基于测频测周方法集成的高分子湿度仪

　　在工农业生产与日常生活中,对湿度的测量需求越来越普遍,对各式湿度传感器的研究已成为传感领域的热点.智能化(电阻式)高分子薄膜湿度仪一般是把其传感器件的阻值随湿度而变化的关系[1]转换成其它诸如压等易于测量的电量与湿度变化的关系[2~4],传感信号放大后经A/D转换送入单片机处理,由已知电压大小进而测出其湿度值.这种方法的优点是系统响应较快、工作原理简明、技术成熟.作者在研制“智能化高分子湿度仪”的初期也采用该方法.然而,由于湿敏器件阻值变化范围大(变化范围超过四个数量级)[1],一方面传感模拟信号必须先经过对数放大或程控放大处理再送入A/D转换器,否则测量精度难以保证;另一方面如果是远距离测量,势必还有一个信号传输干扰问题.

　　本文在前期研究的基础上,研究了一种基于测频测周方法集成的高分子湿度仪,它把传感器件的阻值随湿度而变化的关系转换成频率信号与湿度变化的关系,把频率信号送到单片机,根据频率大小(因为阻值变化范围超过四个数量级),分别用测频或测周方法加以处理,最终得出湿度值.该方法充分利用频率信号便于远距离传输、抗干扰能力强的优点,测频测周方法集成具有测量范围宽的特点.本文重点研究测频测周方法集成如何应用和实施,有关数据处理(包括温度补偿方法)可见文献[5].

　　1　测频测周方法集成湿度仪的基本原理

　　图1是作者研制的测频测周方法集成的高分子湿度仪的原理框图.图中除了一路湿度传感以外,还有一路温度传感,那是由于高分子湿敏器件除对环境湿度敏感外,对温度也较敏感(湿度温度系数一般在0.2~2.3%RH/℃范围内),在不同的温度环境下其器件的感湿特性曲线也不同,必须补偿温度对传感特性的影响.

　　湿敏器件可以等效为电阻、电容元件混合的复杂二端网络[1],在一定的频率f下,可简化为图2所示的等效电路.两个利用555定时器构成的振荡电路(见图3)分别把湿敏元件的电阻随湿度的变化,以及热敏电阻的阻值随温度的变化转化为两路频率信号fH和fT.在CS≥2CQ的条件下,湿度通道的振荡电路的频率输出fH=1/TH, TH可按下式计算:

　　式中:A =(R1+RS)CSCQCS+CQ,B =0.9CQCS+CQ,D =RSCSCQCS+CQ,R1、R2、RS、CS和CQ如图3所示.而温度通道振荡电路的频率输出fT=1/TT,TT可按下式计算:

　　式中:R3、C4如图3所示, RT为热敏电阻.

　　两路频率信号通过光电耦合器件进行光电隔离,由线接收器和非门构成通道选择开关,信号整形由带斯密特触发的非门完成.8031单片机系统实现测频测周方法的集成,通过进一步的数据处理[5],最终得到消除了温度因素影响的较为准确的湿度值,并显示输出.