CN112557452A - 一种组合式相对湿度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种组合式相对湿度传感器，包括：温度传感器，对环境中的温度进行检测；湿度传感器，对环境中的湿度进行检测；温度运算放大器电路，对所述温度传感器输入的温度值进行转换运算以输出温度当量电压值；湿度运算放大器电路，对所述湿度传感器输入的湿度值进行转换运算以输出湿度当量电压值；相对湿度运算电路，根据所述温度当量电压值以及湿度当量电压值，并利用对数和反对数运算组件计算相对湿度。该组合式相对湿度传感器克服现有技术中的相对湿度传感器存在硬件电路复杂，开发专用的非线性处理软件的周期较长，使构成完整的相对湿度自动化仪表的成本较高，构建与维护***的周期也较长的问题。

Description

一种组合式相对湿度传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体地，涉及一种组合式相对湿度传感器。
背景技术
相对湿度是大气中水汽分压(mbar)与同一温度下饱和水汽分压的比值(0-1)，它本身不是物理量，但包含两个物理量的信息，比值中的分母值既是饱和水汽分压，也是环境温度的非线性函数，这就造成设计与制造相对湿度传感器技术上的难题。现有技术的状况是采用两类敏感元件，分别接收真实水汽分压和湿度信息，再通过相应的硬件电路平台和专用开发软件，实现电信号的线性转换，最后得到相对湿度的电信号。
现有技术的缺点是硬件电路复杂，开发专用的非线性处理软件的周期较长，使构成完整的相对湿度自动化仪表的成本较高，构建与维护***的周期也较长。
因此，提供一种克服以上问题，实现转换精度可以调控、组成自动化仪表***的周期较短且便捷性高，而且硬件结构简易的组合式相对湿度传感器是本发明亟需解决的问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是克服现有技术中的相对湿度传感器存在硬件电路复杂，开发专用的非线性处理软件的周期较长，使构成完整的相对湿度自动化仪表的成本较高，构建与维护***的周期也较长的问题，从而提供一种克服以上问题，实现转换精度可以调控、组成自动化仪表***的周期较短且便捷性高，而且硬件结构简易的组合式相对湿度传感器。
为了实现上述目的，本发明提供了一种组合式相对湿度传感器，其特征在于，所述组合式相对湿度传感器包括：
温度传感器，对环境中的温度进行检测；
湿度传感器，对环境中的湿度进行检测；
温度运算放大器电路，对所述温度传感器输入的温度值进行转换运算以输出温度当量电压值；
湿度运算放大器电路，对所述湿度传感器输入的湿度值进行转换运算以输出湿度当量电压值；
相对湿度运算电路，根据所述温度当量电压值以及湿度当量电压值，并利用对数和反对数运算组件计算相对湿度。
优选地，所述温度传感器为铂热电阻pt100。
优选地，所述温度传感器的输入-输出特性基本方程为：
Rt＝Rt0+Rt0×A×t；其中，
Rt为不同温度时电阻值，Rt0指温度为0度时的电阻值，温度系数A＝3.97×10-3℃,t为输入温度系数变量；
所述温度运算放大器电路的转换运算公式为：
Ut＝2.52×U2t-3275；其中，
Ut为恒定电流为1毫安时温度t的温度当量电压值；
U2t＝U1t+1200；
U1t＝Ut0+Ut0×A×t；
Ut0＝Rt0×1。
优选地，所述湿度传感器为半导体陶瓷湿敏传感器。
优选地，所述湿度传感器的输入-输出特性方程为：
RP＝RP0+RP0×B×P；其中，
RP为不同湿度时的输出变量的电阻值；RP0为大气中水汽分压为零时的湿敏电阻值；B为湿敏系数，取2.78/mbar；P为大气中水汽分压输入变量(mbar)；
湿度运算放大器电路的转换运算公式为：
P＝3.6×10-3×(U2P)-4.7；其中，
P为恒定电流为1毫安时的湿度当量电压值；
U2P＝U1P+1200；
U1P＝UP0+UP0×B×P；
U1P＝RP×1。
优选地，相对湿度的计算公式为：
RHf＝(P)/(PS)＝(Upo)/(Ups)；其中，
(P)为大气中待测的实际的水汽分压，单位为mbar；(Upo)为其电压当量，单位为mv；(PS)为大气中同温度下水汽饱和分压，单位为mbar；(Ups)为其电压当量，单位为mv；
则Ln(RHf)＝Ln(UP0)-Ln(UPS)；其中，Ln(UPS)＝1.86+0.0625×Ut
所述相对湿度运算电路中相对湿度的计算公式为：
Ln(RHf)＝Ln(Up)-Ln(10)-Ln(Ups)＝Ln(Up)-4.16-0.0625×(Ut)＝(U0的求和)
；其中，
Ut＝2.52×U2t-3275。
优选地，所述组合式相对湿度传感器还包括：
恒流源模块，用于提供恒定的电流源。
优选地，所述恒流源模块为LM317型恒流源模块。
根据上述技术方案，本发明提供的组合式相对湿度传感器的过程时的有益效果为：在使用时转换精度可以调控，组成自动化仪表***的周期较短用，以组成自动化仪表的方便性高，而且传感器整体硬件结构简易，成本低。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明；而且本发明中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的一种优选的实施方式中提供的组合式相对湿度传感器的结构框图；
图2是本发明的一种优选的实施方式中提供的温度运算放大器电路的电路原理图；
图3是本发明的一种优选的实施方式中提供的湿度运算放大器电路的电路原理图；
图4是本发明的一种优选的实施方式中提供的相对湿度运算电路的电路原理图；
图5是本发明的一种优选的实施方式中提供的相对湿度运算电路的电路原理图；
图6是本发明的一种优选的实施方式中提供的相对湿度运算电路的电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，“上、下、内、外”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。
如图1-6所示，本发明提供了一种组合式相对湿度传感器，所述组合式相对湿度传感器包括：
温度传感器，对环境中的温度进行检测；
湿度传感器，对环境中的湿度进行检测；
温度运算放大器电路，对所述温度传感器输入的温度值进行转换运算以输出温度当量电压值；
湿度运算放大器电路，对所述湿度传感器输入的湿度值进行转换运算以输出湿度当量电压值；
相对湿度运算电路，根据所述温度当量电压值以及湿度当量电压值，并利用对数和反对数运算组件计算相对湿度。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述温度传感器为铂热电阻pt100。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述温度传感器的输入-输出特性基本方程为：
Rt＝Rt0+Rt0×A×t；其中，
Rt为不同温度时电阻值，Rt0指温度为0度时的电阻值，温度系数A＝3.97×10-3℃,t为输入温度系数变量；
所述温度运算放大器电路的转换运算公式为：
Ut＝2.52×U2t-3275；其中，
Ut为恒定电流为1毫安时温度t的温度当量电压值；
U2t＝U1t+1200；
U1t＝Ut0+Ut0×A×t；
Ut0＝Rt0×1。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述湿度传感器为半导体陶瓷湿敏传感器。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述湿度传感器的输入-输出特性方程为：
RP＝RP0+RP0×B×P；其中，
RP为不同湿度时的输出变量的电阻值；RP0为大气中水汽分压为零时的湿敏电阻值；B为湿敏系数，取2.78/mbar；P为大气中水汽分压输入变量(mbar)；
湿度运算放大器电路的转换运算公式为：
P＝3.6×10-3×(U2P)-4.7；其中，
P为恒定电流为1毫安时的湿度当量电压值；
U2P＝U1P+1200；
U1P＝UP0+UP0×B×P；
U1P＝RP×1。
在本发明的一种优选的实施方式中，相对湿度的计算公式为：
RHf＝(P)/(PS)＝(Upo)/(Ups)；其中，
(P)为大气中待测的实际的水汽分压，单位为mbar；(Upo)为其电压当量，单位为mv；(PS)为大气中同温度下水汽饱和分压，单位为mbar；(Ups)为其电压当量，单位为mv；
则Ln(RHf)＝Ln(UP0)-Ln(UPS)；其中，Ln(UPS)＝1.86+0.0625×Ut
所述相对湿度运算电路中相对湿度的计算公式为：
Ln(RHf)＝Ln(Up)-Ln(10)-Ln(Ups)＝Ln(Up)-4.16-0.0625×(Ut)＝(U0的求和)
；其中，
Ut＝2.52×U2t-3275。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述组合式相对湿度传感器还包括：
恒流源模块，用于提供恒定的电流源。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述恒流源模块为LM317型恒流源模块。
根据上述内容，本发明提供的组合式相对湿度传感器的工作原理以及的基本原理如下：
首先选择铂热电阻pt100作为温度传感器，它的输入-输出特性基本方程如下：Rt＝Rt0+Rt0×A×t 公式1
式中Rt为不同温度时电阻值，Rt0指温度为0度时的电阻值，温度系数A＝3.97×10-3℃,t为输入温度系数变量；
公式1描述了温度值转换成电阻值的线性关系。
如在公式1中接通1(ma)的恒定电流时，公式1将变成：
U1t＝Ut0+Ut0×A×t 公式2
上式中，U1t为与温度t对应的在Rt两端的输出电压(mv),
Ut0＝100(mv),温度为0℃时Rt0两端的电压(mv)；
现引进一个新的输出变量U2t(mv),并在令U2t＝U1t+1200(mv),
于是公式2可改写成：
U2t＝U1t+1200＝1300+0.397×(t)(mv) 公式3；
现将上式中变量和常量的位置稍作调换可得：
t＝2.52×U2t-3275 公式4；
公式4的右边两项均具有mv电压的量纲，可记为：
Ut＝2.52×U2t-3275(mv) 公式5；
公式5即为温度t的电压当量方程，它是设计运算电路的理念依据，
它包含一个乘法运算和一个减法运算；实施这种算法的电路图参见附图2所示；
其次，选择半导体陶瓷正湿敏系数的湿敏传感器组作为湿度传感器，其输入-输出特性方程为：RP＝RP0+RP0×B×P 公式6；
式中RP为不同湿度时的输出变量的电阻值；RP0为大气中水汽分压为零时的湿敏电阻值；B为湿敏系数，取2.78/mbar；P为大气中水汽分压输入变量(mbar)；
在公式6的RP中通以1ma的恒定电流，公式6变成：
U1P＝UP0+UP0×B×P(mv) 公式7；
利用和上节温度传感器相类似的操作，可得到
P＝3.6×10-3×(U2P)-4.7 公式8；
上式即为湿度变量的电压当量公式，式中U2P＝U1P+1200(mv)；
公式8右边两项均具有电压的量纲，可记为UP0当量电压(mv)；
其中包含一个衰减算法和一个减法，按公式8设计的运算放大器电路参见附图3所示，需要说明的是在其末级运放中还安排了10倍的放大增益，以保证后续电路的运算精度。
然后，所述相对湿度运算电路的设计原理为：
相对湿度的计算公式为：
RHf＝(P)/(PS)＝(Upo)/(Ups) 公式10
其中，(P)为大气中待测的实际的水汽分压，单位为mbar；(Upo)为其电压当量，单位为mv；(PS)为大气中同温度下水汽饱和分压，单位为mbar；(Ups)为其电压当量，单位为mv；
则Ln(RHf)＝Ln(UP0)-Ln(UPS) 公式11；
式中，Ln(UPS)＝1.86+0.0625×Ut 公式12；
其中1.86和0.0625两个常系数，利用最小二乘法求解其线性拟合方程而算出的，再考虑若将(Upo)放大10倍，并记为：
(Up)＝10×(Upo) 公式13；
现将公式12和公式13代入到公式11中，即得：
Ln(RHf)＝Ln(Up)-Ln(10)-Ln(Ups)＝Ln(Up)-4.16-0.0625×(Ut)＝(U0的求和)
公式14
上式中，Ut＝2.52×U2t-3275，而其中Ln(Up)取自Ln运放组件的输出电压；
求取Ln(Up)的运算电路及求出(U的和值)的运算电路参见附图4和附图5；
如图3所示，电路的传递特性为：
V0＝434×Ln(Up) 公式15；
辅助电压应调至E＝10mv；
在对Ln(RHf)进行复原时：按公式14由运放电路模块自动算出(U的和值)之后，再交由反对数即指数运算模块即可复原(RHf)的原值；反对数运算电路参见附图6；其传递特性为：
V0＝e-0.0023×(Vi) 公式16；
Ln(-1)(Ln(RHf)＝Ln(-1)(U的求和)＝RHf 公式17；
这里，Ln(-1)指的是Ln的反对数计算。
综上所述，本发明提供的组合式相对湿度传感器克服现有技术中的相对湿度传感器存在硬件电路复杂，开发专用的非线性处理软件的周期较长，使构成完整的相对湿度自动化仪表的成本较高，构建与维护***的周期也较长的问题，在使用时转换精度可以调控，组成自动化仪表***的周期较短用，以组成自动化仪表的方便性高，而且传感器整体硬件结构简易，成本低。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (8)

1.一种组合式相对湿度传感器，其特征在于，所述组合式相对湿度传感器包括：
温度传感器，对环境中的温度进行检测；
湿度传感器，对环境中的湿度进行检测；
温度运算放大器电路，对所述温度传感器输入的温度值进行转换运算以输出温度当量电压值；
湿度运算放大器电路，对所述湿度传感器输入的湿度值进行转换运算以输出湿度当量电压值；
相对湿度运算电路，根据所述温度当量电压值以及湿度当量电压值，并利用对数和反对数运算组件计算相对湿度。
2.根据权利要求1所述的组合式相对湿度传感器，其特征在于，所述温度传感器为铂热电阻pt100。
3.根据权利要求或1或2所述的组合式相对湿度传感器，其特征在于，
所述温度传感器的输入-输出特性基本方程为：
Rt＝Rt0+Rt0×A×t；其中，
Rt为不同温度时电阻值，Rt0指温度为0度时的电阻值，温度系数A＝3.97×10-3℃,t为输入温度系数变量；
所述温度运算放大器电路的转换运算公式为：
Ut＝2.52×U2t-3275；其中，
Ut为恒定电流为1毫安时温度t的温度当量电压值；
U2t＝U1t+1200；
U1t＝Ut0+Ut0×A×t；
Ut0＝Rt0×1。
4.根据权利要求1所述的组合式相对湿度传感器，其特征在于，所述湿度传感器为半导体陶瓷湿敏传感器。
5.根据权利要求4所述的组合式相对湿度传感器，其特征在于，
所述湿度传感器的输入-输出特性方程为：
RP＝RP0+RP0×B×P；其中，
RP为不同湿度时的输出变量的电阻值；RP0为大气中水汽分压为零时的湿敏电阻值；B为湿敏系数，取2.78/mbar；P为大气中水汽分压输入变量(mbar)；
湿度运算放大器电路的转换运算公式为：
P＝3.6×10-3×(U2P)-4.7；其中，
P为恒定电流为1毫安时的湿度当量电压值；
U2P＝U1P+1200；
U1P＝UP0+UP0×B×P；
U1P＝RP×1。
6.根据权利要求1所述的组合式相对湿度传感器，其特征在于，相对湿度的计算公式为：
RHf＝(P)/(PS)＝(Upo)/(Ups)；其中，
(P)为大气中待测的实际的水汽分压，单位为mbar；(Upo)为其电压当量，单位为mv；(PS)为大气中同温度下水汽饱和分压，单位为mbar；(Ups)为其电压当量，单位为mv；
则Ln(RHf)＝Ln(UP0)-Ln(UPS)；其中，Ln(UPS)＝1.86+0.0625×Ut；
所述相对湿度运算电路中相对湿度的计算公式为：
Ln(RHf)＝Ln(Up)-Ln(10)-Ln(Ups)＝Ln(Up)-4.16-0.0625×(Ut)＝(U0的求和)；其中，
Ut＝2.52×U2t-3275。
7.根据权利要求1所述的组合式相对湿度传感器，其特征在于，所述组合式相对湿度传感器还包括：
恒流源模块，用于提供恒定的电流源。
8.根据权利要求7所述的组合式相对湿度传感器，其特征在于，所述恒流源模块为LM317型恒流源模块。
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