四月 16, 2021

湿度传感器中的湿度电容测量电路

作者:IST应用工程师 李驰

引言

与温度测量、应力测量一样,湿度测量广泛存在于现代工业制造及医疗领域和我们的日常生活。湿度测量的精度决定了我们对环境湿度的控制力。常用的电容传感器常常具有数字输出接口,可以直接获取经过标定的湿度信号。对于精密加工,油湿,湿度检定和探空应用等对湿度测量有特殊要求的场景,常规的数字型电容芯片往往不能满足测量要求,这时候就需要使用适合特定场景的专用型湿敏电容测量元件,并针对测量场景设计电路,以达到最佳的测量效果。

得益于领先的生产工艺与对材料特性的充分理解,IST-AG针对高精度测量,露点测量,高温测量,和油中湿度测量,开发了丰富的湿度传感器产品。对于湿度测量,传感元件所表达的是与湿度相关的材料特性,以最大限度地将这种材料特性还原出来,需要对电路具有精确的把控能力,做到知其然又知其所以然。本文旨在对湿度测量电路进行原理性解释,并分析可能存在的误差,为实现各类复杂工况条件下的精确湿度测量提供一些思路。

1. 湿度传感器测量原理与基本概念

电容式湿度传感器由极板与其间的高分子薄膜构成:当环境湿度发生改变时,高分子薄膜中的含水量发生变化,致使电容介电常数发生改变,进而导致传感器电容量发生改变,通过测量容值即可计算出当前环境湿度。

作为惯性元件,湿度电容两端的电压不能突然变化,并且遵循一定的规律。由于充电特性受线路中电阻R和电容C的共同影响,所以定义RC电路的时间常数为。通过公式 [1]和[2] 可以确定在任意时间电容两端的电压值。

充电时:

放电时:

  • Ut为任意时刻电容两端的电势差
  • U为充电/放电过程中的最高电势
  • U0为充电/放电过程中的最低电势

         当充放电的起止点为U与U0时,通过变形得到[3]和[4],可以获得充放电时间:

充电时:

放电时:

当我们需要测量电容的容值时,可以固定充放电电压与线路中的阻值,从而将以上公式进一步改写成C关于t的一次函数,通过测量时间量来计算出容值的大小。

2. 定时器电路的基本原理

​​以555定时器电路为例(图1),我们可以将其解构为3个关键部分。

图 1定时器电路 [1]

1. 由3个等值电阻与两个比较器组成的输入比较电路

2. RS触发器
 

RS触发器的输出和之前状态与当前输入共同相关。它的作用可以通过特征表描述:

其中n代表了输出的当前状态,n+1代表了在RS经历变化后的下一状态。非稳态造成的原因是:实际的数字电路中,信号到达是有先后顺序的,如果同时为0,S或R的翻转顺序会造成不同的输出结果。所以一般情况,在设计使用时输入端不会同时为0以避免非稳态的发生。

3. 放电控制电路
 

触发器的输出状态或复位输入的电平均可以决定放电回路是否会被打开。在实际应用中,通过不同的放电方式,可以让定时器具有不同的工作状态。这里我们通过定时器电路,介绍两种湿度电容的测量方法。

3. 湿度测量电路

对湿度电容的测量,究其根本就是对电容充放电时间的测量。根据不同电路的输出特点,我们可以将两种电路分别称为a.频率测量模式和b.占空比测量模式。

a. 频率测量模式:在单位时间内,测量充放电的次数

图 2频率测量模式

在这种测量模式下,通过对湿敏电容的不断充放电形成振荡电路。

降至1/3VCC时,放电回路关闭,电容重新开始充电,这样就完成了一次振荡。由于充放电回路与电压固定,所以在输出端会形成具有固定占空比的方波,波形的频率与传感器的容值成正相关,从而我们可以建立湿度与振荡频率的对应关系,再通过标定,将频率映射为具体的相对湿度数值。

 b. 占空比测量模式:完成单次充电所需的时间

图 3占空比测量模式

双定时器结构,第一个将TRG 和 THR引脚连接,电容C1一端的电压作为定时器的输入,形成具有固定周期的振荡输出。每一次振荡标志着一次测量周期。通过调节C1的阻值,可以改变这一振荡周期的频率。

二级定时器工作在单触发模式,每当TRG管脚检测到低电平,OUT输出高电平,芯片内的放电回路断开,湿度电容开始充电,THR管脚的电压伴随这个过程同步上升,当达到2/3VCC时,使得芯片内部RS触发器发生反转,放电回路被打开,OUT输出低电平。此时二级定时器回到稳态,等待下一次被触发。在测量周期确定的情况下(一级定时器以固定频率触发测量),输出信号的占空比和相对湿度值正相关。

在测量湿度时,相比于具体的电容数值,我们起始更关心的是测量结果与相对湿度值的映射关系。

4. 误差分析

获得准确的湿度测量结果有赖于许多因素。

在电路层面,我们希望真实准确,且不做修饰地还原传感器的输出。因此在给电容充放电时,所提供的电压在传感器的使用周期内必须非常稳定,并尽可能减少电源的纹波。电路中的电阻电容温漂同样非常重要,所以在充放电回路中尽可能使用低温漂的阻容器件:充电回路的电阻会改变RC常数,如果线路电阻具有50ppm/℃温漂,这意味着湿度测量自动产生了50ppm/℃的系统误差。当读取频率或占空比信号时,由于测量方法的限制,同样会产生测量误差,这时需要根据读取能力,将电容的充放电频率控制在完全可读的范围内,通过合理的设计,来自这部分的误差应当是可以被很好地抑制的。在电路层面,如果需要进一步减小误差,可以加入温度测量,来补偿器件在不同温度下的性能漂移。

由于材料的特性,传感器自身并不具有随湿度变化的完美线性度,因此在传感器标定与线性化的过程中,更容易引入误差。在未来的文章中,我们有机会将对这一部分进行更深入的讨论。

 

引用

[1] http://www.circuitstoday.com/