陶瓷湿敏传感器非线性的硬件校正方法

作者：信息来源:电子市场 2007-6-4

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摘要：介绍用硬件校正湿敏传感器非线性的电路及设计方法，指出它们的优缺点，最后给出了设计中必须注意的几个问题。非线性校正。电阻网络半导体陶瓷湿敏传感器具有较好的热稳定性和较强的抗沾污能力，能在恶劣、易污染的环境中测得准确的温度数据，而且还有响应快、使用温度范围宽、可加热清洗等优点，已广泛应用于工农业、...

摘要：介绍用硬件校正湿敏传感器非线性的电路及设计方法，指出它们的优缺点，最后给出了设计中必须注意的几个问题。
关键词：湿敏电阻；非线性校正；电阻网络

　　半导体陶瓷湿敏传感器具有较好的热稳定性和较强的抗沾污能力，能在恶劣、易污染的环境中测得准确的温度数据，而且还有响应快、使用温度范围宽、可加热清洗等优点，已广泛应用于工农业、医疗、家电等多个领域，但其阻值与相对湿度呈指数关系，在宽范围或高精度测控条件下，设计和应用时必须使用硬件或软件方法予以非线性校正，本文主要介绍硬件校正的几种简单方法及其特点。
1　半导体陶瓷湿敏传感器的阻值特性
半导体陶瓷湿敏电阻阻值RH与相对湿度H间的关系为［1］：

　　式中，R0为温度T＝∞，相对湿度H＝0时传感器的阻值，B和A分别为元件的温度和湿度特性常数，记α＝

2　几种简单的硬件校正方法
2．1　利用等效电阻网络校正方法
　　湿敏电阻与固定精密电阻并联组成的非线性校正电路如图2。运放A1把湿度信号转化为相应的电信号，R1、R2、R3均为温度系数很小的精密电阻，R1、R2用来调节电路的放大系数，RH与R3并联等效电路实现湿度线性化，其并联等效电阻阻值为：

合理选择R₃的阻值，可将非线性校正到满意的程度。
分析式（2）可知，在低湿区，RH的阻值很大，曲线R（H）趋近于；在高湿区，RH阻值很小，R_H<<R₃。R（H）近似于RH，并趋近于零。R（H）曲线一条与RH、R3阻值有关的倒“S”型曲线，如图3所示。曲线上存在一拐点P，在P点附近一段湿区内，曲线R（H）近似为直线段；在拐点上，曲线斜率最大，灵敏度最高，一阶导数存在极大值，二阶导数为零；离拐点愈远，斜率越小，灵敏度愈低，曲线R（H）直线性愈差。系统工作湿区确定后，使湿区中点与曲线R（H）的拐点湿度HP重合，则在拐点湿度HP附近可得到线性较好的湿度输出信号。为求出满足上述条件的电阻R₃

　　因此，只要选择电阻R3，使其阻值与测湿中点处的湿敏阻值相等，则图2中的湿度输出信号在其测湿中点附近的线性度将得到很大改善。
　　类似方法可分析湿敏电阻与固定精密电阻串联的等效电阻网络的校正方法。
　　由上可知，种校正方法简单，准确度高，但测湿范围窄，且降低了电路的灵敏度。进一步提高测湿范围可采用串并联等效电阻网络，建立更完整的数学模型，通过优化方法确定最佳电阻网络的阻值。这种校正方法可阅文献［2］进行分析设计。
2．2　对数压缩校正法
　　陶瓷湿敏电阻阻值与相对湿度呈指数关系，因此可以采用对数压缩方法进行非线性校正，如图4所示。图中运放A1、A2均构成反相放大器，BG002为对数电

　　选择电阻R1、R3、R4值，使R4 VIα＝R1 R3 Vref，则：V0＝AKH，即输出信号与相对湿度成线性关系。这种关系要求选用的陶瓷湿敏元件的湿阻特性必须是指数关系，否则将严重影响测量的精度。
2．3　确定增益校正法［3］
根据湿敏电阻特性，可通过设计确定放大器增益的方法进行非线性校正，如图5所示。据电路知识有：

设H0为测湿范围最低点，对上式进行处理。令为使增益K与相对湿度成线性关系，用泰勒级数展开，得：

　　因此，选择电阻R1、R2、Rf阻值，使之满足式（3）、（4）关系，即可使V0得到线性输出。忽略四阶以上高次项，可得其线性度误差δ＝K3（H－H0）3。该方法可根据实际需要的湿度精度δ，选择合适的湿敏电阻及R1、R2、Rf值。
2．4　湿度—频率变换校正法

　　这种校正方法误差小，同时起到了A／D转换的作用，提供了数字式输出。
3　电路设计中的几点补充
3．1　激励电源
　　半导体湿敏器件在直流电源的作用下会产生电解作用而破坏感湿膜，使性能恶化甚至完全失效，因此要求在交流回路中工作。一般选择以0V为中心对称、失真非常小的正弦波。为避免感湿膜产生集肤效应引起湿敏阻抗的漂移，以及分布电容对测试回路的附加电阻（阻抗）的影响，应提高测湿电路的灵敏度和准确度；交流信号的频率、幅值以厂家数据表中所提供的参数为宜。
3．2　温度补偿
　　由式（1）可知，半导体陶瓷电阻与温度的关系属于负温度系数型，系数值通常为0．1～0．3。当环境温度有（10～20）℃的偏离时，可能引起的测湿误差为（1～6）％RH，因此在测湿精度要求高的情况下，必须进行温度补偿。如，利用二极管的正向电压具有－2mV／℃的温度系数，来补偿湿敏传感器对温度的依赖性。
3．3　线性化的再补偿
　　对配备微型机的测量装置，必须时可采用软件再补偿，使系统线性化的制造成本更低，精度更高。
3．4　使用注意点
　　湿度传感器要安装在流动空气的环境中，这样，响应速度快。延传感器的引线时要注意以下几点：延长线应使用屏蔽线，最长距离不要超过1m，裸露部分的引线要尽量短；在（10～20）％RH的低湿度区，由于受到的影响较大，必须对测量值和精度进行确认；在进行温度补偿时，温度补偿元件的引线也要同时延长，使它尽可能靠近湿敏传感器安装，此时温度补偿元件的引线仍要使用屏蔽线。