濕敏傳感器已經(jīng)廣泛地用于工業(yè)制造、醫(yī)療衛(wèi)生、林業(yè)和畜牧業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。在家用電器中用于生活區(qū)的環(huán)境條件監(jiān)控、食品烹調(diào)器具和干燥機(jī)的控制等等。表8.1中列出了陶瓷濕敏傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域，以及它們的工作溫度和可測(cè)控的濕度范圍。

陶瓷濕敏傳感器的有潛力的應(yīng)用對(duì)象是家用空調(diào)器、微波爐、防止視頻錄像機(jī)的受潮以及一些其他家用電器。在種植業(yè)的暖房中，的蔬菜生長(zhǎng)條件不僅使植物的生長(zhǎng)和成熟周期縮短了，而且通過(guò)濕度的調(diào)節(jié)可以防止有害病變的發(fā)生。在許多工業(yè)領(lǐng)域中需要進(jìn)行干燥處理，通過(guò)控制相對(duì)濕度的方法，可以保持的干燥條件，因而可以在節(jié)約能耗的條件下，確保被干燥產(chǎn)品的質(zhì)量一致性。

食品味道的改變?cè)诤艽蟪潭壬吓c其中水份含量有關(guān)，控制水份含量就能保持所生產(chǎn)食品的質(zhì)量。在食品制造工業(yè)中，對(duì)生產(chǎn)線的在線過(guò)程全都需要對(duì)水份含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

濕敏傳感器同樣也用于電子工業(yè)。在生產(chǎn)工藝過(guò)程中必須對(duì)靜電事故給予特別的關(guān)注。靜電電荷的數(shù)量與濕度有直接關(guān)系，出于這個(gè)原因，在電子工業(yè)中必須將濕度調(diào)控在一個(gè)特定的范圍內(nèi)。

表8.1陶瓷濕敏傳感器的應(yīng)用

在廣泛使用濕度傳感器時(shí)，也必須考慮到，傳感器需要和測(cè)量電路連接使用，所以，對(duì)電路也要求能在足夠?qū)挼臐穸群铜h(huán)境溫度范圍內(nèi)保持高和高穩(wěn)定性。

8.1.1  連接陶瓷濕敏傳感器的測(cè)量電路

利用陶瓷傳感器來(lái)測(cè)量濕度的方法有以下特點(diǎn)。傳感器在低濕度時(shí)電阻很大，并與濕度是一種指數(shù)關(guān)系。此外，在相對(duì)濕度從0%～100%的區(qū)間內(nèi)，電阻可能變化3～6個(gè)數(shù)量級(jí)。由于大多數(shù)陶瓷濕敏傳感器具有極化現(xiàn)象，所以還需要對(duì)電源頻率有一定的要求。直流電橋電路雖然可以保證高，并且可以補(bǔ)償一些干擾因素，但在這里是不適用的。為消除極化效應(yīng)，必須要用交流電源測(cè)量，所以陶瓷濕敏傳感器的測(cè)量只能選用適當(dāng)?shù)慕涣麟姌颍⑶冶仨毻瑫r(shí)一起考慮傳感器的二個(gè)參數(shù)——阻抗和容抗的變化，因?yàn)檎缭诘谌轮幸殃U明的那樣，傳感器的等效電路是由并聯(lián)的電阻和電容構(gòu)成的。這使對(duì)隨后的被測(cè)信號(hào)的分析處理工作復(fù)雜化。在有些應(yīng)用領(lǐng)域中，濕度變化可以只用電阻或電容變化來(lái)表征，因而允許在經(jīng)相應(yīng)的電橋平衡后只測(cè)量其中一個(gè)參數(shù)的變化。基于這里所討論的陶瓷濕敏傳感器的特性，現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用廣的電路是下列二種：

模擬輸出的AC測(cè)量電路；

具有頻率/時(shí)間(PWM——脈沖寬度調(diào)制)輸出的轉(zhuǎn)換電路。

8.1.1.1  連接陶瓷濕敏傳感器的模擬輸出AC測(cè)量電路

AC測(cè)量電路的輸出是模擬信號(hào)，常用的是電壓輸出。電路中通常有一個(gè)可設(shè)定頻率的交流發(fā)生器，它的信號(hào)經(jīng)由轉(zhuǎn)換電路輸入傳感器，然后接到一個(gè)輸出放大器上。較完備一些的線路上還加接了線性化電路，以及用于補(bǔ)償溫度的修正電路。

圖8-1陶瓷濕敏傳感器與電壓分壓電路的連接圖

圖8-2陶瓷傳感器與濕度調(diào)節(jié)電路的連接

圖8-1示出了一個(gè)電壓輸出的陶瓷傳感器電路圖。從AC發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)是方形波或正弦波，它流經(jīng)由陶瓷濕敏傳感器和高阻抗電阻R₁構(gòu)成的分壓電路，信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器IC₁放大后，分壓電阻與運(yùn)算放大器IC₂進(jìn)行比較，IC₂接成反饋放大器，其增益為A=-R₃/R₂。測(cè)得的在電路輸出端的信號(hào)，其幅度與濕敏傳感器電阻的變化成正比。所介紹的電路適用于相對(duì)濕度變化范圍不太大的環(huán)境。需要覆蓋整個(gè)相對(duì)濕度值的測(cè)量時(shí)，必須應(yīng)用具有可變放大系數(shù)的放大器IC₂。如果需要，也可以取出直流輸出信號(hào)，但要加接整流器。示于圖8-2上的線路圖與以上討論的電路很相似。但在這個(gè)電路中，從分壓器中出來(lái)的信號(hào)輸進(jìn)AC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入端。從轉(zhuǎn)換器輸出的DC電壓幅度與濕度變化成正比。此電壓輸?shù)奖容^器，比較器的輸出用于控制監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)作機(jī)構(gòu)。這個(gè)電路適用于濕度監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)定比較器的基準(zhǔn)電壓V_REF調(diào)整比較器的響應(yīng)水平，從而也就設(shè)定了相應(yīng)的受控濕度標(biāo)準(zhǔn)。

圖8-3陶瓷濕敏傳感器與運(yùn)算放大器的連接(a)傳感器接

在放大器的輸入端；(b)接在放大器的反饋電路中

圖8-4帶有溫度補(bǔ)償?shù)姆讲òl(fā)生器

陶瓷濕敏傳感器可以接入到基于運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換電路中，也可以接到非轉(zhuǎn)換電路中去，不過(guò)這里需要在運(yùn)算放大器的輸入端加載一個(gè)基準(zhǔn)AC電壓。作為例子，圖8-3上示出了這二種電路。這時(shí)，必須要有分壓器，分壓器的設(shè)計(jì)取決于傳感器在低溫時(shí)的高阻抗(10⁶～１０^８Ω)，已經(jīng)多次指出過(guò)，如果相對(duì)濕度的變化從0%～100%，那么傳感器電阻值的變化有一個(gè)很大的動(dòng)態(tài)范圍。因此，測(cè)量范圍需要覆蓋整個(gè)相對(duì)濕度區(qū)時(shí)，運(yùn)算放大器的放大系數(shù)必須可變，這可以通過(guò)按濕度區(qū)間分段改變電阻R₁來(lái)實(shí)現(xiàn)。

 適合于這類陶瓷傳感器接入的運(yùn)算放大器應(yīng)是小輸入電流的，一般在其輸入級(jí)采用場(chǎng)效應(yīng)管或MOS晶體管。除小電流輸入外，還要求放大器具有高輸入阻抗和高穩(wěn)定性。它們的輸入電流約在0.1～0.4nA左右。

相對(duì)濕度低于40%時(shí)，陶瓷傳感器的電阻增長(zhǎng)很快，應(yīng)用于這個(gè)區(qū)間的傳感器需要選用超低輸入電流的放大器才行，它們的輸入電流從25～1 000fA，輸入電阻超過(guò)1TΩ，而且要求由高阻形成的信號(hào)中不含噪聲。這類放大器例如有美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LMC 6001 A1，LMC 6001 B1和LMC 6001 C1。

如果環(huán)境溫度變化太大時(shí)，濕度傳感器需要借助熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償。用于溫度補(bǔ)償?shù)倪m用電路之一示于圖8-4。以運(yùn)放IC₁為基礎(chǔ)產(chǎn)生一個(gè)方形脈沖，通過(guò)由IC₂構(gòu)成的非倒相放大器修正溫度。IC₂放大來(lái)自NTC熱敏電阻R_T的信號(hào)，而R_T安設(shè)在緊靠陶瓷濕敏傳感器的位置。因此根據(jù)溫度變化的大小，產(chǎn)生的信號(hào)幅度發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整。

     對(duì)大多數(shù)陶瓷濕敏傳感器來(lái)說(shuō)，它們的阻抗與相對(duì)濕度的關(guān)系是指數(shù)關(guān)系，需要采用無(wú)源或有源的方法使其線性化。無(wú)源法修正是以串聯(lián)和并聯(lián)構(gòu)成的定值電阻器為基礎(chǔ)的，電阻器的阻抗應(yīng)不隨環(huán)境溫度和濕度變化而改變。這種使關(guān)系曲線線性化的方法只在一定相對(duì)濕度區(qū)間內(nèi)適用，而且傳感器阻抗的動(dòng)態(tài)范圍也將受到限制。無(wú)源線性化方法將在節(jié)8.3.1中與NTC熱敏電阻一起詳細(xì)討論，因?yàn)榘茨欠N方式的應(yīng)用較多。

圖8-5  具有線性化和溫度效應(yīng)補(bǔ)償電路的陶瓷濕敏傳感器測(cè)量電路

陶瓷濕敏傳感器特性線性化的有源方法是利用線性化器件的轉(zhuǎn)換功能實(shí)現(xiàn)的，例如可以應(yīng)用對(duì)數(shù)放大器，使特性指數(shù)曲線線性化，使傳感器的動(dòng)態(tài)范圍縮小。圖8-5示出了這樣一個(gè)電路。從AC發(fā)生器輸出一個(gè)8V的信號(hào)，經(jīng)過(guò)一個(gè)由運(yùn)放IC₁構(gòu)成的緩沖器后加載到傳感器上。隨后，從傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)入由運(yùn)算放大器IC₂和晶體管T₁構(gòu)成的對(duì)數(shù)放大器，經(jīng)它后輸入到信號(hào)調(diào)節(jié)電路中，以便將信號(hào)調(diào)整到與檢測(cè)范圍(這里是40%～１００%RH)相適應(yīng)的水平。

為了放大來(lái)自傳感器的、相對(duì)濕度在0%～４０％時(shí)的小信號(hào)，增加了一個(gè)輔助電路，還設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)對(duì)數(shù)放大器晶體管T₁進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)碾娐贰＞€路輸出端的信號(hào)幅度為0～10V，并與相對(duì)濕度的變化成正比。

圖8-6(a)CGS-H14的模擬測(cè)量電路

圖8-6(b)CGS-H14DL的測(cè)量電路圖中：IC₁為LM358M(LM324N)；

VD₁、VD₂、VD₃為1S 1588；VD₄為硅整流管10D1；ZD1是RD-6A；

熱敏電阻R₂₅——5kΩ，B=4100;IC_2a和IC_2b均為FET

輸入的運(yùn)算放大器(TL——062，072，082)

圖8-6(a)上示出了陶瓷濕敏傳感器CGS-H14(SCIMAREC公司生產(chǎn))與模擬輸出電路間的連接。電路中用了一只NTC熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償。輸出電壓經(jīng)整流，并經(jīng)溫度補(bǔ)償。但在溫度變化激烈的情況時(shí)，熱敏電阻不可能對(duì)傳感器作出完美的補(bǔ)償，所以必須排除在類似條件下的測(cè)量工作，這樣電路才能正常工作。

需要更的測(cè)量時(shí)，使用示于圖8-6(b)的電路圖。采用CGS-H14DL型陶瓷濕敏傳感器和對(duì)數(shù)補(bǔ)償，目的是降低傳感器特性的動(dòng)態(tài)范圍。

這里所給出的電路可用于測(cè)量和控制空氣中的濕度，控制增濕器和去濕器的工作等。

8.1.1.2  陶瓷濕敏傳感器的頻率/時(shí)間輸出轉(zhuǎn)換電路

頻率/時(shí)間輸出轉(zhuǎn)換電路將相對(duì)濕度的變化轉(zhuǎn)變成頻率或時(shí)間周期，即它們是濕度-頻率和濕度-時(shí)間寬度的轉(zhuǎn)換器。

頻率或時(shí)間輸出的轉(zhuǎn)換電路以頻率發(fā)生器為基礎(chǔ)，但它的頻率取決于接入在電路中的陶瓷傳感器。對(duì)它們的要求包括可以接入高阻抗的電阻性元件，例如陶瓷濕敏傳感器等。所以首先考慮選用的是CMOS集成電路。

陶瓷濕敏傳感器的頻率和時(shí)間輸出轉(zhuǎn)換電路主要由以下單元構(gòu)成：

  分立元件；                   集成多諧振蕩器；

運(yùn)算放大器；                 集成計(jì)時(shí)器。

邏輯元件和脈沖觸發(fā)器；

這類電路的一些實(shí)用例子將在以后討論。

8.1.1.2.1       8.1.1.2.1       8.1.1.2.1       頻率輸出轉(zhuǎn)換電路

圖8-7濕度-頻率轉(zhuǎn)換電路(a)以雙極和場(chǎng)

效應(yīng)管為主器件；(b)以MOS晶體管為主器件

陶瓷濕敏傳感器的濕度-頻率轉(zhuǎn)換電路示于圖8-7。圖8-7(a)的電路是以雙極型和場(chǎng)效應(yīng)晶體管為主構(gòu)成的非對(duì)稱多諧振蕩器。當(dāng)晶體管VT₁飽和時(shí)，VT₂和VT₃截止，這時(shí)電容C通過(guò)VT₁和陶瓷傳感器R_S充電，因而晶體管VT₃的柵壓下降，當(dāng)達(dá)到場(chǎng)效應(yīng)管的閾值電壓V_T時(shí)，VT₃導(dǎo)通。隨后電容C經(jīng)過(guò)R₁放電，并加到VT₃和VT₂，結(jié)果是在時(shí)間為T的周期內(nèi)，發(fā)射極電壓下降，并導(dǎo)致導(dǎo)通。這個(gè)過(guò)程將反復(fù)進(jìn)行。當(dāng)V_T比V_C1和V_C2小得多時(shí)，脈沖寬度和脈沖間隔可用下式計(jì)算

       (8.1)

       (8.2)

振蕩輸出頻率為f=1/(t₁+t₂)。電阻值約為幾千歐姆 ，而傳感器電阻R_S可能為幾百千歐姆。電路需要的元件數(shù)量不多，但要求有二個(gè)電源。

另一種轉(zhuǎn)換電路示于圖8-7(b)以MOS晶體管為基礎(chǔ)。當(dāng)VT₁截止時(shí)，VT₂導(dǎo)通，然后電容C₁通過(guò)R₁和VT₂充電，直到VT₁導(dǎo)通為止。電容C₂通過(guò)R_D1和R_S放電，結(jié)果是二個(gè)晶體管交換了角色。此時(shí)，脈沖寬度和脈沖間隔由下式獲得

             (8.3)

                 (8.4)

式中，V⁰是低邏輯電平，V_T是MOS管的閾值電壓。此電路可在V_C＜2V_T的條件下工作。允許接入電路的陶瓷濕敏傳感器阻抗可達(dá)100MΩ。但對(duì)電路有一個(gè)基本要求，即VT₁和VT₂的參數(shù)必須相同。

圖8-8由運(yùn)算放大器構(gòu)成的濕度-頻率轉(zhuǎn)

換電路(a)示例圖；(b)電路的輸出信號(hào)

圖8-9應(yīng)用CMOS邏輯元件的濕度-頻率轉(zhuǎn)換電路

［圖(a)和(b)］，以及其輸出的信號(hào)［圖(c)］

也可以應(yīng)用運(yùn)算放大器來(lái)構(gòu)建濕敏-頻率轉(zhuǎn)換電路，示例線路示于圖8-8。這里，運(yùn)算放大器起著非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的作用，它的振蕩頻率由接在轉(zhuǎn)換電路輸入端的R_S和C值決定。通過(guò)電阻R₁、R₂、R₃實(shí)施正反饋。電路在放大器輸出信號(hào)的正飽和和負(fù)飽和兩種狀態(tài)之間“振蕩”。發(fā)生的脈沖占空比為0.5，而脈沖周期由下式?jīng)Q定

                             (8.5)

接在電路上的傳感器電阻可以從10kΩ～10MΩ。電路的工作頻率一方面與R_S和C有關(guān)，另一方面也與所選用的運(yùn)放頻率特性有關(guān)。

電路的主要缺點(diǎn)是所產(chǎn)生的脈沖是正負(fù)雙極性的，這對(duì)電路輸出端上接入的二極整流管有限制。如果接有整流管時(shí)，則需要利用電阻R₄防止運(yùn)放電路過(guò)載。

應(yīng)用CMOS邏輯集成電路，實(shí)現(xiàn)與陶瓷濕敏傳感器連接的轉(zhuǎn)換電路，相對(duì)而言，要簡(jiǎn)單些。圖8-9示出了多諧振蕩器與傳感器線路的原理圖，其中使用了二只CMOS轉(zhuǎn)換器。產(chǎn)生的脈沖周期由下列關(guān)系式?jīng)Q定

     (8.6)

式中，V_CC是CMOS集成電路的電源電壓，V_D為保護(hù)二極管上的電壓，V_T則是邏輯元件的開關(guān)電壓。如果忽略不計(jì)V_D，并假設(shè)V_T＝0.5V_CC，那么周期公式可簡(jiǎn)化為

         (8.7)

這個(gè)電路所產(chǎn)生的頻率是很穩(wěn)定的，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器的輸入阻抗很高，允許接入的傳感器電阻可達(dá)幾十分之一兆歐。但不能低于1～２kΩ，否則高邏輯電平會(huì)降低，并且集成電路的消耗功率會(huì)增大。

這類電路的不足是，發(fā)生的信號(hào)頻率與電源電壓相關(guān)，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)換電路輸入端的保護(hù)二極管的作用很有限。

用于陶瓷濕敏傳感器連接的多諧振蕩電路可以用集成電路單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器來(lái)構(gòu)筑。適合于這類目的的例如有4047型電路，它是一種CMOS型單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。它可以以兩種模式工作，單穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)振蕩。圖8-10(a)中示出了4047A電路與陶瓷濕度傳感器的連接線路。在輸出端產(chǎn)生的方波信號(hào)，其占空比為0.5，脈沖周期則為

           (8.8)

在此工作模式中也可以利用取自OSC輸出的脈沖，但它的頻率是經(jīng)倍頻的()，其占空比不一定保持0.5。在實(shí)際應(yīng)用上述的電路時(shí)，當(dāng)濕度從30%～100%時(shí)，轉(zhuǎn)換器的頻率變化為150Hz～7.1kHz。

圖8-10濕度-頻率轉(zhuǎn)換電路(a)以CMOS單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器

4047為主；(b)以CMOS計(jì)時(shí)器7555為主

同樣可以用計(jì)時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)濕度-頻率的轉(zhuǎn)換。這類集成電路設(shè)計(jì)用于生成方波脈沖，按時(shí)間周期分割，輸出的參數(shù)(頻率和時(shí)間脈寬)有很高的穩(wěn)定性。計(jì)時(shí)器的結(jié)構(gòu)可以用非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，或單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器來(lái)實(shí)施。CMOS計(jì)時(shí)器具有許多基本優(yōu)點(diǎn)，能耗低，電源電壓范圍很寬(2～１８V)，在所有輸入端，其輸入阻抗都很高等。圖8-10(b)中示出了一個(gè)由CMOS計(jì)時(shí)器7555構(gòu)成的、陶瓷濕敏傳感器的轉(zhuǎn)換電路。傳感器的電阻變化可以從1kΩ～100MΩ。當(dāng)電源電壓從5V改變到15V的過(guò)程中，轉(zhuǎn)換器的頻率變化不超過(guò)1%。所產(chǎn)生的脈沖頻率非常穩(wěn)定，并由下式?jīng)Q定

      (8.9)

8.1.1.2.2  時(shí)間(PWM)輸出轉(zhuǎn)換電路

如前所述，時(shí)間輸出轉(zhuǎn)換電路將濕度轉(zhuǎn)換成時(shí)間脈沖，這類電路的原則結(jié)構(gòu)示意圖示于圖8-11。電路由二只多諧振蕩器組成，其中第二只是單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，和只是同步工作的。當(dāng)ΔR_S=0(即RH=0%)時(shí)，二只振蕩器的脈沖寬度是相同的(t₁=t₂)，因而在輸出端τ=0。當(dāng)濕敏傳感器的阻值發(fā)生了變化(ΔR_S≠0)時(shí)，那么τ=t₂-t₁即τ的變化是與傳感器電阻的改變值ΔR_S成正比的。如果產(chǎn)生的脈沖周期為T=2t₁，并且脈沖幅度等于V_CC，那么輸出電壓的算術(shù)平均值由下式?jīng)Q定

             (8.10)

圖8-11濕度-時(shí)間脈沖轉(zhuǎn)換電路(a)非穩(wěn)態(tài)和單穩(wěn)態(tài)多

諧振蕩器構(gòu)成的電路圖，(b)線路的時(shí)序圖

要保證二只多諧振蕩器的參數(shù)是匹配的，將它們制造在一個(gè)芯片上，同時(shí)基準(zhǔn)電阻R_REF的溫度系數(shù)也應(yīng)與被測(cè)傳感器的相同，那么比值τ/T才可能不隨溫度變化而改變。還有，供電電壓必須是經(jīng)穩(wěn)壓的。

圖8-12濕度-時(shí)間脈沖轉(zhuǎn)換電路(a)CMOS計(jì)時(shí)

器組成的線路，(b)線路工作的時(shí)序圖

圖8-12(a)示出了已經(jīng)談到過(guò)的、IC7556(二只CMOS計(jì)時(shí)器)為主件的、濕度-時(shí)間脈沖轉(zhuǎn)換電路。圖8-12(b)示出的是線路工作的時(shí)序圖。只計(jì)時(shí)器的工作類似于非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，電容C₁的充電電流流經(jīng)R₁和R₂，因而正脈沖寬度為

       (8.11)

電容C₁通過(guò)R₂放電，因而

               (8.12)

第二只計(jì)時(shí)器類似于單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器工作，產(chǎn)生的脈沖寬度由下式?jīng)Q定

                (8.13)

計(jì)時(shí)器的輸出信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換后，然后與另一信號(hào)一起進(jìn)入OR執(zhí)行電路，在其輸出端得到寬度為τ的脈沖信號(hào)，τ=t₃-t₂

如果在相對(duì)濕度RH=0%時(shí)，t₃=t₂，那么τ=0，因而下列等式成立

           (8.14)

式中，R_SO是RH=0%時(shí)的傳感器阻值，而R₂、C₁和C₂是可以選擇的。如果濕度發(fā)生了變化，那么傳感器的電阻相應(yīng)改變了一個(gè)ΔR_S值，因而它的阻值R_S=R_SO+ΔR_S，這樣，合并諸項(xiàng)，并代入式(8.14)，可得到τ

      τ=t₃-t₂

=1.1(R_SO+ΔＲ_Ｓ)C₂-0.7R₂C₁

=1.1ΔR_SＣ_２                                                                 (8.15)

由此可見，脈沖寬度的變化與傳感器電阻改變?chǔ)?SPAN lang=EN-US>R_S成正比。

根據(jù)式(8.10)，電路的輸出電壓應(yīng)為

    (8.16)

圖8-13濕度-時(shí)間脈沖轉(zhuǎn)換電路(a)CMOS邏輯

電路4001組成的電路圖，(b)電路工作時(shí)序圖

式中，

    顯然，輸出電壓的算術(shù)平均值也和傳感器電阻變化值ΔR_S成正比。因此，電路能夠產(chǎn)生二類輸出——PWM輸出和DC輸出。

圖8-13(a)上示出了一個(gè)類似的電路圖，但它是由二只CMOS IC 4001(四個(gè)雙輸入“或非”門)構(gòu)成的，圖8-13(b)則是該電路工作的時(shí)序圖。此電路也有二組輸出，即PWM輸出和DC輸出。利用二個(gè)集成電路中的一個(gè)的邏輯元件生成二個(gè)多諧振蕩器的功能，此時(shí)

τ=t₁-t₃=0.7(R₁C₁-R_SC₂)        (8.17)

考慮到R_S=R_SO+ΔR_S，τ可改寫為

τ=0.7ΔR_SC₂                                    (8.18)

從式(8.10)及以上各式可得輸出電壓值

  V_OUT=K′ΔR_SV_CC                            (8.19)

式中，

8.1.2  陶瓷濕敏傳感器的實(shí)際應(yīng)用

陶瓷濕敏傳感器已廣泛應(yīng)用于各類機(jī)具中，例如濕度計(jì)、空調(diào)器、增濕機(jī)、去濕機(jī)、微波爐等。

8.1.2.1  濕度計(jì)

濕度計(jì)是測(cè)量各種介質(zhì)中含濕量的儀器?；谔沾蓾衩魝鞲衅鳎阎瞥梢幌盗胁煌臐穸扔?jì)。介紹一種名為“Chichidu濕度計(jì)CH-1”的數(shù)字式濕度計(jì)，生產(chǎn)者是Chichidu Cement公司。它有下列工作特性：

  濕度測(cè)量范圍                           15%～１００％RH

  測(cè)量                               ±4%RH

濕度計(jì)的工作溫度范圍                   0～４０℃

傳感器的輸出信號(hào)                       幅度變化為0～１０Ｖ

電源消耗                           22W(包括加熱器加熱功率15W)

濕度計(jì)顯示出有很高的靈敏度和可靠性。采用了熱敏電阻對(duì)陶瓷傳感器的特性進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

8.1.2.2  空調(diào)器

空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)需要多種傳感器，例如溫度、濕度和空氣成分等的監(jiān)控。空調(diào)器中裝備了帶有微處理器的傳感器之后，可以大幅度降低能源消耗，提高系統(tǒng)的效率，并且能提供合適的生活條件。

陶瓷濕敏傳感器在空調(diào)器中的安裝有二種方式。種方式是將傳感器安置在進(jìn)氣流中，這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是傳感器的響應(yīng)較快，但缺點(diǎn)是進(jìn)氣的濕度已經(jīng)經(jīng)調(diào)控了的，它可能與房間中空氣的濕度不一樣，而且它可能因與污染氣體相接觸，比較容易損壞。第二種方式是將傳感器安置在進(jìn)氣通道的外面，例如安裝在控制電路板上。這時(shí)，傳感器的響應(yīng)能力可能有一定的下降，不過(guò)，由于塵粒碰撞傳感器表面，從而引起它失效的可能性較小，因而采用這種方式的較多。

8.1.2.3  空氣增濕器和除濕器

陶瓷濕敏傳感器可以用于空氣增濕器和除濕器的相對(duì)濕度監(jiān)控。用于這方面的目的時(shí)，傳感器要么安裝在風(fēng)扇產(chǎn)生的空氣流中，要么安裝在控制單元上。在種安置方式時(shí)，為了延長(zhǎng)傳感器的工作壽命，應(yīng)該在空氣進(jìn)入傳感器的前方增設(shè)一個(gè)空氣過(guò)濾器。

8.1.2.4  微波爐

在微波爐中，陶瓷濕敏傳感器用于監(jiān)測(cè)食品烹制成熟程度。食品原料或多、或少地含有水份，加熱時(shí)它們將蒸發(fā)成水汽，因此通過(guò)測(cè)定爐中的濕度可以監(jiān)控食品的加工過(guò)程。微波爐中的濕度變化范圍很大，約從百分之幾的相對(duì)濕度一直到百分之百。同時(shí)，溫度上升很快，在幾分鐘之內(nèi)達(dá)到100℃左右。此外，除了水蒸汽，還有大量不同的有機(jī)揮發(fā)物從食品原料中發(fā)散到微波爐中。在這種條件下，大多數(shù)濕度傳感器無(wú)法正常工作。只有一定類型的陶瓷傳感器才能克服這些難點(diǎn)。

用于微波爐的陶瓷濕敏傳感器安裝在食品加工過(guò)程散發(fā)的水蒸汽流經(jīng)的通風(fēng)區(qū)域。由于空氣中的雜質(zhì)、油蒸汽、顆粒物等會(huì)粘附在陶瓷傳感器上，使它的靈敏度下降。因此，為了使它能保持原有的性能，通常選用再生型(例如通過(guò)熱處理)的陶瓷傳感器。在食品加工開始前和結(jié)束后，對(duì)傳感器進(jìn)行熱清潔處理，把傳感器表面上的沾污物清除掉。

微波爐開關(guān)接通后，就會(huì)有一個(gè)信號(hào)執(zhí)行熱清潔處理，傳感器性能得以復(fù)原。微波爐的烹調(diào)過(guò)程可以分為兩個(gè)階段。個(gè)階段(初始加熱過(guò)程)中，磁控管啟動(dòng)后食品開始加熱。相對(duì)濕度開始時(shí)增大，但然后開始減少，并達(dá)到某個(gè)值。進(jìn)入第二階段時(shí)，繼續(xù)加熱重又產(chǎn)生更多的水蒸汽，相對(duì)濕度重新增大，一直到食品終加工完成。第二階段包括的時(shí)間是從相對(duì)濕度的谷開始，一直到烹調(diào)的完成。顯然，這個(gè)時(shí)間的長(zhǎng)短與食品原料有關(guān)，因此它的設(shè)定應(yīng)與初始加熱時(shí)間成比例，并按不同食品原料性質(zhì)調(diào)整。

采用上述微波爐的控制方法，只要通過(guò)按鈕選定被加工食品的類型，而不再需要按照食品的體積、重量選擇加熱時(shí)間等旋鈕，就可以加工任何品種的食物。

由于陶瓷濕敏傳感器的這些特點(diǎn)、參數(shù)、特性，它們還被廣泛用于不同工業(yè)領(lǐng)域的裝備中，例如化學(xué)工業(yè)、造紙工業(yè)、食品工業(yè)等，也可用于林業(yè)，例如土壤監(jiān)測(cè)、暖房種植業(yè)等，用于醫(yī)學(xué)衛(wèi)生例如消毒滅菌、微生物培養(yǎng)等，以及制藥業(yè)和許多其他領(lǐng)域。