CN110243883B - 一种适用于基于hs1101的智能湿度传感***的相对湿度拟合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于基于HS1101的智能湿度传感***的相对湿度拟合方法，分别对湿敏电容值和相对湿度值进行拟合，使所测得的量可用于相对湿度监测。通过对各种误差源和输出量的关系进行严密的数学分析，给出了该方法在理论上的可行性。并通过搭建实际智能湿度传感器***对该拟合方法进行验证，所测得的相对湿度误差与当前前沿相对湿度标定仪器基本一致，证明该拟合方法在实践中的可行性。

Description

一种适用于基于HS1101的智能湿度传感***的相对湿度拟合 方法

技术领域

本发明涉及环境监测领域，特别是一种适用于基于HS1101的智能湿度传感***的相对湿度拟合方法。

背景技术

随着社会经济的发展和物联网技术的普及，人们日益关注日常生活舒适指标和环境监测。相对湿度是用于恒量当前空气中的湿度与同等气压和温度下饱和湿度的比值，被用来表征环境状况的一种物理量。

在烟草公司中烟草原料保存，文物保存环境，以及易腐食物和生活环境监测中，相对湿度都是不可或缺的指标。近年来天气预报等节目已将相对湿度预测和温度、晴雨状况列为正常报道指标。

相对湿度是一个多元变量指标，其变化与气压，温度以及湿度密切相关，因此，想要精确测量相对湿度非常困难，特别是拟合的精度和分析过程更是与感湿器件灵敏度以及分析手段的优劣相关。然而，国内外关于相对湿度传感器的研发和智能相对湿度***的相对湿度拟合方法和误差源分析的报道还非常少。国外关于湿度传感器的研发工作比较成熟的有代尔夫特理工大学Zhichao Tan 2013年10月在《IEEE Journal of Solid-stateCircuits》发表了一篇关于CMOS的湿度传感器，能够对30％-80％的相对湿度范围进行测量，相对湿度分辨率为0.05％。但未对误差源和拟合方法进行严格数学证明。国内目前关于相对湿度传感器的研发和国外前沿技术还存在一定的距离。2006年东南大学彭韶华研发了一款叉指状结构的湿度传感器，测湿量程为15％RH-95％RH，但是其相对湿度值与电容并非线性关系，因此，拟合时不可避免带来严重的误差和片上微处理器拟合因难。2018年，电子科技大学陈卢研发了一款聚酰亚胺材料的温湿度传感器，但侧重于温度和电学量分析，并未对相对湿度指标定量分析。目前，业界一般均采用已生产的湿度传感器产品直接用于***中。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种适用于基于HS1101的智能湿度传感***的相对湿度拟合方法，拟合方法简单，适用于微处理器控制***。

本发明采用以下方案实现：一种适用于基于HS1101的智能湿度传感***的相对湿度拟合方法，针对HS1101相对湿度传感器作为前端湿度传感器件并采用RH001 CDC电容转换器作为模数转换器搭建智能湿度传感器***，对该智能湿度传感器***的测出的相对湿度进行拟合，其拟合过程包括以下步骤：

步骤S1：由智能湿度传感器***得到所要测量的湿敏电容值为：

C_sensor＝βC_refD_out+βC_off；

式中，C_sensor是所要测量的湿敏电容值，β、C_ref和C_off分别为RH001 CDC电容转换器变相缩放过程用于缩放的倍数、CDC芯片工作时用的参考电容和消除起步电容值，D_out为RH001 CDC电容转换器的输出量；

步骤S2：利用下式的反函数得出相对湿度：

C(pF)＝180·(1.25·10^-7RH³-1.36·10^-5·RH²+2.19·10^-3RH+0.9)；

式中，C(pF)即为湿敏电容值C_sensor:，RH为相对湿度；

步骤S3：引入误差Δβ，ΔC_ref和ΔC_off；其中，Δβ为由β引起的误差，ΔC_ref为由C_ref引起的误差，ΔC_off为由C_off引起的误差；将实际测量到的电容值方程式变为下式：

C_{sensor,measured}＝[D_out(C_ref+ΔC_ref)+C_off+ΔC_off]·(β+Δβ)；

记实际电容值为C_sensor与测量到的电容C_{sensor,measrued}之差为ΔC_sensor，则有公式：

ΔC_sensor＝C_{sensor,measured}-C_sensor；

进一步将其表示为：

ΔC_sensor＝β·D_out·ΔC_ref+β·ΔC_off+D_out·C_ref·Δβ+C_off·Δβ；

步骤S4：将误差量归一为由D_out来表征，得到：

式中，Δε(D_out)表示误差量微分；

步骤S4：将校准后的电容值输出量通过下式得到：

C_sensor＝kD_out+b+∫Δε(D_out)dD_out；

式中，kD_out+b表示D_out的线性拟合；

步骤S5：将相对湿度与湿敏电容的关系简化为线性关系加上高阶无穷小量，得到：

RH(C_sensor)＝k'C_sensor+b'+δ(C_sensor)；

其中，δ(C_sensor)表示高阶无穷小量，k'C_sensor+b'表示C_sensor的线性拟合；

进而得到：

RH(D_out)＝k'kD_out+k'b+b'+k'∫Δε(D_out)dD_out+δ(D_out)；

即相对湿度RH(D_out)是关于D_out的线性关系加上由于工艺偏差和为简化分析而对反函数线性替代必须补偿的高阶无穷小量。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明所提出的拟合方法简单，适用于微处理器控制***。且本发明对该拟合方法进行理论论证和实践验证，证明其可行性。本发明所搭建的智能湿度传感器***结合所提出拟合方法适用于很多相度湿度监控应用场合。

附图说明

图1为本发明实施例的***原理示意图。

图2为本发明实施例的RH001 CDC电容转换器的主要模块工作流程图。

图3为本发明实施例的所测得的湿敏电容值与相对湿度关系图。

图4为本发明实施例的测得湿敏电容值与HS1101 dataseet给出的标准值进行比较，本发明拟合方法电容值的相对误差示意图。

图5为本发明实施例的测得相对湿度值与相对湿度标定仪器所测得的值进行比较，其误差情况示意图。

图6为图2的电路原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本实施例针对HS1101相对湿度传感器作为前端湿度传感器件，采用福州大学研发的Capacitance to Digital Converter(CDC)芯片RH001作为模数转换器搭建智能湿度传感器，对HS1101相对湿度***的误差源作严格数学分析，并提出了一种针对HS1101和RH001的智能湿度传感器相对湿度拟合方法。

其中，HS1101是法国生产的一款高灵敏度湿敏电容传感器，该湿敏电容可以工作在-40-125℃，可以测量0％-100％的相对湿度范围。在25℃情况下，其湿敏电容值与相对湿度的响应方程如公式(1)所示：

C(pF)＝180·(1.25·10^-7RH³-1.36·10^-5·RH²+2.19·10^-3RH+0.9) (1)

在相对湿度变化范围为0％-100％中，其电容值变化为162pF-199.44pF。其中起步电容为162pF,动态电容范围为37.44pF。

然而该湿敏电容传感器并没有附带读出电路，且由于目前市场上研发的CDC芯片可测电容范围基本在10pF以下，因此不适用于该湿敏电容读出。

针对上述情况，本实施例选择福州大学研发的RH001 CDC电容转换器***搭建整个完整的智能湿度传感器***。RH001 CDC电容转换器***带有变相缩放技术，能够消除起步电容和缩放动态电容，适用于HS1101的湿敏电容传感器的大起步电容和大动态电容范围情况。

如图1所示，本实施例提供了一种适用于基于HS1101的智能湿度传感***的相对湿度拟合方法，针对HS1101相对湿度传感器作为前端湿度传感器件并采用RH001 CDC电容转换器作为模数转换器搭建智能湿度传感器***，对该智能湿度传感器***的测出的相对湿度进行拟合，其中，RH001 CDC电容转换器主要包括三大工作模块，具体如图2所示。其具体工作流程阐述如下：

电容缩放模块能够将输入的电容值缩小至原来的

即电容输入模块的输入量是C_sensor，输出量为

其缩放系数β在缩放系数控制模块中由电阻利用电阻的比值来进行控制。由于工艺偏差的原因，电阻值将存在误差，因此，这边引入了第一个误差源。

对于HS1101来说，其电容值在相对湿度从0变化至100％的过程中单调递增，变化范围为162pF至199.44pF。电容开始值称为起步电容，在此处，对于HS1101来说，其值为162pF。对于相对湿度来说，其中电容开始值162pF在整个变化范围中增加了测量的电容值。对于电容数字转换器(CDC)来说，该值增加了测量的难度。因此，有必要将该电容值去除。起步电容消除模块用来消除该值。起步电容C_off选择模块用来确定C_off的值，将该值输送至起步电容消除模块，即确定要消除的量为C_off。即起步电容消除模块的输入量为

输出量为

由于起步电容消除模块的输入量已经经过电容缩放模块，因此,在RH001智能湿度传感器中，HS1101实际要消除的C_off值为

由于工艺偏差的原因，电容值C_off将存在误差，因此，这边引入了第二个误差源。

CDC转换模块用来将输入电容转化为一个数字量D_out输出。对于CDC转换模块，在其输入范围内，每一个输入电容值都有唯一的D_out与之对应输出。电容数字转换器需要一个参考电容C_ref用来与输入电容进行比对，将输入电容转化为相应数字量。因此，RH001智能湿度传感器通过参考电容C_ref模块将参考电容传递给CDC转换模块。即CDC转换模块的输入量为

输出量为D_out。由于工艺的原因，电容值C_ref也存在一定的误差，因此，这边引入了第三个误差源。其中CDC转换模块可由三阶增量调制器模块和与其连接的抽取滤波器模块实现。

特别的，图2的具体电路示意图如图6所示，其中调制器和抽取滤波器很多文献均有介绍，这里不再赘述。

本实施例将用同一批次流片后的多块CDC芯片，利用本实施例阐述的方法拟合相对湿度，并给出拟合后误差曲线。

本实施例的拟合过程包括以下步骤：

步骤S1：由智能湿度传感器***得到所要测量的湿敏电容值为：

C_sensor＝βC_refD_out+βC_off (2)

式中，C_sensor是所要测量的湿敏电容值，β、C_ref和C_off分别为RH001 CDC电容转换器变相缩放过程用于缩放的倍数、CDC芯片工作时用的参考电容和消除起步电容值，D_out为RH001 CDC电容转换器的输出量；通过CDC输出量D_out,利用公式(2)可得出湿敏电容值，再利用公式(1)的反函数即可得出相对湿度。

步骤S2：利用公式下式的反函数得出相对湿度：

C(pF)＝180·(1.25·10^-7RH³-1.36·10^-5·RH²+2.19·10^-3RH+0.9)；

式中，C(pF)即为湿敏电容值C_sensor:，RH为相对湿度；但是该RH001所采用的变相缩放技术引入了误差源，即β,C_ref和C_off将会由于工艺偏差的原因产生误差，因此输出量D_out将存在误差，由此进入步骤S3；

步骤S3：引入误差Δβ，ΔC_ref和ΔC_off；其中，Δβ为由β引起的误差，ΔC_ref为由C_ref引起的误差，ΔC_off为由C_off引起的误差；将实际测量到的电容值方程式变为下式：

C_{sensor,measured}＝[D_out(C_ref+ΔC_ref)+C_off+ΔC_off]·(β+Δβ)； (3)

记实际电容值为C_sensor与测量到的电容C_{sensor,measrued}之差为ΔC_sensor，则有公式：

ΔC_sensor＝C_{sensor,measured}-C_sensor； (4)

进一步将其表示为：

ΔC_sensor＝β·D_out·ΔC_ref+β·ΔC_off+D_out·C_ref·Δβ+C_off·Δβ； (5)

步骤S4：进一步分析，RH001芯片实际输出量为D_out。由于β,C_ref和C_off的误差将造成输出量D_out误差。即D_out将是β,C_ref和C_off的多元函数。利用链导法则，将误差量归一为由D_out来表征，得到：

式中，Δε(D_out)表示误差量微分；公式(2)-(6)通过数学方法严格证明了可以通过输出量D_out进行校准由于β,C_ref和C_off的误差引起的测量到的湿敏电容整体误差；

步骤S4：将校准后的电容值输出量通过下式得到：

C_sensor＝kD_out+b+∫Δε(D_out)dD_out； (7)

式中，kD_out+b表示D_out的线性拟合；实际电容将是D_out的线性拟合加上D_out对误差微分量的积分，而后面积分误差修正量可以通过对D_out进行泰勒多项式拟合。实际为了简化和微控制器处理的可能性，通过三次多项式进行拟合就可以将误差降低到可接受范围以内。利用上面的线性拟合加三次多项式校准方法对智能湿度传感器进行拟合，在25℃情况下，利用所搭建的智能湿度传感***实测相对湿度30％-90％的情况，得到的湿敏电容值及其相对误差量分别如图3和图4所示。

其中湿敏电容相对误差量定义如公式(8)所示

通过上述拟合方法，所测得湿敏电容相对误差被控制在+0.6％/-0.8％以内。

步骤S5：通过对公式(1)进行分析可知，湿敏电容关于相对湿度的响应函数中，其高阶系数相对于一阶系数来说是一个可以忽略的量。因此，将相对湿度与湿敏电容的关系简化为线性关系加上高阶无穷小量，得到：

RH(C_sensor)＝k'C_sensor+b'+δ(C_sensor)； (9)

其中，δ(C_sensor)表示高阶无穷小量，k'C_sensor+b'表示C_sensor的线性拟合；

通过将该式迭代进公式(2)后进而得到：

RH(D_out)＝k'kD_out+k'b+b'+k'∫Δε(D_out)dD_out+δ(D_out)； (10)

即相对湿度RH(D_out)是关于D_out的线性关系加上由于工艺偏差和为简化分析而对反函数线性替代必须补偿的高阶无穷小量。

如果将拟合后的电容值直接利用公式(1)的反函数转化为相对湿度量将造成误差累积。因此，本实施例提出了采用直接利用公式(10)进行拟合，以避免二次误差扩大化。即实际可简化为公式(11)

RH(D_out)＝αD_out+γ+e(D_out) (11)

其中e(D_out)表示工艺偏差和相对湿度关于湿敏电容值的高阶无穷小量所带来的误差。通过泰勒定理可知，可以直接利用泰勒公式逼近该误差量。本实施例采用数值分析方法，通过采用三次多项式对该误差量进行拟合补偿。则测量到的相对湿度误差与实际相对湿度误差之差将是一个可以忽略的截断误差。利用该方法，通过实测，在25℃，标定仪器相对湿度为30％-90％的情况下测得的相对湿度误差量大部分都被控制在2％以内，极端情况为+3.2％/-2.7％。具体如图5所示。

本实施例提出的一种可用于基于HS1101湿敏电容的智能湿度传感器相对湿度拟合方法，分别对湿敏电容值和相对湿度值进行拟合，使所测得的量可用于相对湿度监测。通过对各种误差源和输出量的关系进行严密的数学分析，给出了该方法在理论上的可行性。并通过搭建实际智能湿度传感器***对该拟合方法进行验证，所测得的相对湿度误差与当前前沿相对湿度标定仪器基本一致，证明该拟合方法在实践中的可行性。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.一种适用于基于HS1101的智能湿度传感***的相对湿度拟合方法，其特征在于，针对HS1101相对湿度传感器作为前端湿度传感器件并采用RH001 CDC电容转换器作为模数转换器搭建智能湿度传感器***，对该智能湿度传感器***的测出的相对湿度进行拟合，其拟合过程包括以下步骤：

步骤S1：由智能湿度传感器***得到所要测量的湿敏电容值为：

C_sensor＝βC_refD_out+βC_off；

式中，C_sensor是所要测量的湿敏电容值，β、C_ref和C_off分别为RH001 CDC电容转换器变相缩放过程用于缩放的倍数、CDC芯片工作时用的参考电容和消除起步电容值，D_out为RH001CDC电容转换器的输出量；

步骤S2：利用下式的反函数得出相对湿度：

C(pF)＝180·(1.25·10^-7RH³-1.36·10^-5·RH²+2.19·10^-3RH+0.9)；

式中，C(pF)即为湿敏电容值C_sensor:，RH为相对湿度；

步骤S3：引入误差Δβ，ΔC_ref和ΔC_off；其中，Δβ为由β引起的误差，ΔC_ref为由C_ref引起的误差，ΔC_off为由C_off引起的误差；将实际测量到的电容值方程式变为下式：

C_{sensor,measured}＝[D_out(C_ref+ΔC_ref)+C_off+ΔC_off]·(β+Δβ)；

记实际电容值为C_sensor与测量到的电容C_{sensor,measured}之差为ΔC_sensor，则有公式：

ΔC_sensor＝C_{sensor,measured}-C_sensor；

进一步将其表示为：

ΔC_sensor＝β·D_out·ΔC_ref+β·ΔC_off+D_out·C_ref·Δβ+C_off·Δβ；

步骤S4：将误差量归一为由D_out来表征，得到：

式中，Δε(D_out)表示误差量微分；

步骤S4：将校准后的电容值输出量通过下式得到：

C_sensor＝kD_out+b+∫Δε(D_out)dD_out；

式中，kD_out+b表示D_out的线性拟合；

步骤S5：将相对湿度与湿敏电容的关系简化为线性关系加上高阶无穷小量，得到：

RH(C_sensor)＝k'C_sensor+b'+δ(C_sensor)；

其中，δ(C_sensor)表示高阶无穷小量，k'C_sensor+b'表示C_sensor的线性拟合；

进而得到：

RH(D_out)＝k'kD_out+k'b+b'+k'∫Δε(D_out)dD_out+δ(D_out)；

即相对湿度RH(D_out)是关于D_out的线性关系加上由于工艺偏差和为简化分析而对反函数线性替代必须补偿的高阶无穷小量。

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