於低溫範圍，RHICS測量結果與DWS-II微量水分測量儀進行比較，由於DWS-II採用的是五氧化二磷電解平衡分析法，因此只能輸出氣體的水分含量ppm值，由ppm值和溫度通過氣體通用焓濕圖即可查出相對濕度［4］。在穩定條件下實驗結果表明，在低溫範圍內，RHICS的誤差在1%RH以內，而且基本不變。在10%～95%的濕度範圍，採用高分子薄膜濕度測量儀與RHICS測量裝置進行對比實驗，結果表明，濕度較低時對比偏差較小，濕度較高時偏差較大，其偏差範圍在1%～3%之間。對於95%～100%的濕度範圍，由於實驗條件限制，無法產生濕度穩定的不結露氣體，因此未進行驗證。 　　由於濕度測量的特殊，在使用RHICS時應注意一些限制條件。由於感應器需要一定的穩定時間，當環境未達到動平衡時，誤差可能很大。另一點要注意的是，環境條件相對穩定的另一方面即空氣緩速流動(近於靜止狀態)。空氣流動速度較快時(在一定範圍內)，特別在低濕條件下，筆者經實驗證明，其誤差可以大到無法接受的程度(與介質流動速度有關)。對於測量結果與流動速度的關係，由於受多方面因素的影響，因此難以進行定量分析，詳細討論可見參考文獻［6］。 　　由於保護層的原因，RHICS對化學氣體有良好的抵抗性。長時間水汽暴露會增加誤差，但與普通電容式感應器相比，效能大為改善。筆者經過長期實驗證明，後者可能出現感應器大量失效，許多無法恢複，而RHICS在此方面作出了明顯改進。 作者單位:謝長江　尤麗華　無錫市江南大學電子工程系(214063) 參考文獻 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.空氣調節手冊.北京：建築工業出版社，1986.9 4　張福學.感應器應用及其電路精選.北京：電子工業出版社，1992.7 5　寥傳善等.房間濕度的測量與調節.北京：建築工業出版社，1987.4 6　趙玉珍等.濕球溫度與其幾何尺寸及風速的關聯式研究.工程熱物理學報，1989，10(3)