陶瓷濕敏傳感器非線性的硬件校正方法

1、陶瓷濕敏傳感器非線性的硬件校正方法         摘  要：介紹用硬件校正濕敏傳感器非線性的電路及設(shè)計方法，指出它們的優(yōu)缺點，最后給出了設(shè)計中必須注意的幾個問題。    關(guān)鍵詞：濕敏電阻；非線性校正；電阻網(wǎng)絡(luò) 半導(dǎo)體陶瓷濕敏傳感器具有較好的熱穩(wěn)定性和較強(qiáng)的抗沾污能力，能在惡劣、易污染的環(huán)境中測得準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)，而且還有響應(yīng)快、使用溫度范圍寬、可加熱清洗等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、家電等多個領(lǐng)域，但其阻值與相對濕度呈指數(shù)關(guān)系，在寬范圍或高精度測控條件下，設(shè)計和

2、應(yīng)用時必須使用硬件或軟件方法予以非線性校正，本文主要介紹硬件校正的幾種簡單方法及其特點。1半導(dǎo)體陶瓷濕敏傳感器的阻值特性    半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻阻值RH與相對濕度H間的關(guān)系為1：式中，R0為溫度T，相對濕度H0時傳感器的阻值，B和A分別為元件的溫度和濕度特性常數(shù)，記2幾種簡單的硬件校正方法21利用等效電阻網(wǎng)絡(luò)校正方法濕敏電阻與固定精密電阻并聯(lián)組成的非線性校正電路如圖2。運放A1把濕度信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號，R1、R2、R3均為溫度系數(shù)很小的精密電阻，R1、R2用來調(diào)節(jié)電路的放大系數(shù)，RH與R3并聯(lián)等效電路實現(xiàn)濕度線性化，其并聯(lián)等效電阻阻值為：合理選擇R3的阻值，

3、可將非線性校正到滿意的程度。    分析式（2）可知，在低濕區(qū)，RH的阻值很大，曲線R（H）趨近于；在高濕區(qū)，RH阻值很小，RH<<R3。R（H）近似于RH，并趨近于零。R（H）曲線是一條與RH、R3阻值有關(guān)的倒“S”型曲線，如圖3所示。曲線上存在一拐點P，在P點附近一段濕區(qū)內(nèi)，曲線R（H）近似為直線段；在拐點上，曲線斜率最大，靈敏度最高，一階導(dǎo)數(shù)存在極大值，二階導(dǎo)數(shù)為零；離拐點愈遠(yuǎn)，斜率越小，靈敏度愈低，曲線R（H）直線性愈差。系統(tǒng)工作濕區(qū)確定后，使?jié)駞^(qū)中點與曲線R（H）的拐點濕度HP重合，則在拐點濕度HP附近可得到線性較好的濕度輸出信號。為求出滿足

4、上述條件的電阻R3因此，只要選擇電阻R3，使其阻值與測濕中點處的濕敏阻值相等，則圖2中的濕度輸出信號在其測濕中點附近的線性度將得到很大改善。類似方法可分析濕敏電阻與固定精密電阻串聯(lián)的等效電阻網(wǎng)絡(luò)的校正方法。由上可知，這種校正方法簡單，準(zhǔn)確度高，但測濕范圍窄，且降低了電路的靈敏度。進(jìn)一步提高測濕范圍可采用串并聯(lián)等效電阻網(wǎng)絡(luò)，建立更完整的數(shù)學(xué)模型，通過優(yōu)化方法確定最佳電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值。這種校正方法可參閱文獻(xiàn)2進(jìn)行分析設(shè)計。22對數(shù)壓縮校正法陶瓷濕敏電阻阻值與相對濕度呈指數(shù)關(guān)系，因此可以采用對數(shù)壓縮方法進(jìn)行非線性校正，如圖4所示。圖中運放A1、A2均構(gòu)成反相放大器，BG002為對數(shù)電選擇電阻R1、R3

5、、R4值，使R4 VIR1 R3 Vref，則：V0AKH，即輸出信號與相對濕度成線性關(guān)系。這種關(guān)系要求選用的陶瓷濕敏元件的濕阻特性必須是指數(shù)關(guān)系，否則將嚴(yán)重影響測量的精度。23確定增益校正法3    根據(jù)濕敏電阻特性，可通過設(shè)計確定放大器增益的方法進(jìn)行非線性校正，如圖5所示。據(jù)電路知識有：    設(shè)H0為測濕范圍最低點，對上式進(jìn)行處理。令為使增益K與相對濕度成線性關(guān)系，用泰勒級數(shù)展開，得：因此，選擇電阻R1、R2、Rf阻值，使之滿足式（3）、（4）關(guān)系，即可使V0得到線性輸出。忽略四階以上高次項，可得其線性度誤差K3（HH0）3。該

6、方法可根據(jù)實際需要的濕度精度，選擇合適的濕敏電阻及R1、R2、Rf值。24濕度頻率變換校正法這種校正方法誤差小，同時起到了AD轉(zhuǎn)換的作用，提供了數(shù)字式輸出。3電路設(shè)計中的幾點補(bǔ)充31激勵電源半導(dǎo)體濕敏器件在直流電源的作用下會產(chǎn)生電解作用而破壞感濕膜，使性能惡化甚至完全失效，因此要求在交流回路中工作。一般選擇以0V為中心對稱、失真非常小的正弦波。為避免感濕膜產(chǎn)生集膚效應(yīng)引起濕敏阻抗的漂移，以及分布電容對測試回路的附加電阻（阻抗）的影響，應(yīng)提高測濕電路的靈敏度和準(zhǔn)確度；交流信號的頻率、幅值以廠家數(shù)據(jù)表中所提供的參數(shù)為宜。32溫度補(bǔ)償由式（1）可知，半導(dǎo)體陶瓷電阻與溫度的關(guān)系屬于負(fù)溫度系數(shù)型，系數(shù)值

7、通常為0103。當(dāng)環(huán)境溫度有（1020）的偏離時，可能引起的測濕誤差為（16）RH，因此在測濕精度要求高的情況下，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。如，利用二極管的正向電壓具有2mV的溫度系數(shù)，來補(bǔ)償濕敏傳感器對溫度的依賴性。33線性化的再補(bǔ)償對配備微型機(jī)的測量裝置，必須時可采用軟件再補(bǔ)償，使系統(tǒng)線性化的制造成本更低，精度更高。34使用注意點濕度傳感器要安裝在流動空氣的環(huán)境中，這樣，響應(yīng)速度快。延長傳感器的引線時要注意以下幾點：延長線應(yīng)使用屏蔽線，最長距離不要超過1m，裸露部分的引線要盡量短；在（1020）RH的低濕度區(qū)，由于受到的影響較大，必須對測量值和精度進(jìn)行確認(rèn)；在進(jìn)行溫度補(bǔ)償時，溫度補(bǔ)償元件的引線也要同時延長，使它盡可能靠近濕敏傳感器安裝，此時溫度補(bǔ)償元件的引線仍要使用屏蔽線。參考文獻(xiàn)：