一种具有温度补偿的盐雾湿度传感器的设计教学文案

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。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

2、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：AAStudyonaKindofHumiditySensorWhichUsesTemperatureCompensationMethodandCanWorkinSaltAirLiWen-qiangYangLuWangWan-yue(NorthUniversityofCHINA,TaiYuan,030051)Abstract:Thisarticleintroducesastudyonakindofhumiditysensorwhichcanmeasuretemperaturean

3、dhumidityinsaltair.ItusespowerregulatorofTSP63002toresolvevoltagefluctuationwhichcanaffectoscillationfrequency;ItHYPERLINKjavascript:void(0)automaticallyHYPERLINKjavascript:void(0)switchesHYPERLINKjavascript:void(0)capacitancesbysimulateelectronicon-offintheconditionofhighHYPERLINKjavascript:void(0)

4、humidityandlowHYPERLINKjavascript:void(0)humidity,andfiguresouttheinfluenceofmeasuringfrequencytoHYPERLINKjavascript:void(0)metricalHYPERLINKjavascript:void(0)precision;ItusestemperaturecompensationbyfittedcurveinordertoimprovesthereliabilityandHYPERLINKjavascript:void(0)precisionofthemeasurementres

5、ult.Intheend,itanalysestestresultbywayofcomparingcompensatedcurvewiththefactual.Itcansurpassorachieveperformanceindexbymeasuredagainstpracticalneedsafterithasbeenusedonthesea.KeyWords:TemperatureCompensation,MacromoleculeHumidityResistance,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、

6、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。

7、本文主要介绍湿敏电阻及其后续处理电路和温度补偿。图1系统组成框图Fig1Systemcompositiondiagram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Fig2Interiorstructureofhumidityresistance本湿敏电阻的主要特性如下：工作温度：1060；工作湿度

8、：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C1和C2等效为电容C12，把R3和RP等效为电阻R3P。图3湿度采集电路图Fig3HYPERLINKjavascript:void(0)CircuitdiagramofHYPERLINKjavascript:void(0)g

9、atheringHYPERLINKjavascript:void(0)temperature2.1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UO将迅速上升为+UZ，则（1）与此同时，UO将通过R1使C12充电，UC由零向正方向逐渐上升。在u_u+期间，UO=-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UO=+UZ。如此周而复始，在输出端UO将产生方波信号，方波的幅值为UZ。利用单片机对UO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

10、）其中，UC(0)为在选定时起点时电容C12上的电压值，即（4）UC()是t=时，电容电压的终值（5）是电容充电、放电时间常数（6）将这些值代入式（3），得（7）式中，t=t-t1,且t1tt2。当时，则（8）于是（9）解此式可得方波的周期为（10）由此式可见，改变R1、C12、R5和R3P都能改变方波周期。当测试电路确定以后，R1、C12、R5和R3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）式中，t为单位时间，即每次的测量时间，由单片机的

11、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%RpTD。因此，低湿范围（55%RH）要通过其他参数使D，那么R1、C12、R5和R3都可使D；而高湿范围（55%RH）要通过其他参数使

12、D，那么R1、C12、R5和R3都可使D。通过计算和实验，本系统通过电子开关控制K1，在低湿范围使C1工作；高湿范围使C2工作，改变C12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（1.85.5V），具有最大1.7A电流输出

13、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

14、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X0,X1,Xi,XN时在温度tk(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t0,t1,tk,tM和湿度分区点X0,X1,Xi,XN以

15、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t0ttM),将t与温度分区点t0,t1,tk,tM进行比较，找出t所在的温度区间tk-1,tk,k1,M，从而得到在温度tk-1和tk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D0,t,D1,t,Di,t,DN,t。，（i=0，1，N）(12)由单片机测出方波个数D，把D与刚才求得的D0,t,D1,t,Di,t,DN,t相比较(正常情况下D0,tDDN,t)。若Di-1,tDDi,t,则得到具有温度补偿下

16、湿度值为(13)4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。图4补偿后曲线与实际曲线比较Fig4CompareHYPERLINKjavascript:void(0)graphHYPERLINKjavascript:void(0)compensationandfact从图4可以看出，在20%95%RH范

17、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)：48.2M.Dokmeci，K.Najafi.Humiditymeasuringtechnique.J，Metrology&MeasurementTechnique，1999.3S.J.Osadnik,E.L.Prociow.HYPE

18、RLINK/A-zgsy-xsb200610045.htmlReformandDesignofTemperatureandHumidityAutomaticMeasuringSystem.J，InstrumentationTechnology，2003；12(4):4546.4王远.模拟电子技术.M，北京：机械工业出版社.2001.5沈文等.AVR单片机C语言开发入门指导.M，北京：清华大学出版社，2003.6陈俊等.RC电路中涨落电压的统计性质.J，郧阳师范高等专科学校学报，2001；21(3)：3637.7TexasInstrumentsIncorporated.FullyintegratedTPS6300 xbuck-boostconverterext