一种电容式湿度变送器的研制

　　一、引　　言

　　湿度测量和控制不仅对人类日常生活有十分重要的意义,而且在工农业生产等方面也起着十分重要的作用。目前,国内外各种湿度测量元件种类很多,各有特点。经过多方面比较,本研究选用高分子电容式湿敏元件。它的测湿原理是:用高分子膜作为电介质,加上金属电极,构成电容器。当电容器结构确定后,电容值仅与介电常数有关,而高分子膜的介电常数随着周围湿度的增加而增大,所以可以据此来测湿度。这种湿敏元件有以下优点:

　　(1)长期稳定性好。它以物理吸附为主,与以化学吸附为主的湿敏元件相比,这种高分子膜的脱湿和吸湿较容易。

　　(2)灵敏度高,温度系数小,响应时间短,工作频率为:1kHz~1MHz。

　　(3)体积小,加工工艺成熟,易于集成化和大批量生产。

　　二、变送器的电路设计

　　本研究设计的湿度变送器相对湿度测量范围为:0~100%RH,输出电压为:1~5V。变送器电路基本工作原理如图1所示。

　　多谐振荡器产生周期为T的恒定脉冲去触发后续的单稳态触发器。单稳态触发器产生的脉冲宽度由湿敏电容值控制,因此脉宽TX正比于湿敏电容值 CX。由单稳态触发器输出的脉动信号经过直流滤波电路进行调整后,输出的直流信号经放大电路,进行信号放大;同时调零电路调整对应于湿度的电压信号,保证在湿度测量范围内,输出的对应电压值在1~5V之间;另外温度补偿电路消除温度变化对测量电路的影响。最后变送器输出一个与湿度相对应的标准直流电压信号。

　　由多谐振荡器和单稳态触发器组成脉宽调制电路,使脉宽TX与湿敏电容C_X有如下关系:

　　从式中可知:R、T和V_电源都是常数, Vi与CX就有一一对应的关系,由此可以建立湿度与输出电压的函数关系。输出电压的变化就反映了湿度的变化。

　　由于湿敏电容的电容值小,易受干扰,不便与远距离传送,所以将其与脉宽调制电路集成在一起,一定程度上消除了外部干扰电容的引入,保证变送器测量准确。变送器电路中以LM358进行信号放大和调零,以AD590进行温度补偿。

　　采用CMOS型555集成电路有如下优点:555时基电路将模拟功能与数字逻辑功能相兼容,能产生精确的振荡脉冲,使用单电源,体积小、抗干扰、功耗小。变送器整体结构紧凑,体积很小,输出信号为放大器的低阻输出信号──直流电压,抗干扰能力强,便于远距离信号传输。

　　三、实验结果及分析

　　本研究用饱和盐溶液来提供标准湿度。为了获得准确的湿度,必须有高精度的恒温装置。这里采用智能式恒温仪,可以自行设定温度,自动选择加热和制冷的比例,恒温速度快,恒温精度达到0.2℃。实验中,从0℃到80℃,每隔10℃测定一条一定温度下的湿度变送器输出电压V与相对湿度U的特性曲线,如图2所示。