高分子电容式湿度传感器信号处理方法

关 键 词 ：电容式；湿度传感器；信号处理
Key words: capacitance；humidity sensor；signal processing
中 图 分 类 号 ：[TN98]
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1006-4311（2010）24-0230-01
1 高分子湿敏电容的测湿原理
36.
试验中对传感器温度系数进行了测量，在 10～40℃的工作温度
[4] 郝 光 宗 ，张 汉 杰 . 电 容 式 湿 敏 元 件 的 转 换 电 路 [J]. 传 感 器 世 界 ，1997
（4）：25-27.
摘 要 ：阐述了一种新型基于充放电原理的高分子电容式湿度传感器信号处理方法。对信号处理电路的工作频率、工作电压、温度补偿等参数
进行了分析并给出了具体试验数据。试验结果表明，采用此信号处理方法设计的电容式湿度传感器具有价格低廉、性能稳定、测量精度高等特
点，具有很高的实用价值。
Abstract: This paper describes a new signal processing of macromolecule capacitance humidity sensor based on the charge-discharge principle. The
致电路的的线性变差，而较高的工作频率会导致湿敏电容的灵敏度 降低，因此传感器信号源的振荡频率选定为 50kHz。
3 试验结果
湿度标准值 （%RH）
传感器 1
时漂（%RH/24h） 传感器 2
传感器 3
按本文所述信号处理方法制作了三只湿度传感器，传感器输出
50
0.27
0.18
0.1
信号为 0～5V 电压信号。其敏感元件采用了 MSR-3B 型高分子湿敏
下进行。在 20℃±0.5℃的温度下传感器的湿度偏差数据见表 1。
[2]阎石.数字电子技术基础[M].第四版.北京：高等教育出版社，1998.
由表 1 数据可以看出传感器具有较好的测量准确度，最大湿度
[3]范森.微小电容测量[J].安徽冶金科技职业学院学报，2009，19（2）：33-
偏差为 1.3%RH，可满足大多数湿度测量领域的要求。
×
VT+） VT-
在 20℃±0.5℃、50%RH±0.5%RH 的条件下对传感器的时漂进 （2） 行了测量，数据表明本文所述信号处理电路具有较高的稳定性，测
通过调节 R 和 C 的大小，即可改变振荡周期和频率。试验发 试数据见表 3。
现，信号源频率对转换电路的线性有一定影响，较低的工作频率导
表 3 时漂测试数据
50
0.05
-0.01
0.06
-0.02
-0.03
0.02
高电平，电容 C 重新开始充电。周而复始，电路便不停振荡产生固定
90
-0.07
-0.08
-0.03
频率的波形。振荡周期的计算公式为：
T=T1+T2=RC1n
VDD-VTVDD-VT+
+RC1n
VT+ VT-
=RC1n（
VDD-VTVDD-VT+
· 230 ·
价值工程
高分子电容式湿度传感器信号处理方法
The Signal Processing of Macromolecule Capacitance Humidity Sensor
张巍 Zhang Wei；祈欣 Qi Xin；王朝晖 Wang Zhaohui
（中国电子科技集团公司第四十九研究所，哈尔滨 150001） （China Electronic Technology Group No.49 Research Institute，Harbin 150001，China）
其中 VT+和 VT-分别为施密特触发器的上下限门限电压。接通电
湿度标准值 （%RH）
传感器 1
温度系数（%RH/℃） 传感器 2
传感器 3
源以后，电容 C 上的初始电压为零，输出 VO 为高电平，并开始经电
10
阻 R 对电容 C 充电。当冲到输入电压为 VI=VT+时，输出跳变为低电
平，电容 C 又经过电阻开始放电。当放电至 VI=VT-时，输出又跳变成
湿度标准值 （%RH）
传感器 1
湿度偏差（%RH） 传感器 2
传感器 3
着吸附水分子数的增多，聚合物的介电常数也随之变化。基本形式
10.1
0.8
0.7
1.0
为：
29.9
0.6
0.4
0.8
logε=X1logε1+X2logε2
（1）
其中 ε1 为聚合物介电常数，ε2 为水的介电常数，X1 和 X2 分别
signal processing circuit operating frequency，operating voltage，temperature compensation and other parameters are analyzed and presented concrete test
4 结论 通过上述分析表明，采用此种信号处理方法的高分子电容式湿 度传感器可对相对湿度进行较精确的测量，具有温度系数小、性能 稳定、测量精度高等特点，可广泛应用于工业、农业、气象、军事等湿 度测量领域。
参考文献： [1]卢崇考，周明军，张彤.电容式高分子湿敏材料感湿机理探讨及选择
器的准确度、温度系数、时漂指标进行了测试，试验在常压环境条件 方法[J].云南大学学报（自然科学版），1997，19（2）：166-168.
下传感器温度系数小于±0.1%RH/℃，测试数据见表 2。
高分子湿敏电容的工作原理是利用对湿度敏感的高分子聚合
表 1 湿度偏差测试数据
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物含有吸水基团，吸附环境中的水分子，使聚合物的介电常数发生 变化。高分子聚合物在完全干燥状态下介电常数为 2～3，水分子的 介电常数为 78，聚合物吸附水分子，提高了聚合物的介电常数，随
data. The results show that this signal processing designed for capacitive humidity sensor has the features of low price ，stable performance，and high
precision with high practical value.
电容，主要参数为： ①电容量：130～170pF（0%～100%RH）； ②工作温度：-40～70℃； ③灵敏度：0.25pF/%RH； ④温度系数：≤±0.15%RH/℃。 试验使用美国 2500 型双压法湿度发生器作为湿度源，美国 GE
公司的 M4 冷镜式露点仪对产生的湿度进行校准。对三只湿度传感
50.3
0.8
0.9
0.9
是聚合物与水的体积百分率，ε 为总的介电常数。将上述聚合物制
70.5
0.2
1.0
0.6
作成电容器形式，就可从电容量的变化测定出环境相对湿度，湿敏
90.1
-0.5
1.3
1.2
元件的电容量与环境的相对湿度的关系。
2 信号源及工作频率设计
表 2 温度系数测试数据
电容式湿度传感器电路采用电容充放电原理，激励信号为矩形 脉冲，为此采用了由施密特触发器构成的多谐振荡器产生信号源。