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LM358M和LM324N在陶瓷湿敏传感器的应用

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在广泛使用湿度传感器时,也必须考虑到,传感器需要和测量电路连接使用,所以,对电路也要求能在足够宽的湿度和环境温度范围内保持高精度和高稳定性。

8.1.1  连接陶瓷湿敏传感器的测量电路

利用陶瓷传感器来测量湿度的方法有以下特点。传感器在低湿度时电阻很大,并与湿度是一种指数关系。此外,在相对湿度从0%~100%的区间内,电阻可能变化3~6个数量级。由于大多数陶瓷湿敏传感器具有极化现象,所以还需要对电源频率有一定的要求。直流电桥电路虽然可以保证高精度,并且可以补偿一些干扰因素,但在这里是不适用的。为消除极化效应,必须要用交流电源测量,所以陶瓷湿敏传感器的测量只能选用适当的交流电桥,并且必须同时一起考虑传感器的二个参数——阻抗和容抗的变化,因为正如在第三章中已阐明的那样,传感器的等效电路是由并联的电阻和电容构成的。这使对随后的被测信号的分析处理工作复杂化。在有些应用领域中,湿度变化可以只用电阻或电容变化来表征,因而允许在经相应的电桥平衡后只测量其中一个参数的变化。基于这里所讨论的陶瓷湿敏传感器的特性,现实中应用最广的电路是下列二种:

模拟输出的AC测量电路;

具有频率/时间(PWM——脉冲宽度调制)输出的转换电路。

8.1.1.1  连接陶瓷湿敏传感器的模拟输出AC测量电路

AC测量电路的输出是模拟信号,最常用的是电压输出。电路中通常有一个可设定频率的交流发生器,它的信号经由转换电路输入传感器,然后接到一个输出放大器上。较完备一些的线路上还加接了线性化电路,以及用于补偿温度的修正电路。

图8-1陶瓷湿敏传感器与电压分压电路的连接图

图8-2陶瓷传感器与湿度调节电路的连接

 

图8-1示出了一个电压输出的陶瓷传感器电路图。从AC发生器产生的信号是方形波或正弦波,它流经由陶瓷湿敏传感器和高阻抗电阻R1构成的分压电路,信号经过运算放大器IC1放大后,分压电阻与运算放大器IC2进行比较,IC2接成反馈放大器,其增益为A=-R3/R2。测得的在电路输出端的信号,其幅度与湿敏传感器电阻的变化成正比。所介绍的电路适用于相对湿度变化范围不太大的环境。需要覆盖整个相对湿度值的测量时,必须应用具有可变放大系数的放大器IC2。如果需要,也可以取出直流输出信号,但要加接整流器。示于图8-2上的线路图与以上讨论的电路很相似。但在这个电路中,从分压器中出来的信号输进AC/DC转换器的输入端。从转换器输出的DC电压幅度与湿度变化成正比。此电压输到比较器,比较器的输出用于控制监控系统的运作机构。这个电路适用于湿度监控系统,通过设定比较器的基准电压VREF调整比较器的响应水平,从而也就设定了相应的受控湿度标准。

图8-3陶瓷湿敏传感器与运算放大器的连接(a)传感器接

在放大器的输入端;(b)接在放大器的反馈电路中

 

图8-4带有温度补偿的方波发生器

 

陶瓷湿敏传感器可以接入到基于运算放大器的转换电路中,也可以接到非转换电路中去,不过这里需要在运算放大器的输入端加载一个基准AC电压。作为例子,图8-3上示出了这二种电路。这时,必须要有分压器,分压器的设计取决于传感器在低温时的高阻抗(106~10Ω),已经多次指出过,如果相对湿度的变化从0%~100%,那么传感器电阻值的变化有一个很大的动态范围。因此,测量范围需要覆盖整个相对湿度区时,运算放大器的放大系数必须可变,这可以通过按湿度区间分段改变电阻R1来实现。

 适合于这类陶瓷传感器接入的运算放大器应是小输入电流的,一般在其输入级采用场效应管或MOS晶体管。除小电流输入外,还要求放大器具有高输入阻抗和高稳定性。它们的最大输入电流约在0.1~0.4nA左右。

相对湿度低于40%时,陶瓷传感器的电阻增长很快,应用于这个区间的传感器需要选用超低输入电流的放大器才行,它们的最大输入电流从25~1 000fA,输入电阻超过1TΩ,而且要求由高阻形成的信号中不含噪声。这类放大器例如有美国国家半导体公司生产的LMC 6001 A1,LMC 6001 B1和LMC 6001 C1。

如果环境温度变化太大时,湿度传感器需要借助热敏电阻进行温度补偿。用于温度补偿的适用电路之一示于图8-4。以运放IC1为基础产生一个方形脉冲,通过由IC

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