JP4376403B2

JP4376403B2 - Humidity sensor unit

Info

Publication number: JP4376403B2
Application number: JP2000021937A
Authority: JP
Inventors: 克行荻原
Original assignee: Hokuriku Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Hokuriku Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2000-01-31
Filing date: 2000-01-31
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2020-01-31
Also published as: JP2001208709A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、湿度センサの出力電流を対数圧縮して得られる出力電圧と相対湿度のリニアな関係を低い相対湿度の領域まで成立させる補償回路を備えた湿度センサユニットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、湿度の変化に応じてインピーダンスが変化する感湿性高分子ポリマーを用いた湿度センサユニットのインピーダンスと相対湿度の関係を示すものである。湿度センサユニットの構造は例えば特開平１０−３１０００号公報、図１０（Ａ）で説明されているようなものである。一対の電極間のインピーダンス値と相対湿度との間には、図５に示すように縦軸に対数目盛を取り横軸に線形の目盛りを取ると直線に近い下に凸のなだらかな減少関数の関係がある。図５において、黒四角の測定点で示す線が５℃の特性であり、黒丸の測定点で示す線が２５℃の特性であり、黒三角の測定点で示す線が４５℃の特性である。相対湿度に対して、インピーダンスの変化は５〜６桁の範囲に及ぶ。従って湿度センサに一定電圧を印加した場合の出力電流には、湿度の関数として同じく５〜６桁の変化が起こる。そのため湿度センサの出力を処理する回路では、まず電流を対数圧縮する必要がある。ここで対数圧縮とは、数桁におよぶ変化を対数的に圧縮して、処理し易いまたは使い易い範囲内の変化に変換することである。従来のユニットでは湿度センサの出力電流を対数圧縮して電圧に変換している。対数圧縮された電圧は相対湿度の関数として直線に近い上に凸の増加関数になる。この湿度センサの電圧と湿度の関係の直線性は温度によって変化し、温度の違いによってほぼ平行な直線群になる。これらの温度によって異なる平行な直線群が温度によらず同じ直線上に乗るようにする温度補償の方法が提案されている。
【０００３】
この湿度センサの出力を対数圧縮して、しかも温度補償する温度補償回路を備えた従来の湿度センサユニットとしては、半導体ダイオードやサーミスタを用いた対数圧縮回路や温度補償回路を用いるものや、予め温度補正変換テーブルを用意しコンピュータを用いてこの温度補正変換テーブルから適切な出力値を選択するもの等がある。しかるに従来の湿度センサユニットにおいては、対数軸で表示したインピーダンスと相対湿度との関係が直線関係でないことから、湿度センサユニットの対数変換された出力電圧と相対湿度との関係は直線からはづれてくる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の湿度センサユニットでは、対数変換された出力電圧と相対湿度との直線関係を湿度センサユニットの測定範囲の低湿度領域まで拡大することができなかった。マイコンを利用するとこのような非直線性を補正することが出来る。しかしマイクロコンピュータを用いると、出力電圧と相対湿度関係の線形性の補償精度は高くなるものの湿度センサユニットの価格は非常に高くなる。
【０００５】
本発明の目的は、対数圧縮と線形化補償とをすることができる湿度センサユニットを従来よりも安価に提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、線形化補償を行うための回路構成が従来よりも簡単な湿度センサユニットを提供することにある。
【０００７】
本発明の更に他の目的は、対数圧縮をダイオードを用いて実現し、線形化補償をトランジスタを用いて実現した安価な湿度センサユニットを提供することにある。
【０００８】
本発明の更に他の目的は、ダイナミックレンジが広く且つ低い湿度まで線形に検出できる湿度センサユニットを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、湿度の変化に応じて対数的にインピーダンスが変化する特性を有する湿度センサの出力を対数圧縮して、しかも線形化補償することができる湿度センサユニットを対象とする。湿度センサは、低湿度領域における増幅回路の出力が非直線的に変化する出力特性を有している。
【００１０】
本発明の湿度センサユニットでは、湿度センサの他に、湿度センサに流す所定周波数の交流信号を出力する発振回路と、湿度センサに印加するバイアス電圧を発生するバイアス電圧発生回路と、湿度センサの出力信号を対数圧縮する対数圧縮回路と、対数圧縮回路の交流電圧出力のピーク電圧を保持するピーク電圧保持回路と、ピーク電圧保持回路の出力を増幅する増幅回路と、増幅回路の出力電圧と相対湿度との直線関係を補償する、即ち低湿度領域における湿度センサの出力特性を補償する補償回路とを具備する。
【００１１】
対数圧縮回路としては、湿度センサから出力される電流信号を電圧信号に変換するとともに対数圧縮するものを用いるのが好ましい。このような回路としては、逆並列接続された２つのダイオードを含み、湿度センサから出力された電流信号を分極の影響を配慮し、逆接続した２つのダイオードを双方向に流すことによって電流を対数圧縮した電圧信号に変換する対数圧縮回路がある。実際の回路ではダイオードの回路と演算増幅器を組み合わせる。このような対数圧縮回路を用いると、簡単な構成でしかも安価に対数圧縮回路を構成することができる。
【００１２】
ダイオードとしては半導体ＰＮ接合ダイオードを用いることができる。ＰＮ接合ダイオードの順方向電流Ｉとバイアス電圧Ｖとの関係が対数的に変化する。即ち、ＰＮ接合ダイオードのＩＶ特性にはＶ＝（１／ｂ）ｌｎ（Ｉ／Ｉ０）の関係があり、電圧Ｖは電流Ｉの対数変換になる。ただしｌｎ（ｘ）はｘの自然対数、Ｉ０は電流の次元を持つ定数、１／ｂは絶対温度に比例する定数で、摂氏２７度で０．０２５９Ｖになる。電流の対数変換にはこの関係を利用することができる。その結果、ダイオードの出力電圧は湿度センサの出力電流（インピーダンス）を対数圧縮したものとなる。
【００１３】
実際の測定では分極をさけるために湿度センサには発振回路で発生した矩形波形の交流電圧を印加し、矩形波形の交流電流を測定する。そうして膜に印加する交流電流の最大振幅を対数変換した交流出力電圧の最大ピーク値を相対湿度の関数として測定する。つまり対数圧縮回路の出力のうち一方の極性の半波信号のピーク電圧をピーク電圧保持回路で取り出し、これを増幅回路で増幅すれば、所定の電圧範囲でその出力電圧と相対湿度とはリニアな関係となる。
【００１４】
しかしながらこのままでは実際の測定結果では出力電圧と相対湿度の直線関係は得られない。そこで本発明では、出力電圧と相対湿度の間の直線関係を低湿度領域まで保たせる補償回路を設ける。この補償回路は増幅器の出力電圧の低下が予め定めた電圧以下になると電圧の低下の程度に従ってバイアス電圧発生回路に信号を出力し、バイアス電圧発生回路から出力するバイアス電圧を増幅回路の出力の変化に応じて変化させることによって増幅回路の出力の減少が直線的な減少に近づくようにする。
【００１５】
低湿度領域で出力電圧の補償を行わないと直線関係が得られない理由を今少し詳しく説明する。例えば図５の湿度センサユニットの２端子間のインピーダンスＲを対数尺表示したものと相対湿度Ｈの関係とを近似的に直線と見なす場合を考える。膜にピーク電圧Ｖ０の交流電圧を印加すると膜を流れる交流電流のピーク電流ＩはＩ＝Ｖ０／Ｒとなる。この交流電流を半導体のＰＮ接合ダイオードを通した場合、ＰＮ接合ダイオードの端子に現れる交流電圧のピーク電圧ＶとＨの関係は次式で与えられる。
【００１６】
Ｖ＝（ａ／ｂ）Ｈ＋Ｈに依存しない項（１）
つまり対数変換されたピーク電圧Ｖは相対湿度Ｈの１次関数で表される。（１）式の第１項の係数のａはインピダンスの対数表示と相対湿度Ｈとの関係の直線の勾配を表している。実験によるとａ／ｂは絶対温度で変化しない定数になる。これに対して第２項は温度で大きく変化する。このため温度が変化するとＶＨの関係は平行な直線関係を示す。
【００１７】
しかしながら、以上の電圧と相対湿度の線形の関係を表す（１）式を得るにはインピダンスの対数と相対湿度との間に直線関係が成立することが前提となっている。しかるに図５に示した対数尺表示のインピーダンスと相対湿度との関係の実測データは直線関係よりも下に凸の関係にある。このため、対数変換された測定データから得られる出力電圧ＶとＨとの関係は実際には（１）式のような直線関係にはなく、上に凸の関係になる。その結果、高湿度側から直線関係を外挿していくと、低湿度側における直線からのずれは無視できない程度に著しいものになる。したがって低湿度領域では出力電圧を補償しないと直線関係が得られない。出力電圧Ｖと相対湿度Ｈとの直線関係は低湿度領域まで測定感度を保つためには重要な条件である。
【００１８】
本発明では、センサユニットの低湿度領域における出力電圧の補償を行うためにバイアス電圧発生回路と補償回路を用いる。この補償回路は、導通信号発生回路と電位調整回路とから構成される。導通信号発生回路は増幅器の出力電圧が予め定めた電圧以下になるとｐｎｐトランジスタのエミッタ・ベース間に電圧を印加し、それによってトランジスタがオンするような導通信号を発生する回路である。導通信号発生回路は増幅回路の出力電圧がこの予め定めた電圧以下になると、出力電圧の低下量に比例して変化する導通信号を電位調整回路に出力する。電位調整回路は例えばｐｎｐトランジスタを含み、導通信号の入力により導通し、且つ導通信号の変化に応じてインピーダンスが変化する。このｐｎｐトランジスタのエミッタの電圧は基準電源電圧に固定されている。またこのｐｎｐトランジスタのベースは抵抗を介して基準電源電圧に接続され、基準電源電圧より低電圧に直流的にバイアスされている。更にｐｎｐトランジスタのコレクタは抵抗体を介して分圧回路の分圧点に接続されている。増幅回路の出力電圧の低下によってベースの電位が低下するとコレクタ電流がバイアス電圧発生回路に出力され、バイアス電圧発生回路の基準電圧点の電位を上昇させる。その結果バイアス電圧発生回路が増幅回路の出力電圧の低下を直線関係が保たれるように補償する。
【００１９】
このバイアス電圧発生回路は、湿度センサユニットにバイアス電圧を印加する回路で、バイアス用抵抗体とコンデンサとからなる直列回路と、第１及び第２の抵抗体からなる分圧回路とで構成されている。分圧回路は第１及び第２の分圧抵抗体が直列に接続された構成になっていて、基準電源電圧を予め定めた抵抗比率で分圧して分圧点に基準電圧を発生する。直列回路は湿度センサの入力端子に一端が接続されたバイアス用抵抗体とバイアス用抵抗体の他端に直列に接続されたコンデンサとからなる。このコンデンサはバイアス用抵抗体とコンデンサとの接続点の電位を直流的に前述の基準電圧に保ち、センサの入力端子の電位を基準電圧に発振回路からの交流電圧を加算した電圧に保持する役目を果たしている。分圧回路の２つの分圧抵抗体の接続点と前述の直列回路のバイアス用抵抗体とコンデンサとの接続点は互いに接続され、これらの接続点の共通電位が基準電圧であり、これがバイアス電圧発生回路の出力になる。この基準電圧は補償回路の電位調整回路の出力電流によって増幅回路の出力電圧が相対湿度の関数として直線性を保つように変化する。
【００２０】
対数圧縮回路は演算増幅器を含んで構成することができる。この演算増幅器には湿度センサの出力が反転入力端子に入力され且つ非反転入力端子に分圧回路で生成された基準電圧が入力される。演算増幅器の出力端子の電位は対数変換された交流電圧に基準電圧を加算したものになる。増幅回路の出力電圧が相対湿度の関数として直線性を保つことができないほどに低下すると、基準電圧が補償回路によって補償されて、増幅回路の出力電圧は相対湿度の関数として直線性を保つように上昇する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の湿度センサユニットの実施の形態の一例について説明する。図１は、本発明の実施の形態の一例の構成を示すブロック図である。図３は詳細な回路図である。これらの図において、１は湿度センサ５に印加する所定周波数の矩形波形の交流信号［図２（Ａ）参照］を出力する発振回路である。例えば感湿性高分子ポリマからなる感湿膜を有する湿度センサ５に直流を印加すると電気分極が発生するため、交流信号を発生する発振回路１が必要になるのである。３は直流分カット用のコンデンサＣ２を含む回路である。５は湿度の変化に応じて対数的にインピーダンスが変化し且つ周囲の温度変化の影響を受けてインピーダンスが変化する温度特性を有する湿度センサであり、具体的には感湿性高分子ポリマからなる感湿膜を有する湿度センサである。例えば図５のようなインピーダンスと相対湿度との関係を示す特性を有する膜である。そして７は、湿度センサ５から出力される電流信号を電圧信号に変換するとともに対数圧縮する対数圧縮回路である。図２（Ｂ）は対数圧縮回路７の出力電圧を示している。対数圧縮回路７には演算増幅器ＯＰ２が含まれている。その働きについては後で述べる。９は対数圧縮回路７の出力のうち一方の極性の半波信号のピーク値を検出してピーク値を示すピーク値信号を出力するピーク電圧保持回路である。図２（Ｃ）はピーク電圧保持回路９の出力を示している。１０は湿度センサ５の温度変化による特性の変動を補償する温度補償回路である。１１はピーク電圧保持回路の出力信号を増幅する増幅回路である。
【００２２】
１３は低湿度領域における増幅回路１１の出力電圧と相対湿度の変化との関係が直線的になるように湿度センサ５の特性を補償するための補償回路である。補償回路１３は導通信号発生回路１３ａと電位調整回路１３ｂとから構成される。導通信号発生回路１３ａは増幅回路１１の出力電圧が予め定めた電圧以下になると、増幅回路１１の出力電圧の低下量に比例して変化する導通信号を発生し、これを電位調整回路１３ｂに出力する。電位調整回路１３ｂは導通信号の変化に応じてインピーダンスが変化する半導体素子（トランジスタＴｒ１）を含み、増幅回路１１の出力電圧の変化に反比例の関係でバイアス電圧発生回路１５の基準電圧点の電位を変化させる。
【００２３】
バイアス電圧発生回路１５は分圧回路１５ａと直列回路１５ｂと演算増幅器ＯＰ２とから構成されている。分圧回路１５ａは、第１及び第２の分圧抵抗体Ｒ１５及びＲ１６により構成されて、基準電源電圧を予め定めた比率で分圧した基準電圧を分圧点に発生し、湿度センサ５の出力端の直流レベルを基準電圧に固定する。この基準電圧は補償回路１３の電位調整回路１３ｂの出力によって変化する。抵抗体Ｒ７とコンデンサＣ３とからなる直列回路１５ｂは湿度センサ５の入力端子の直流電圧レベルを分圧回路１５ａで決まった基準電圧に固定し且つ発振回路１から出力される矩形波形の交流電圧を湿度センサ５の端子間に出力する。
【００２４】
湿度センサ５の出力は対数圧縮回路７の一部を構成する演算増幅器ＯＰ２の反転入力端子に入力され且つ非反転入力端子に分圧回路１５ａからの基準電圧が入力される。演算増幅器ＯＰ２の反転入力端子と出力端子とは逆接続したダイオードＤ１ａ及びＤ１ｂに接続され、対数変換の機能を果たす。演算増幅器ＯＰ２の出力端子の電圧は、湿度センサ５を流れる電流をダイオードＤ１ａ及びＤ１ｂで対数変換した交流電圧に分圧回路１５ａからの基準電圧を加算したものになる。この出力電圧はピーク電圧保持回路９を通過し、増幅回路１１に入力される。増幅回路１１は定められた倍率分だけピーク電圧保持回路９の出力を増幅する。図２（Ｄ）は増幅回路１１の出力を示している。
【００２５】
補償回路１３は、増幅回路１１の出力電圧が予め定めた電圧より低い電圧になると、バイアス電圧発生回路１５に対し湿度センサ５の出力の低下分を補償するための補償信号を発生し、バイアス電圧発生回路１５は湿度センサ５の出力の低下を補償する基準電圧を出力する。
【００２６】
次に図３の回路図を詳細に説明する。図３において、図１に示した部分と同じ部分には、図１に付した符号と同じ符号を付してある。矩形波の交流電圧信号を出力する発振回路１は、図２（Ａ）に示すような矩形波信号を出力するＩＣによって構成された演算増幅器ＯＰ１と、抵抗Ｒ１〜Ｒ４と、コンデンサＣ１とから構成される。
【００２７】
発振回路１から出力された矩形波状の交流信号は、図１の３に相当する直流分カット用のコンデンサＣ２を介して湿度センサ５の入力端子に入力されている。この例では、湿度センサ５として北陸電気工業株式会社がＨＩＳ−０２の製品番号で販売する抵抗変化型の湿度センサを用いている。この湿度センサ５は、湿度の変化に応じて、湿度センサ５の入出力端子間のインピーダンスが対数的に変化する。
【００２８】
湿度センサ５の出力端子には、対数圧縮回路７が接続されている。この対数圧縮回路７は、演算増幅器ＯＰ２とダイオードＤ１ａ及びＤ１ｂとから構成される。演算増幅器ＯＰ２の−入力端子（反転入力端子）と出力端子との間には、逆並列接続された２つのダイオードＤ１ａ及びＤ１ｂの逆並列回路が接続されている。そして演算増幅器ＯＰ２の−入力端子には湿度センサ５の出力端子が接続されている。また演算増幅器ＯＰ２の＋入力端子（非反転入力端子）には、バイアス電圧発生回路１５の分圧回路１５ａの分圧点、即ち基準電圧点（抵抗１５と抵抗Ｒ１６との接続点）から基準電圧Ｖｒｅｆが入力されている。湿度センサ５の入力端子にかかる電圧が発振回路１のパルス電圧の負のピーク電圧−Ｖ０だとすると、湿度センサ５を発振回路１に向かう矩形波形の電流のピーク値ＩはＩ＝Ｖ０／Ｒとなる。
【００２９】
湿度センサ５から出力された矩形波状の交流電流は、２つのダイオードＤ１ａ及びＤ１ｂを通ることによって、対数圧縮された交流電圧に変換される。この対数圧縮された電圧が基準電圧Ｖｒｅｆを基準として演算増幅器ＯＰ２の出力端子に現れる。この出力電圧のピーク値Ｖｏｕｔはセンサ５を流れる電流を対数変換した電圧の正のピーク値に基準電圧Ｖｒｅｆを加えたものになる。この出力電圧のピーク値Ｖｏｕｔが対数圧縮回路７の演算増幅器ＯＰ２の出力端子に現れる。ダイオードＤ１ａとＤ１ｂを流れる電流が対数圧縮された結果、図２（Ｂ）に示すように上下が潰れたような波形の電圧信号が対数圧縮回路７から出力される。今、基準電圧Ｖｒｅｆが相対湿度の変化で変化しないとすると、ｌｏｇＲの相対湿度Ｈに対する依存性は図５のような下に凸の関係であることから、対数圧縮回路７の出力電圧のピーク値Ｖｏｕｔの相対湿度依存性は上に凸の関係になり、直線関係にならない。これを基準電圧Ｖｒｅｆの相対湿度依存性に下に凸の関係をうまく導入して出力電圧のピーク値Ｖｏｕｔと相対湿度Ｈの直線関係を出すのが後で述べる補償回路１３とバイアス電圧発生回路１５との目的である。
【００３０】
ピーク電圧保持回路９は、演算増幅器ＯＰ３とダイオードＤ３とコンデンサＣ４とから構成されている。演算増幅器ＯＰ３の＋入力端子に対数圧縮回路７の出力信号が入力される。演算増幅器ＯＰ３の出力端子はダイオードＤ３のアノードに接続される。ダイオードＤ３のカソードは演算増幅器ＯＰ３の−入力端子につながり、またコンデンサＣ４を介して接地されている。ピーク電圧保持回路９は、対数圧縮回路７から出力される電圧信号［図２（Ｂ）参照］のうち正極性の電圧信号ＶｏｕｔだけをダイオードＤ３を通して出力して、その出力でコンデンサＣ４を充電する。コンデンサＣ４の非接地側の端子がピーク電圧保持回路９の出力端子となる。
【００３１】
温度補償回路１０はコンデンサＣ４の非接地側端子を抵抗Ｒ１２、Ｒ１３及びダイオードＤ２ａとＤ２ｂを介してグランドに接続する構成になっている。ダイオードＤ２ａ及びＤ２ｂの極性はコンデンサＣ４の充電電圧が高くなると、電流がこれらの部品を通過して放電し、温度補償回路１０の出力端子であるＲ１３，Ｒ１２の接続点の電圧が常に充電電圧（対数圧縮回路７の正極性の電圧信号のピーク値）を温度補償した値になるようになっている。温度補償回路１０の詳細は特開平１０−３１０００号公報に記述されている。
【００３２】
増幅回路１１は、演算増幅器ＯＰ４、抵抗Ｒ１０，Ｒ１１，Ｒ２０，Ｒ２１により構成されている。直列接続された抵抗Ｒ２０，Ｒ２１は基準電源電圧を予め定めた分圧比で分圧し、接続点の電圧を決定する。この電圧を第２の基準電圧Ｖｒｅｆ２とする。第２の基準電圧Ｖｒｅｆ２は抵抗Ｒ１０を介して演算増幅器ＯＰ４の−入力端子に接続されている。演算増幅器ＯＰ４の出力端子は抵抗Ｒ１１を介して−入力端子に接続され、これに負帰還増幅器が構成されている。ピーク電圧保持回路７の出力は抵抗Ｒ１３を介して演算増幅器ＯＰ４の＋入力端子に温度補償された信号として入力される。増幅回路１１は正値増幅器を構成している。対数圧縮回路７の出力のピーク電圧Ｖｏｕｔが、ピーク電圧保持回路９で保持され、更に温度補償された信号として増幅回路１１に入力され、これが増幅回路１１の演算増幅器ＯＰ４で増幅されて、出力電圧Ｖｏｐ４として出力される。増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４は対数圧縮回路７の出力電圧のピーク電圧Ｖｏｕｔの増加関数になる。
【００３３】
インピーダンス変換回路１７は演算増幅器ＯＰ５により構成される。演算増幅器ＯＰ５は＋入力端子に増幅回路１１の出力電圧が入力され、演算増幅器ＯＰ５の出力端子が−入力端子に接続された正値の負帰還増幅器である。インピーダンス変換回路１７は入力インピーダンスの低い外部の装置を接続してもセンサユニットの出力電圧が変動しないようにインピーダンス変換する働きをする。
【００３４】
増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４が低湿度領域で相対湿度の関数として直線的であるためには、出力電圧Ｖｏｐ４が相対湿度に対して直線関係の値より低下したとき、基準電圧点の電位Ｖｒｅｆを増加させてやればよい。そうすれば対数圧縮回路７の出力電圧のピーク値Ｖｏｕｔが増加し、その結果増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４が増加し、出力電圧Ｖｏｐ４の相対湿度Ｈの関係としての直線性が回復する。
【００３５】
補償回路１３とバイアス電圧発生回路１５は増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４が低湿度領域で相対湿度の関数として直線性を示すよりも低下したとき、基準電圧点の電位Ｖｒｅｆを増加させる働きをする。補償回路１３は導通信号発生回路１３ａと電位調整回路１３ｂで構成される。導通信号発生回路１３ａは抵抗Ｒ１８、Ｒ１９で構成され、電位調整回路１３ｂはｐｎｐトランジスタＴｒ１と抵抗Ｒ１７からなる。これらは密接につながって動作するのでまとめて説明する。ｐｎｐトランジスタＴｒ１のエミッタは基準電源電圧Ｖｃｃに直接つながり、エミッタ電位はＶｃｃに固定される。ｐｎｐトランジスタＴｒ１のベースは抵抗Ｒ１８を介して基準電源電圧Ｖｃｃに接続され、基準電源電圧より低電圧にバイアスされている。更にｐｎｐトランジスタＴｒ１のベースは抵抗体Ｒ１９を介して増幅回路１１の演算増幅器ＯＰ４の出力端子に接続されている。ｐｎｐトランジスタＴｒ１のコレクタは抵抗Ｒ１７を介して分圧回路１５ｃの基準電圧点の電位Ｖｒｅｆに接続される。以上の構成でｐｎｐトランジスタＴｒ１のエミッタベース先ず、ｐｎｐトランジスタＴｒ１が活性領域にある場合について説明する。但し本発明はｐｎｐトランジスタＴｒ１が活性領域にあるときだけでなく、後で述べる飽和領域にある時も含む。ｐｎｐトランジスタＴｒ１が活性領域にある場合は、ｐｎｐトランジスタＴｒ１のエミッタ・ベース間の電位差ＶＥＢはエミッタの電位Ｖｃｃと増幅回路１１の演算増幅器ＯＰ４の出力電位Ｖｏｐ４と対数圧縮回路７のピーク電圧Ｖｏｕｔとを用いて、次式のように書ける。
【００３６】
ＶＥＢ＝（Ｖｃｃ−Ｖｏｐ４）／（１＋Ｒ１９／Ｒ１８）
＝Ｖｏｕｔの減少関数（２）
これを用いてｐｎｐトランジスタＴｒ１のエミッタからベースへの注入電流ＩＥは
ＩＥ＝Ｉ０［ｅｘｐ（ｂ・ＶＥＢ）−１］（３）
と書ける。ここで、ｂは絶対温度に逆比例する定数で、摂氏２７度で３８．９／Ｖになる。（３）式のＩＥがｐｎｐトランジスタＴｒ１のオン電流Ｉｏｎに達するＶＥＢをＶｏｎとすると、この電圧は大略０．３〜０．７位になる。この時の対数圧縮回路７の出力電圧のピーク値Ｖｏｕｔを補償回路作動のためのＶｏｕｔｏのしきい値電圧Ｖｔｈとすると、対数圧縮回路の出力電圧のピーク値Ｖｏｕｔがこの予め定めた電圧Ｖｔｈ以下で補償回路が動作を始める。またこの時の増幅回路１１の演算増幅器ＯＰ４の出力電圧Ｖｏｐ４を補償回路が動作し始める予め定めた電圧として設定する。この時の増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４を例えば相対湿度Ｈ＝５０％の時の出力電圧に設定しておけば、相対湿度Ｈが５０％以下でｐｎｐトランジスタＴｒ１がオンになって補償回路１３が動作するように設定することができる。
【００３７】
バイアス電圧発生回路１５は分圧回路１５ａと直列回路１５ｂで構成されている。分圧回路１５ａは２つの分圧抵抗体Ｒ１５，Ｒ１６が直列に接続された構成になっていて、その接続点（基準電圧点）が基準電源電圧Ｖｃｃを抵抗Ｒ１５，Ｒ１６によって予め定めた比率で分圧した基準電圧Ｖｒｅｆを発生する。ｐｎｐトランジスタＴｒ１のコレクタ電流Ｉｃがバイアス電圧発生回路１５の基準電圧Ｖｒｅｆを増加させる。これはｐｎｐトランジスタＴｒ１のコレクタの電流Ｉｃが抵抗Ｒ１６を通って接地レベルに放電されるので、ＩＲドロップによって基準電圧点の電位を押し上げるからである。ｐｎｐトランジスタのコレクタ電流Ｉｃは（３）式のエミッタ電流ＩＥに等しい。従って、増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４が少しづつ減少するにつれて分圧回路１５ａが発生する基準電圧Ｖｒｅｆは比較的急激に増加していく。従ってもし湿度センサの出力電圧Ｖｏｐ４が直線関係よりも急激に低下すると、基準電圧Ｖｒｅｆが増加し、その結果対数圧縮回路の出力電圧のピーク値Ｖｏｕｔが増加し、増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４が増加する。こうして増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４の出力の減少を補償することができる。
【００３８】
次にｐｎｐトランジスタＴｒ１が飽和領域にある場合について説明する。これは増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４が著しく低下した場合に相当する。ｐｎｐトランジスタＴｒ１の飽和領域ではｐｎｐトランジスタＴｒ１のコレクタ電位がエミッタ電位Ｖｃｃの方向に引き寄せられる。この場合もｐｎｐトランジスタＴｒ１は増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４の低下によって分圧回路１３ｂが発生する基準電圧Ｖｒｅｆを急激に増加させる働きをする。
【００３９】
直列回路１５ｂは湿度センサ５の入力端子に一端が接続されたバイアス用抵抗体Ｒ７とバイアス用抵抗体Ｒ７の他端に直列に接続されたコンデンサＣ３とからなる。分圧回路１５ａの２つの分圧抵抗体Ｒ１５，Ｒ１６の接続点と直列回路１５ｂの抵抗体Ｒ７とコンデンサＣ３の接続点は接続され、接続点の共通の接点（基準電圧点）の電位が基準電圧Ｖｒｅｆであり、これがバイアス電圧発生回路１５の出力になる。この基準電圧Ｖｒｅｆは補償回路１３の電位調整回路１３ｂの電圧調整用ｐｎｐトランジスタＴｒ１のコレクタ電流によって増加する。
【００４０】
対数圧縮回路７の演算増幅器ＯＰ２の非反転入力端子に基準電圧Ｖｒｅｆが入力され、反転入力端子には湿度センサ５からの矩形波交流電流が入力される。対数圧縮回路７の出力電圧のピーク値Ｖｏｕｔはこの電流をダイオードＤ１ａ、Ｄ１ｂで対数変換した矩形交流電圧に基準電圧Ｖｒｅｆを加算した電圧のピーク値になる。増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４が予め定めた電圧以下に低下すると電圧調整用ｐｎｐトランジスタＴｒ１のコレクタ電流が増加し、その結果分圧回路の基準電圧Ｖｒｅｆが増加する。すると対数圧縮回路７のピーク出力電圧Ｖｏｕｔが増加し、その結果温度補償回路１０の出力電圧が増加し、更に増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４が増加する。こうして増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４の出力が相対湿度Ｈの関数として直線関係を保つように補償される。
【００４１】
図４は、図３の実施例から得られる相対湿度Ｈと増幅回路１１の出力電圧Ｖｏｐ４との関係を示す実測データである。測定温度は摂氏２５度である。黒い点は補償回路１３を作動させない場合の出力電圧と相対湿度との関係を示す特性である。全体的には直線に近い特性であるが上に凸の特性を示している。相対湿度４０％以下では、相対湿度の低下に伴い直線的特性よりも急激に下がっている。
【００４２】
白丸で示す特性は補償回路１３を作動させた場合の特性である。このデータから分かるように、この実施例によれば相対湿度１０％から９０％の全域で出力電圧と相対湿度の関係は直線的な特性を示しており、低湿度領域まで直線性が保たれている。更に、この例ではダイナミックレンジ（電圧と湿度との関係が直線的になる領域）即ち出力電圧の幅が、補償回路が作動させない場合のユニットにより得られるダイナミックレンジよりも広くなっている。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、ダイオードの特性を利用した対数圧縮を用いることによって、湿度センサユニットを従来よりも安価に提供することができる。また出力電圧と相対湿度の特性で出力電圧が直線的な特性より低下したとき、予め定めた電圧以下になるとトランジスタの帰還回路が作動し始めて出力電圧と相対湿度の関係が直線になるように補償を行うと、簡単な回路構成で、広いダイナミックレンジの湿度センサを安価に提供することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の湿度センサユニットの実施の形態の一例の構成を示すブロックである。
【図２】（Ａ）〜（Ｄ）は図１の各部の出力波形を示す図である。
【図３】図１の実施の形態の一実施例の回路図を示している。
【図４】図３の実施例から得られる相対湿度と平滑した出力電圧との関係を示す実測データである。
【図５】湿度の変化に応じて対数的にインピーダンスが変化し且つ周囲の温度変化の影響を受けてインピーダンスが変化する温度特性を有する湿度センサのインピーダンス値と相対湿度との関係を示している。
【符号の説明】
１発振回路
３コンデンサ
５湿度センサ
７対数圧縮回路
９ピーク電圧保持回路
１０温度補償回路
１１増幅回路
１３補償回路、１３ａ導通信号発生回路、１３ｂ電位調整回路
１５バイアス電圧発生回路、１５ａ分圧回路、１５ｂ直列回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a humidity sensor unit including a compensation circuit that establishes a linear relationship between an output voltage obtained by logarithmically compressing an output current of a humidity sensor and a relative humidity up to a low relative humidity region.
[0002]
[Prior art]
FIG. 5 shows the relationship between the impedance and relative humidity of a humidity sensor unit using a moisture-sensitive polymer whose impedance changes according to changes in humidity. The structure of the humidity sensor unit is, for example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-31000 and FIG. Between the impedance value between the pair of electrodes and the relative humidity, as shown in FIG. 5, a logarithmic scale is plotted on the vertical axis and a linear scale is plotted on the horizontal axis. There is a relationship. In FIG. 5, a black square measurement point indicates a 5 ° C. characteristic, a black circle measurement point indicates a 25 ° C. characteristic, and a black triangular measurement point indicates a 45 ° C. characteristic. . For relative humidity, the change in impedance ranges from 5 to 6 orders of magnitude. Accordingly, the output current when a constant voltage is applied to the humidity sensor is similarly changed by 5 to 6 digits as a function of humidity. Therefore, in a circuit that processes the output of the humidity sensor, it is first necessary to logarithmically compress the current. Here, logarithmic compression means that a change in several digits is logarithmically converted into a change within a range that is easy to process or use. In the conventional unit, the output current of the humidity sensor is logarithmically compressed and converted into a voltage. The logarithmically compressed voltage becomes a linearly upward increasing function as a function of relative humidity. The linearity of the relationship between the voltage and humidity of this humidity sensor changes with temperature, and becomes a group of substantially parallel lines due to the difference in temperature. A temperature compensation method has been proposed in which a group of parallel lines different depending on the temperature is placed on the same line regardless of the temperature.
[0003]
As a conventional humidity sensor unit having a temperature compensation circuit that logarithmically compresses the output of this humidity sensor and compensates the temperature, a logarithmic compression circuit using a semiconductor diode or a thermistor, a temperature compensation circuit, or a temperature sensor in advance is used. A correction conversion table is prepared, and an appropriate output value is selected from the temperature correction conversion table using a computer. However, in the conventional humidity sensor unit, since the relationship between the impedance displayed on the logarithmic axis and the relative humidity is not a linear relationship, the relationship between the logarithmically converted output voltage of the humidity sensor unit and the relative humidity is derived from a straight line. .
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional humidity sensor unit, the linear relationship between the logarithmically converted output voltage and the relative humidity cannot be expanded to the low humidity region of the measurement range of the humidity sensor unit. Such non-linearity can be corrected by using a microcomputer. However, if the microcomputer is used, the accuracy of the linearity relationship between the output voltage and the relative humidity increases, but the price of the humidity sensor unit becomes very high.
[0005]
An object of the present invention is to provide a humidity sensor unit that can perform logarithmic compression and linearization compensation at a lower cost than conventional ones.
[0006]
Another object of the present invention is to provide a humidity sensor unit having a simpler circuit configuration than that of the prior art for performing linearization compensation.
[0007]
Still another object of the present invention is to provide an inexpensive humidity sensor unit in which logarithmic compression is realized using a diode and linearization compensation is realized using a transistor.
[0008]
Still another object of the present invention is to provide a humidity sensor unit having a wide dynamic range and capable of linear detection up to low humidity.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is directed to a humidity sensor unit capable of logarithmically compressing the output of a humidity sensor having a characteristic that impedance changes logarithmically in response to a change in humidity and linearizing compensation. The humidity sensor has an output characteristic in which the output of the amplifier circuit in the low humidity region changes nonlinearly.
[0010]
In the humidity sensor unit of the present invention, in addition to the humidity sensor, an oscillation circuit that outputs an alternating current signal of a predetermined frequency that flows to the humidity sensor, a bias voltage generation circuit that generates a bias voltage to be applied to the humidity sensor, and an output of the humidity sensor A logarithmic compression circuit that logarithmically compresses a signal, a peak voltage holding circuit that holds the peak voltage of the AC voltage output of the logarithmic compression circuit, an amplifier circuit that amplifies the output of the peak voltage holding circuit, and an output voltage and relative humidity of the amplifier circuit And a compensation circuit for compensating the output characteristics of the humidity sensor in the low humidity region.
[0011]
As the logarithmic compression circuit, it is preferable to use a circuit that converts the current signal output from the humidity sensor into a voltage signal and performs logarithmic compression. Such a circuit includes two diodes connected in antiparallel, and the current signal output from the humidity sensor is taken into account by the effect of polarization, and the current is logarithmized by flowing the two reversely connected diodes in both directions. There is a logarithmic compression circuit that converts to a compressed voltage signal. In an actual circuit, a diode circuit and an operational amplifier are combined. When such a logarithmic compression circuit is used, a logarithmic compression circuit can be configured with a simple configuration and at a low cost.
[0012]
As the diode, a semiconductor PN junction diode can be used. The relationship between the forward current I of the PN junction diode and the bias voltage V changes logarithmically. That is, the IV characteristic of the PN junction diode has a relationship of V = (1 / b) ln (I / I0), and the voltage V is a logarithmic conversion of the current I. However, ln (x) is a natural logarithm of x, I0 is a constant having a current dimension, 1 / b is a constant proportional to absolute temperature, and becomes 0.0259 V at 27 degrees Celsius. This relationship can be used for logarithmic conversion of current. As a result, the output voltage of the diode is a logarithmically compressed output current (impedance) of the humidity sensor.
[0013]
In actual measurement, in order to avoid polarization, a rectangular waveform alternating voltage generated in the oscillation circuit is applied to the humidity sensor, and the rectangular waveform alternating current is measured. Thus, the maximum peak value of the AC output voltage obtained by logarithmically converting the maximum amplitude of the AC current applied to the film is measured as a function of the relative humidity. In other words, if the peak voltage of the half-wave signal of one polarity in the output of the logarithmic compression circuit is taken out by the peak voltage holding circuit and amplified by the amplification circuit, the output voltage and the relative humidity are linear within a predetermined voltage range. It becomes a relationship.
[0014]
However, in this state, the linear relationship between the output voltage and the relative humidity cannot be obtained in the actual measurement result. Therefore, in the present invention, a compensation circuit is provided that maintains the linear relationship between the output voltage and the relative humidity up to the low humidity region. This compensation circuit outputs a signal to the bias voltage generation circuit according to the degree of the voltage drop when the drop in the output voltage of the amplifier falls below a predetermined voltage, and changes the output of the amplifier circuit from the bias voltage output from the bias voltage generation circuit. The reduction of the output of the amplifier circuit is made to approach a linear reduction by changing in accordance with.
[0015]
The reason why the linear relationship cannot be obtained unless the output voltage is compensated in the low humidity region will now be described in detail. For example, consider the case where the impedance R between the two terminals of the humidity sensor unit shown in FIG. When an alternating voltage having a peak voltage V0 is applied to the film, the peak current I of the alternating current flowing through the film is I = V0 / R. When this AC current is passed through a semiconductor PN junction diode, the relationship between the peak voltages V and H of the AC voltage appearing at the terminal of the PN junction diode is given by the following equation.
[0016]
V = (a / b) H + H independent term (1)
That is, the logarithmically converted peak voltage V is expressed by a linear function of relative humidity H. The coefficient a in the first term of the equation (1) represents the slope of a straight line between the logarithmic display of the impedance and the relative humidity H. According to experiments, a / b is a constant that does not vary with absolute temperature. In contrast, the second term varies greatly with temperature. For this reason, when the temperature changes, the relationship of VH shows a parallel linear relationship.
[0017]
However, in order to obtain the equation (1) representing the linear relationship between the voltage and the relative humidity, it is assumed that a linear relationship is established between the logarithm of the impedance and the relative humidity. However, the measured data of the relationship between the logarithmic scale display impedance and relative humidity shown in FIG. 5 has a convex relationship below the linear relationship. For this reason, the relationship between the output voltages V and H obtained from the logarithmically converted measurement data is not actually a linear relationship as in the equation (1), but is a convex relationship. As a result, when the linear relationship is extrapolated from the high humidity side, the deviation from the straight line on the low humidity side becomes so remarkable that it cannot be ignored. Therefore, a linear relationship cannot be obtained unless the output voltage is compensated in the low humidity region. The linear relationship between the output voltage V and the relative humidity H is an important condition for maintaining the measurement sensitivity up to the low humidity region.
[0018]
In the present invention, a bias voltage generation circuit and a compensation circuit are used to compensate the output voltage in the low humidity region of the sensor unit. This compensation circuit includes a conduction signal generation circuit and a potential adjustment circuit. The conduction signal generation circuit is a circuit that generates a conduction signal that turns on the transistor by applying a voltage between the emitter and base of the pnp transistor when the output voltage of the amplifier becomes lower than a predetermined voltage. When the output voltage of the amplifier circuit becomes equal to or lower than the predetermined voltage, the conduction signal generation circuit outputs a conduction signal that changes in proportion to the amount of decrease in the output voltage to the potential adjustment circuit. The potential adjustment circuit includes, for example, a pnp transistor, is turned on when a conduction signal is input, and the impedance changes according to a change in the conduction signal. The emitter voltage of the pnp transistor is fixed at the reference power supply voltage. The base of the pnp transistor is connected to a reference power supply voltage via a resistor, and is dc-biased to a voltage lower than the reference power supply voltage. Further, the collector of the pnp transistor is connected to the voltage dividing point of the voltage dividing circuit through a resistor. When the base potential decreases due to a decrease in the output voltage of the amplifier circuit, a collector current is output to the bias voltage generation circuit, and the potential at the reference voltage point of the bias voltage generation circuit is increased. As a result, the bias voltage generation circuit compensates for a decrease in the output voltage of the amplifier circuit so that a linear relationship is maintained.
[0019]
This bias voltage generating circuit is a circuit for applying a bias voltage to the humidity sensor unit, and is composed of a series circuit composed of a bias resistor and a capacitor, and a voltage dividing circuit composed of a first resistor and a second resistor. Yes. The voltage dividing circuit has a configuration in which a first voltage dividing resistor and a second voltage dividing resistor are connected in series, and a reference voltage is divided by a predetermined resistance ratio to generate a reference voltage at a voltage dividing point. The series circuit includes a bias resistor having one end connected to the input terminal of the humidity sensor and a capacitor connected in series to the other end of the bias resistor. This capacitor serves to maintain the potential at the connection point between the bias resistor and the capacitor at the aforementioned reference voltage in a DC manner, and to maintain the potential at the sensor input terminal at the reference voltage plus the AC voltage from the oscillation circuit. Plays. The connection point between the two voltage dividing resistors in the voltage dividing circuit and the connection point between the bias resistor and the capacitor in the above-described series circuit are connected to each other, and the common potential at these connection points is the reference voltage, which is the bias voltage. It becomes the output of the generation circuit. This reference voltage changes according to the output current of the potential adjustment circuit of the compensation circuit so that the output voltage of the amplifier circuit maintains linearity as a function of relative humidity.
[0020]
The logarithmic compression circuit can include an operational amplifier. In this operational amplifier, the output of the humidity sensor is input to the inverting input terminal, and the reference voltage generated by the voltage dividing circuit is input to the non-inverting input terminal. The potential at the output terminal of the operational amplifier is obtained by adding the reference voltage to the logarithmically converted AC voltage. If the output voltage of the amplifier circuit drops so that linearity cannot be maintained as a function of relative humidity, the reference voltage is compensated by the compensation circuit so that the output voltage of the amplifier circuit remains linear as a function of relative humidity. To rise.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an example of an embodiment of a humidity sensor unit of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an example of an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a detailed circuit diagram. In these figures, reference numeral 1 denotes an oscillation circuit that outputs a rectangular waveform AC signal [see FIG. 2A] having a predetermined frequency to be applied to the humidity sensor 5. For example, when a direct current is applied to the humidity sensor 5 having a moisture-sensitive film made of a moisture-sensitive polymer polymer, electric polarization is generated, so that the oscillation circuit 1 that generates an alternating-current signal is required. Reference numeral 3 denotes a circuit including a capacitor C2 for cutting a direct current component. Reference numeral 5 denotes a humidity sensor having a temperature characteristic in which the impedance changes logarithmically in response to changes in humidity and the impedance changes under the influence of ambient temperature changes. Specifically, the humidity sensor is a sensor made of a moisture-sensitive polymer. A humidity sensor having a wet film. For example, it is a film | membrane which has the characteristic which shows the relationship between an impedance and relative humidity like FIG. Reference numeral 7 denotes a logarithmic compression circuit that converts the current signal output from the humidity sensor 5 into a voltage signal and performs logarithmic compression. FIG. 2B shows the output voltage of the logarithmic compression circuit 7. The logarithmic compression circuit 7 includes an operational amplifier OP2. Its function will be described later. Reference numeral 9 denotes a peak voltage holding circuit that detects a peak value of a half-wave signal of one polarity out of the outputs of the logarithmic compression circuit 7 and outputs a peak value signal indicating the peak value. FIG. 2C shows the output of the peak voltage holding circuit 9. Reference numeral 10 denotes a temperature compensation circuit that compensates for variations in characteristics due to temperature changes of the humidity sensor 5. An amplifier circuit 11 amplifies the output signal of the peak voltage holding circuit.
[0022]
Reference numeral 13 denotes a compensation circuit for compensating the characteristics of the humidity sensor 5 so that the relationship between the output voltage of the amplifier circuit 11 and the change in relative humidity in the low humidity region is linear. The compensation circuit 13 includes a conduction signal generation circuit 13a and a potential adjustment circuit 13b. When the output voltage of the amplifier circuit 11 becomes equal to or lower than a predetermined voltage, the conduction signal generation circuit 13a generates a conduction signal that changes in proportion to the amount of decrease in the output voltage of the amplifier circuit 11, and outputs this to the potential adjustment circuit 13b. To do. The potential adjustment circuit 13b includes a semiconductor element (transistor Tr1) whose impedance changes in accordance with the change in the conduction signal, and sets the potential at the reference voltage point of the bias voltage generation circuit 15 in inverse relation to the change in the output voltage of the amplifier circuit 11. Change.
[0023]
The bias voltage generating circuit 15 includes a voltage dividing circuit 15a, a series circuit 15b, and an operational amplifier OP2. The voltage dividing circuit 15a includes first and second voltage dividing resistors R15 and R16, and generates a reference voltage obtained by dividing the reference power supply voltage at a predetermined ratio at a voltage dividing point. Fix the output DC level to the reference voltage. This reference voltage varies depending on the output of the potential adjustment circuit 13b of the compensation circuit 13. A series circuit 15b composed of a resistor R7 and a capacitor C3 fixes the DC voltage level of the input terminal of the humidity sensor 5 to a reference voltage determined by the voltage dividing circuit 15a, and generates a rectangular waveform AC voltage output from the oscillation circuit 1. Output between the terminals of the humidity sensor 5.
[0024]
The output of the humidity sensor 5 is input to the inverting input terminal of the operational amplifier OP2 constituting a part of the logarithmic compression circuit 7, and the reference voltage from the voltage dividing circuit 15a is input to the non-inverting input terminal. The inverting input terminal and output terminal of the operational amplifier OP2 are connected to diodes D1a and D1b which are reversely connected, and perform a logarithmic conversion function. The voltage at the output terminal of the operational amplifier OP2 is obtained by adding the reference voltage from the voltage dividing circuit 15a to the AC voltage obtained by logarithmically converting the current flowing through the humidity sensor 5 with the diodes D1a and D1b. This output voltage passes through the peak voltage holding circuit 9 and is input to the amplifier circuit 11. The amplifier circuit 11 amplifies the output of the peak voltage holding circuit 9 by a predetermined magnification. FIG. 2D shows the output of the amplifier circuit 11.
[0025]
When the output voltage of the amplifier circuit 11 is lower than a predetermined voltage, the compensation circuit 13 generates a compensation signal for compensating for the decrease in the output of the humidity sensor 5 to the bias voltage generation circuit 15, and the bias voltage The generation circuit 15 outputs a reference voltage that compensates for a decrease in the output of the humidity sensor 5.
[0026]
Next, the circuit diagram of FIG. 3 will be described in detail. In FIG. 3, the same parts as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those shown in FIG. An oscillation circuit 1 that outputs a rectangular wave AC voltage signal includes an operational amplifier OP1 that is configured by an IC that outputs a rectangular wave signal as shown in FIG. 2A, resistors R1 to R4, and a capacitor C1. Is done.
[0027]
A rectangular-wave AC signal output from the oscillation circuit 1 is input to the input terminal of the humidity sensor 5 via a DC component cut capacitor C2 corresponding to 3 in FIG. In this example, a resistance change type humidity sensor sold by Hokuriku Electric Industry Co., Ltd. under the product number HIS-02 is used as the humidity sensor 5. In the humidity sensor 5, the impedance between the input and output terminals of the humidity sensor 5 changes logarithmically according to the change in humidity.
[0028]
A logarithmic compression circuit 7 is connected to the output terminal of the humidity sensor 5. The logarithmic compression circuit 7 includes an operational amplifier OP2 and diodes D1a and D1b. An antiparallel circuit of two diodes D1a and D1b connected in antiparallel is connected between the negative input terminal (inverting input terminal) and the output terminal of the operational amplifier OP2. The output terminal of the humidity sensor 5 is connected to the negative input terminal of the operational amplifier OP2. Further, the reference voltage from the voltage dividing point of the voltage dividing circuit 15a of the bias voltage generating circuit 15, that is, the reference voltage point (the connection point between the resistor 15 and the resistor R16) is applied to the + input terminal (non-inverting input terminal) of the operational amplifier OP2. Vref is input. Assuming that the voltage applied to the input terminal of the humidity sensor 5 is the negative peak voltage −V0 of the pulse voltage of the oscillation circuit 1, the peak value I of the current having a rectangular waveform going to the oscillation circuit 1 through the humidity sensor 5 is I = V0 / R. .
[0029]
The rectangular-wave alternating current output from the humidity sensor 5 is converted into a logarithmically compressed alternating voltage by passing through the two diodes D1a and D1b. This logarithmically compressed voltage appears at the output terminal of the operational amplifier OP2 with reference to the reference voltage Vref. The peak value Vout of the output voltage is obtained by adding the reference voltage Vref to the positive peak value of the voltage obtained by logarithmically converting the current flowing through the sensor 5. The peak value Vout of the output voltage appears at the output terminal of the operational amplifier OP2 of the logarithmic compression circuit 7. As a result of logarithmically compressing the currents flowing through the diodes D1a and D1b, the logarithmic compression circuit 7 outputs a voltage signal having a waveform such that the top and bottom are crushed as shown in FIG. Now, assuming that the reference voltage Vref does not change due to a change in relative humidity, the dependence of logR on the relative humidity H has a convex relationship as shown in FIG. 5, and therefore the peak value of the output voltage of the logarithmic compression circuit 7 The relative humidity dependence of Vout has an upward convex relationship, not a linear relationship. It is the compensation circuit 13 and the bias voltage generation circuit 15 to be described later that a convex relationship is introduced well into the relative humidity dependence of the reference voltage Vref to obtain a linear relationship between the peak value Vout of the output voltage and the relative humidity H. Is the purpose.
[0030]
The peak voltage holding circuit 9 includes an operational amplifier OP3, a diode D3, and a capacitor C4. The output signal of the logarithmic compression circuit 7 is input to the + input terminal of the operational amplifier OP3. The output terminal of the operational amplifier OP3 is connected to the anode of the diode D3. The cathode of the diode D3 is connected to the negative input terminal of the operational amplifier OP3, and is grounded through the capacitor C4. The peak voltage holding circuit 9 outputs only the positive voltage signal Vout from the voltage signal [see FIG. 2B] output from the logarithmic compression circuit 7 through the diode D3, and charges the capacitor C4 with the output. . The terminal on the non-ground side of the capacitor C4 becomes the output terminal of the peak voltage holding circuit 9.
[0031]
The temperature compensation circuit 10 is configured to connect the non-ground side terminal of the capacitor C4 to the ground via resistors R12 and R13 and diodes D2a and D2b. The polarity of the diodes D2a and D2b is such that when the charging voltage of the capacitor C4 increases, the current passes through these components and discharges, and the voltage at the connection point of R13 and R12, which are the output terminals of the temperature compensation circuit 10, is always the charging voltage ( The peak value of the positive polarity voltage signal of the logarithmic compression circuit 7 is a value obtained by temperature compensation. Details of the temperature compensation circuit 10 are described in Japanese Patent Laid-Open No. 10-31000.
[0032]
The amplifier circuit 11 includes an operational amplifier OP4 and resistors R10, R11, R20, and R21. The resistors R20 and R21 connected in series divide the reference power supply voltage at a predetermined voltage dividing ratio to determine the voltage at the connection point. This voltage is referred to as a second reference voltage Vref2. The second reference voltage Vref2 is connected to the negative input terminal of the operational amplifier OP4 through the resistor R10. The output terminal of the operational amplifier OP4 is connected to the negative input terminal via the resistor R11, and this forms a negative feedback amplifier. The output of the peak voltage holding circuit 7 is input as a temperature compensated signal to the + input terminal of the operational amplifier OP4 via the resistor R13. The amplifier circuit 11 constitutes a positive value amplifier. The peak voltage Vout of the output of the logarithmic compression circuit 7 is held by the peak voltage holding circuit 9 and further input to the amplifier circuit 11 as a temperature compensated signal, which is amplified by the operational amplifier OP4 of the amplifier circuit 11 and output voltage Output as Vop4. The output voltage Vop4 of the amplifier circuit 11 is an increasing function of the peak voltage Vout of the output voltage of the logarithmic compression circuit 7.
[0033]
The impedance conversion circuit 17 is composed of an operational amplifier OP5. The operational amplifier OP5 is a positive negative feedback amplifier in which the output voltage of the amplifier circuit 11 is input to the + input terminal, and the output terminal of the operational amplifier OP5 is connected to the − input terminal. The impedance conversion circuit 17 functions to perform impedance conversion so that the output voltage of the sensor unit does not fluctuate even when an external device having a low input impedance is connected.
[0034]
In order for the output voltage Vop4 of the amplifier circuit 11 to be linear as a function of relative humidity in the low humidity region, when the output voltage Vop4 falls below a linear relationship value with respect to the relative humidity, the potential Vref at the reference voltage point is Increase it. Then, the peak value Vout of the output voltage of the logarithmic compression circuit 7 increases, and as a result, the output voltage Vop4 of the amplifier circuit 11 increases, and the linearity as a relation of the relative humidity H of the output voltage Vop4 is restored.
[0035]
The compensation circuit 13 and the bias voltage generation circuit 15 function to increase the potential Vref at the reference voltage point when the output voltage Vop4 of the amplifier circuit 11 is lower than the linearity as a function of the relative humidity in the low humidity region. The compensation circuit 13 includes a conduction signal generation circuit 13a and a potential adjustment circuit 13b. The conduction signal generation circuit 13a includes resistors R18 and R19, and the potential adjustment circuit 13b includes a pnp transistor Tr1 and a resistor R17. These are closely connected and will be described together. The emitter of the pnp transistor Tr1 is directly connected to the reference power supply voltage Vcc, and the emitter potential is fixed at Vcc. The base of the pnp transistor Tr1 is connected to the reference power supply voltage Vcc via the resistor R18, and is biased to a voltage lower than the reference power supply voltage. Furthermore, the base of the pnp transistor Tr1 is connected to the output terminal of the operational amplifier OP4 of the amplifier circuit 11 through the resistor R19. The collector of the pnp transistor Tr1 is connected to the potential Vref at the reference voltage point of the voltage dividing circuit 15c via the resistor R17. First, the case where the pnp transistor Tr1 is in the active region will be described. However, the present invention includes not only when the pnp transistor Tr1 is in the active region but also when it is in the saturation region described later. When the pnp transistor Tr1 is in the active region, the emitter-base potential difference VEB of the pnp transistor Tr1 is the emitter potential Vcc, the output potential Vop4 of the operational amplifier OP4 of the amplifier circuit 11, and the peak voltage Vout of the logarithmic compression circuit 7. It can be written as
[0036]
VEB = (Vcc-Vop4) / (1 + R19 / R18)
= Decreasing function of Vout (2)
Using this, the injection current IE from the emitter to the base of the pnp transistor Tr1 is
IE = I0 [exp (b · VEB) −1] (3)
Can be written. Here, b is a constant inversely proportional to the absolute temperature, and becomes 38.9 / V at 27 degrees Celsius. When VEB at which IE in the expression (3) reaches the on-current Ion of the pnp transistor Tr1 is Von, this voltage is about 0.3 to 0.7. Assuming that the peak value Vout of the output voltage of the logarithmic compression circuit 7 at this time is the threshold voltage Vth of Vouto for operating the compensation circuit, the peak value Vout of the output voltage of the logarithmic compression circuit is below this predetermined voltage Vth. The compensation circuit begins to operate. At this time, the output voltage Vop4 of the operational amplifier OP4 of the amplifier circuit 11 is set as a predetermined voltage at which the compensation circuit starts to operate. If the output voltage Vop4 of the amplifier circuit 11 at this time is set to the output voltage when the relative humidity H = 50%, for example, the pnp transistor Tr1 is turned on when the relative humidity H is 50% or less and the compensation circuit 13 is turned on. Can be set to work.
[0037]
The bias voltage generating circuit 15 includes a voltage dividing circuit 15a and a series circuit 15b. The voltage dividing circuit 15a has a configuration in which two voltage dividing resistors R15 and R16 are connected in series, and a connection point (reference voltage point) of the reference power supply voltage Vcc at a ratio determined in advance by the resistors R15 and R16. A divided reference voltage Vref is generated. The collector current Ic of the pnp transistor Tr1 increases the reference voltage Vref of the bias voltage generation circuit 15. This is because the collector current Ic of the pnp transistor Tr1 is discharged to the ground level through the resistor R16, and therefore the potential at the reference voltage point is pushed up by the IR drop. The collector current Ic of the pnp transistor is equal to the emitter current IE of the equation (3). Therefore, the reference voltage Vref generated by the voltage dividing circuit 15a increases relatively rapidly as the output voltage Vop4 of the amplifier circuit 11 gradually decreases. Therefore, if the output voltage Vop4 of the humidity sensor decreases more rapidly than the linear relationship, the reference voltage Vref increases, and as a result, the peak value Vout of the logarithmic compression circuit increases, and the output voltage Vop4 of the amplifier circuit 11 increases. To do. Thus, a decrease in the output voltage Vop4 of the amplifier circuit 11 can be compensated.
[0038]
Next, a case where the pnp transistor Tr1 is in the saturation region will be described. This corresponds to a case where the output voltage Vop4 of the amplifier circuit 11 is significantly lowered. In the saturation region of the pnp transistor Tr1, the collector potential of the pnp transistor Tr1 is drawn toward the emitter potential Vcc. Also in this case, the pnp transistor Tr1 functions to rapidly increase the reference voltage Vref generated by the voltage dividing circuit 13b due to a decrease in the output voltage Vop4 of the amplifier circuit 11.
[0039]
The series circuit 15b includes a bias resistor R7 having one end connected to the input terminal of the humidity sensor 5 and a capacitor C3 connected in series to the other end of the bias resistor R7. The connection point of the two voltage dividing resistors R15 and R16 of the voltage dividing circuit 15a is connected to the connection point of the resistor R7 and the capacitor C3 of the series circuit 15b, and the potential of the common contact (reference voltage point) of the connection point is the reference. The voltage Vref is the output of the bias voltage generation circuit 15. The reference voltage Vref is increased by the collector current of the voltage adjustment pnp transistor Tr1 of the potential adjustment circuit 13b of the compensation circuit 13.
[0040]
The reference voltage Vref is input to the non-inverting input terminal of the operational amplifier OP2 of the logarithmic compression circuit 7, and the rectangular wave alternating current from the humidity sensor 5 is input to the inverting input terminal. The peak value Vout of the output voltage of the logarithmic compression circuit 7 becomes a peak value of a voltage obtained by adding the reference voltage Vref to the rectangular AC voltage obtained by logarithmically converting this current with the diodes D1a and D1b. When the output voltage Vop4 of the amplifier circuit 11 falls below a predetermined voltage, the collector current of the voltage adjusting pnp transistor Tr1 increases, and as a result, the reference voltage Vref of the voltage dividing circuit increases. Then, the peak output voltage Vout of the logarithmic compression circuit 7 increases, and as a result, the output voltage of the temperature compensation circuit 10 increases, and the output voltage Vop4 of the amplifier circuit 11 further increases. Thus, the output of the output voltage Vop4 of the amplifier circuit 11 is compensated so as to maintain a linear relationship as a function of the relative humidity H.
[0041]
FIG. 4 is actual measurement data showing the relationship between the relative humidity H obtained from the embodiment of FIG. 3 and the output voltage Vop4 of the amplifier circuit 11. The measurement temperature is 25 degrees Celsius. A black dot is a characteristic indicating the relationship between the output voltage and the relative humidity when the compensation circuit 13 is not operated. Overall, the characteristics are close to a straight line, but upwardly convex. When the relative humidity is 40% or less, it decreases more rapidly than the linear characteristic as the relative humidity decreases.
[0042]
Characteristics indicated by white circles are characteristics when the compensation circuit 13 is operated. As can be seen from this data, according to this embodiment, the relationship between the output voltage and the relative humidity shows a linear characteristic in the entire range of 10% to 90% relative humidity, and the linearity is maintained up to the low humidity region. Yes. Furthermore, in this example, the dynamic range (region where the relationship between voltage and humidity is linear), that is, the width of the output voltage is wider than the dynamic range obtained by the unit when the compensation circuit is not operated.
[0043]
【The invention's effect】
According to the present invention, a humidity sensor unit can be provided at a lower cost than before by using logarithmic compression utilizing the characteristics of a diode. Also, when the output voltage falls below the linear characteristic due to the characteristics of the output voltage and relative humidity, if the voltage falls below a predetermined voltage, the feedback circuit of the transistor starts to operate and compensates so that the relationship between the output voltage and relative humidity becomes a straight line Is advantageous in that a humidity sensor having a wide dynamic range can be provided at low cost with a simple circuit configuration.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an example of an embodiment of a humidity sensor unit of the present invention.
2A to 2D are diagrams illustrating output waveforms of respective units in FIG.
FIG. 3 shows a circuit diagram of an example of the embodiment of FIG. 1;
4 is measured data showing the relationship between the relative humidity and the smoothed output voltage obtained from the embodiment of FIG.
FIG. 5 shows the relationship between the relative humidity and the impedance value of a humidity sensor having a temperature characteristic in which the impedance changes logarithmically with changes in humidity and the impedance changes under the influence of ambient temperature changes. .
[Explanation of symbols]
1 Oscillator circuit
3 capacitors
5 Humidity sensor
7 Logarithmic compression circuit
9 Peak voltage holding circuit
10 Temperature compensation circuit
11 Amplifier circuit
13 Compensation Circuit, 13a Conduction Signal Generation Circuit, 13b Potential Adjustment Circuit
15 Bias voltage generating circuit, 15a voltage dividing circuit, 15b series circuit

Claims

A humidity sensor having a characteristic that impedance decreases logarithmically when humidity increases, and impedance increases logarithmically when humidity decreases;
An oscillation circuit that outputs an AC signal having a predetermined frequency to be passed to the humidity sensor to an input terminal of the humidity sensor;
A bias voltage generating circuit for generating a predetermined DC bias voltage to be applied to each of the input terminal and the output terminal of the humidity sensor;
A logarithmic compression circuit that converts an output signal output from the output terminal of the humidity sensor into an AC voltage logarithmically compressed;
A peak voltage holding circuit that holds the peak voltage of the output voltage of the logarithmic compression circuit; and an amplifier circuit that amplifies the output voltage of the peak voltage holding circuit,
The humidity sensor has an output characteristic such that the output of the amplifier circuit in a low humidity region decreases nonlinearly,
Comprising a compensation circuit for compensating the output characteristics of the humidity sensor in the low humidity region;
The compensation circuit outputs the bias voltage output from the bias voltage generation circuit so that the decrease in the output of the amplifier circuit approaches a linear decrease when the output of the amplifier circuit becomes equal to or lower than a predetermined voltage. A humidity sensor unit characterized in that it has a configuration that changes in accordance with a change in output.

The bias voltage generation circuit is configured to change the bias voltage applied to the input terminal and the output terminal of the humidity sensor in proportion to a change in potential at a reference voltage point.
The compensation circuit includes:
A conduction signal generating circuit that outputs a conduction signal that varies in proportion to a decrease in the output voltage at which the output voltage of the amplifier circuit is equal to or lower than the predetermined voltage;
A semiconductor element that conducts when the conduction signal is input and whose impedance changes according to the change of the conduction signal, and the reference voltage of the bias voltage generation circuit is inversely proportional to the change of the output voltage of the amplifier circuit; The humidity sensor unit according to claim 1, further comprising a potential adjustment circuit that changes the potential of the point.

The bias voltage generation circuit includes:
A series circuit including a bias resistor having one end connected to the input terminal of the humidity sensor and a capacitor connected in series to the other end of the bias resistor;
An operational amplifier in which the output of the humidity sensor is input to an inverting input terminal and the voltage of the reference voltage point is input to a non-inverting input terminal;
A first voltage dividing resistor and a second voltage dividing resistor connected in series, and a voltage dividing circuit for dividing a reference power supply voltage by a predetermined resistance ratio;
The other end of the bias resistor and the voltage dividing point of the voltage dividing circuit are electrically connected;
A voltage between one end of the bias resistor and the non-inverting input terminal of the operational amplifier becomes the bias voltage, and the voltage dividing point of the voltage dividing circuit constitutes the reference voltage point. The humidity sensor unit according to claim 2.

The semiconductor element is composed of a pnp transistor, a collector of the pnp transistor is connected to a voltage dividing point of the voltage dividing circuit via a first resistor, and a base of the pnp transistor is connected via a second resistor. Connected to the emitter of the pnp transistor and to the output terminal of the amplifier circuit via a third resistor;
When the resistance values of the second and third resistors are equal to or lower than the predetermined voltage, the transistor starts to conduct, and when the output voltage further decreases, the transistor conduction angle. The conduction signal generating circuit is constituted by the second and third resistors,
The resistance value of the first resistor is determined so as to change the bias voltage by changing a voltage at a voltage dividing point of the voltage dividing circuit according to a change in the conduction angle of the transistor. The humidity sensor unit according to claim 2 or 3, wherein the potential adjustment circuit is configured by a first resistor and the pnp transistor.

The bias voltage generation circuit includes:
A series circuit including a bias resistor having one end connected to the input terminal of the humidity sensor and a capacitor connected in series to the other end of the bias resistor;
An operational amplifier in which the output of the humidity sensor is input to an inverting input terminal and input to a non-inverting input terminal;
A first voltage dividing resistor and a second voltage dividing resistor connected in series, and a voltage dividing circuit configured to divide a reference power supply voltage by a predetermined resistance ratio;
The other end of the bias resistor and the voltage dividing point of the voltage dividing circuit are electrically connected;
A voltage between the bias resistor and the non-inverting input terminal of the operational amplifier is configured to be the bias voltage;
The logarithmic compression circuit includes a pair of diodes connected in antiparallel between the non-inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier,
In the compensation circuit, an emitter is connected to the reference power supply voltage, a collector is connected to the voltage dividing point of the voltage dividing circuit via a first resistor, and a base is connected to the emitter via a second resistor. And a pnp transistor connected to the output terminal of the amplifier circuit via a third resistor,
The resistance values of the second and third resistors start the conduction of the transistor when the output voltage of the output of the amplifier circuit is equal to or lower than the predetermined voltage, and when the output voltage further decreases, the transistor Is determined to increase the conduction angle of
The resistance value of the first resistor is determined so as to change the bias voltage by changing a voltage at a voltage dividing point of the voltage dividing circuit according to a change in the conduction angle of the transistor. Item 2. The humidity sensor unit according to Item 1.