濕度傳感器工作原理及應用

濕度傳感器工作原理及應用

人類的生存和社會活動與濕度密切相關(guān)。隨著現(xiàn)代化的實現(xiàn)，很難找出一個與濕度無關(guān)的領(lǐng)域來。由于應用領(lǐng)域不同，對濕度傳感器的技術(shù)要求也不同。從制造角度看，同是濕度傳感器，材料、結(jié)構(gòu)不同，工藝不同．其性能和技術(shù)指標有很大差異，因而價格也相差甚遠。對使用者來說，選擇濕度傳感器時，首先要搞清楚需要什么樣的傳感器；自己的財力允許選購什么檔次的產(chǎn)品，權(quán)衡好“需要與可能”的關(guān)系，不致于盲目行事。我們從與用戶的來往中，覺得有以下幾個問題值得注意。
1．選擇測量范圍
?????? 和測量重量、溫度一樣，選擇濕度傳感器首先要確定測量范圍。除了氣象、科研部門外，搞溫、濕度測控的一般不需要全濕程(0-100％RH)測量。在當今的信息時代，傳感器技術(shù)與計算機技術(shù)、自動控制拄術(shù)緊密結(jié)合著。測量的目的在于控制，測量范圍與控制范圍合稱使用范圍。當然，對不需要搞測控系統(tǒng)的應用者來說，直接選擇通用型濕度儀就可以了。下面列舉一些應用領(lǐng)域?qū)穸葌鞲衅魇褂脺囟取穸鹊牟煌?，供使用者參?見表1)。用戶根據(jù)需要向傳感器生產(chǎn)廠提出測量范圍，生產(chǎn)廠優(yōu)先保證用戶在使用范圍內(nèi)傳感器的性能穩(wěn)定一致，求得合理的性能價格比，對雙方來講是一件相得益彰的事情。
2、選擇測量精度
??????? 和測量范圍一樣，測量精度同是傳感器最重要的指標。每提高—個百分點．對傳感器來說就是上一個臺階，甚至是上一個檔次。因為要達到不同的精度，其制造成本相差很大，售價也相差甚遠。例如進口的1只廉價的濕度傳感器只有幾美元，而1只供標定用的全濕程濕度傳感器要幾百美元，相差近百倍。所以使用者一定要量體裁衣，不宜盲目追求“高、精、尖”。
??????? 生產(chǎn)廠商往往是分段給出其濕度傳感器的精度的。如中、低溫段(0一80％RH)為±2％RH，而高濕段(80—100％RH)為±4％RH。而且此精度是在某一指定溫度下(如25℃)的值。如在不同溫度下使用濕度傳感器．其示值還要考慮溫度漂移的影響。眾所周知，相對濕度是溫度的函數(shù)，溫度嚴重地影響著指定空間內(nèi)的相對濕度。溫度每變化0.1℃。將產(chǎn)生0.5％RH的濕度變化(誤差)。使用場合如果難以做到恒溫，則提出過高的測濕精度是不合適的。因為濕度隨著溫度的變化也漂忽不定的話，奢談測濕精度將失去實際意義。所以控濕首先要控好溫，這就是大量應用的往往是溫濕度—體化傳感器而不單純是濕度傳感器的緣故。
?????? 多數(shù)情況下，如果沒有精確的控溫手段，或者被測空間是非密封的，±5％RH的精度就足夠了。對于要求精確控制恒溫、恒濕的局部空間，或者需要隨時跟蹤記錄濕度變化的場合，再選用±3％RH???
以上精度的濕度傳感器。與此相對應的溫度傳感器．其測溫精度須足±0.3℃以上，起碼是±0.5℃的。而精度高于±2％RH的要求恐怕連校準傳感器的標準濕度發(fā)生器也難以做到，更何況傳感器自身了。國家標準物質(zhì)研究中心濕度室的文章認為：“相對濕度測量儀表，即使在20—25℃下，要達到2％RH的準確度仍是很困難的?！?
3、考慮時漂和溫漂
?????? 幾乎所有的傳感器都存在時漂和溫漂。由于濕度傳感器必須和大氣中的水汽相接觸，所以不能密封。這就決定了它的穩(wěn)定性和壽命是有限的。一般情況下，生產(chǎn)廠商會標明1次標定的有效使用時間為1年或2年，到期負責重新標定。請使用者在選擇傳感器時考慮好日后重新標定的渠道，不要貪圖便宜或迷信洋貨而忽略了售后服務問屬。
?????? 溫漂在上1節(jié)已經(jīng)提到。選擇濕度傳感器要考慮應用場合的溫度變化范圍，看所選傳感器在指定溫度下能否正常工作，溫漂是否超出設(shè)計指標。要提醒使用者注意的是：電容式濕度傳感器的溫度系數(shù)α是個變量，它隨使用溫度、濕度范圍而異。這是因為水和高分子聚合物的介電系數(shù)隨溫度的改變是不同步的，而溫度系數(shù)α又主要取決于水和感濕材料的介電系數(shù)，所以電容式濕敏元件的溫度系數(shù)并非常數(shù)。電容式濕度傳感器在常溫、中濕段的溫度系數(shù)最小，5-25℃時，中低濕段的溫漂可忽略不計。但在高溫高濕區(qū)或負溫高濕區(qū)使用時，就一定要考慮溫漂的影響，進行必要的補償或訂正。
領(lǐng)域 部門 溫度(℃) 溫度(%RH)??
紡織 紡紗廠 23 60??
織布廠 18 85??
醫(yī)藥 制藥廠 10～ 30 50～60??
手術(shù)室 23～ 26 50～60??
輕工 印刷廠 23～ 27 49～51??
卷煙廠 21～ 24 55～65??
火柴廠 18～22 50??
電子 半導體 22 30～45??
計算機房 20～30 40～70??
通 訊 電纜充氣 -10～30 0～20??
食 品 啤酒發(fā)酵 4～8 50～70??
農(nóng)業(yè) 良種培育 15～40 40～75??
人工大棚 5～40 40～100??
倉儲 水果冷凍 -3～5 80～90??
地下菜窖 -3～ -1 70～ 80??
文物保管 16～18 50～55??
注：在不同領(lǐng)域的使用范圍(%RH/℃)???
4．與傳統(tǒng)測濕方法的關(guān)系
?????? 早在18世紀人類就發(fā)明了干濕球和毛發(fā)濕度計，而電子式濕度傳感器是近幾十年．特別是近20年才迅速發(fā)展起來的。新舊事物的交替與人們的觀念轉(zhuǎn)變很有關(guān)系。由于干濕球、毛發(fā)濕度計的價格仍明顯低于濕度傳感器，造成一部分人對電子濕度傳感器價格的不認可。正好像用慣了掃帚的人改用吸塵器時，總覺得花幾百元錢買一臺吸塵器有些不上算，不如花幾元錢買把掃帚那樣心理容易平衡。
?????? 由于傳統(tǒng)測濕方法在人們的腦海中印象太深了，一些人形成了只有干濕球濕度計才是準確的固有概念。有些用戶拿干濕球濕度計來對比剛購得的濕度傳感器，如發(fā)現(xiàn)示值不同，馬上認為濕度傳感器不準。須知干濕球的準確度只有5％一7％RH，不但低于電子濕度傳感器，而且還取決于干球、濕球兩支溫度計本身的精度；濕度計必須處于通風狀態(tài)：只有紗布水套、水質(zhì)、風速都滿足一定要求時，才能達到規(guī)定的準確度。濕度傳感器生產(chǎn)廠在產(chǎn)品出廠前都要采用標準濕度發(fā)生器來逐支標定，最常用分流式標準濕度發(fā)生器來進行標定。所以希望用戶在需要校準時也采用相同的方法，避免用準確度低的器具去校準或比對精度高的傳感器。
5、其它注意事項
?????? 濕度傳感器是非密封性的，為保護測量的準確度和穩(wěn)定性，應盡量避免在酸性、堿性及含有機溶劑的氣氛中使用。也避免在粉塵較大的環(huán)境中使用。為正確反映欲測空間的濕度，還應避免將傳感器安放在離墻壁太近或空氣不流通的死角處。如果被測的房間太大，就應放置多個傳感器。
?????? 有的濕度傳感器對供電電源要求比較高，否則將影響測量精度．或者傳感器之間相互干擾，甚至無法工作。使用時應技要求提供合適的、符合精度要求的供電電源。
?????? 傳感器需要進行遠距離信號傳輸時，要注意信號的衰減問題。當傳輸距離超過200m以上時，建議選用頻率輸出信號的濕度傳感器。
?????? 由于濕敏元件都存在一定的分散性，無論進口或國產(chǎn)的傳感器都需逐支調(diào)試標定。大多數(shù)在更換濕敏元件后需要重新調(diào)試標定，對于測量精度比較高的濕度傳感器尤其重要。??

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濕度傳感器的發(fā)展趨勢

介紹濕敏元件的特性，重點闡述集成濕度傳感器、單片智能化濕度/溫度傳感器的性能特點及產(chǎn)品分類，最后給出集成濕度傳感器典型產(chǎn)品的技術(shù)指標。

　　在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研、航天等部門，經(jīng)常需要對環(huán)境濕度進行測量及控制。但在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中，濕度是最難準確測量的一個參數(shù)。用干濕球濕度計或毛發(fā)濕度計來測量濕度的方法，早已無法滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需要。這是因為測量濕度要比測量溫度復雜的多，溫度是個獨立的被測量，而濕度卻受其他因素（大氣壓強、溫度）的影響。此外，濕度的標準也是一個難題。國外生產(chǎn)的濕度標定設(shè)備價格十分昂貴。

　　近年來，國內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長足進步。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代濕度/溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測量技術(shù)提高到新的水平。

1 濕敏元件的特性

　　濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要電阻式、電容式兩大類。

1.1 濕敏電阻

　　濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測量濕度。濕敏電阻的種類很多，例如金屬氧化特濕敏電阻、硅濕敏電阻、陶瓷濕敏電阻等。濕敏電阻的優(yōu)點是靈敏度高，主要缺點是線性度和產(chǎn)品的互換性差。

1.2 濕敏電容

　　濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酷酸醋酸纖維等。當環(huán)境濕度發(fā)生改變時，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。濕敏電容的主要優(yōu)點是靈敏度高、產(chǎn)品互換性好、響應速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實現(xiàn)小型化和集成化，其精度一般比濕敏電阻要低一些。國外生產(chǎn)濕敏電容的主廠家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。以Humirel公司生產(chǎn)的SH1100型濕敏電容為例，其測量范圍是（1%～99%）RH，在55%RH時的電容量為180pF（典型值）。當相對濕度從0變化到100%時，電容量的變化范圍是163pF～202pF。溫度系數(shù)為0.04pF/℃，濕度滯后量為±1.5%，響應時間為5s。

　　除電阻式、電容式濕敏元件之外，還有電解質(zhì)離子型濕敏元件、重量型濕敏元件（利用感濕膜重量的變化來改變振蕩頻率）、光強型濕敏元件、聲表面波濕敏元件等。濕敏元件的線性度及抗污染性差，在檢測環(huán)境濕度時，濕敏元件要長期暴露在待測環(huán)境中，很容易被污染而影響其測量精度及長期穩(wěn)定性。

2 集成濕度傳感器的性能特點及產(chǎn)品分類

　　目前，國外生產(chǎn)集成濕度傳感器的主要廠家及典型產(chǎn)品分別為Honeywell公司（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型），Humirel公司（HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型），Sensiron公司（SHT11、SHT15型）。這些產(chǎn)品可分成以下三種類型：

2.1 線性電壓輸出式集成濕度傳感器

　　典型產(chǎn)品有HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特點是采用恒壓供電，內(nèi)置放大電路，能輸出與相對濕度呈比例關(guān)系的伏特級電壓信號，響應速度快，重復性好，抗污染能力強。

2.2 線性頻率輸出集成濕度傳感器

　　典型產(chǎn)品為HF3223型。它采用模塊式結(jié)構(gòu)，屬于頻率輸出式集成濕度傳感器，在55%RH時的輸出頻率為8750Hz（型值），當上對濕度從10%變化到95%時，輸出頻率就從9560Hz減小到8030Hz。這種傳感器具有線性度好、抗干擾能力強、便于配數(shù)字電路或單片機、價格低等優(yōu)點。

2.3 頻率/溫度輸出式集成濕度傳感器

　　典型產(chǎn)品為HTF3223型。它除具有HF3223的功能以外，還增加了溫度信號輸出端，利用負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻作為溫度傳感器。當環(huán)境溫度變化時，其電阻值也相應改變并且從NTC端引出，配上二次儀表即可測量出溫度值。

3 單片智能化溫度/溫度傳感器

　　2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT11、SHT15型智能化溫度/溫度傳感器，其外形尺寸僅為7.6（mm）×5(mm)×2.5（mm），體積與火柴頭相近。出廠前，每只傳感器都在溫度室中做過精密標準，標準系數(shù)被編成相應的程序存入校準存儲器中，在測量過程中可對相對濕度進行自動校準。它們不僅能準確測量相對溫度，還能測量溫度和露點。測量相對溫度的范圍是0～100%，分辨力達0.03%RH，最高精度為±2%RH。測量溫度的范圍是-40℃～+123.8℃，分辨力為0.01℃。測量露點的精度<±1℃。在測量濕度、溫度時A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)分別可達12位、14位。利用降低分辨力的方法可以提高測量速率，減小芯片的功耗。SHT11/15的產(chǎn)品互換性好，響應速度快，抗干擾能力強，不需要外部元件，適配各種單片機，可廣泛用于醫(yī)療設(shè)備及溫度/濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。

　　芯片內(nèi)部包含相對濕度傳感器、溫度傳感器、放大器、14位A/D轉(zhuǎn)換器、校準存儲器（E2PROM）、易失存儲器（RAM）是、狀態(tài)寄存器、循環(huán)冗余校驗碼（CRC）寄存器、二線串行接口、控制單元、加熱器及低電壓檢測電路。其測量原理是首先利用兩只傳感器分別產(chǎn)生相對濕度、溫度的信號，然后經(jīng)過放大，分別送至A/D轉(zhuǎn)換器進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換、校準和糾錯，最后通過二線串行接口將相對濕度及溫度的數(shù)據(jù)送至μC。鑒于SHT11/15輸出的相對濕度讀數(shù)值與被測相對濕度呈非線性關(guān)系，為獲得相對濕度的準確數(shù)據(jù)，必須利用μC對讀數(shù)值進行非線性補償。此外當環(huán)境溫度TA≠+25℃時，還需要對相對濕度傳感器進行溫度補償。

　　芯片內(nèi)部有一個加熱器。將狀態(tài)寄存器的第2位置“1”時該加熱器接通電源，可使傳感器的溫度大約升高5℃，電源電流亦增加8mA(采用+5V電源)。使用加熱器可實現(xiàn)以下三種功能：①通過比較加熱前后測出的相對濕度值及溫度值，可確定傳感器是否正常工作；②在潮濕環(huán)境下使用加熱器，可避免傳感器凝露；③測量露點時也需要使用加熱器。

　　露點也是濕度測量中的一個重要參數(shù)，它表示在水汽冷卻過程中最初發(fā)生結(jié)露的溫度。為了計算露點，Sensirion公司還向用戶提供一個測量露點的程序“SHT xdp.bsx”。利用該程序可以控制內(nèi)部加熱器的通、斷，再根據(jù)所測得的溫度值及相對濕度值計算出露點。在命令響應界面上運行此程序時，計算機屏幕上就顯示提示符“>”。用戶首先從鍵盤上輸入字母“S”，然后輸入相應的數(shù)字，即可獲得下述結(jié)果：

輸入數(shù)字“1”時，測量并顯示出攝氏溫度dgC=xx.x；

輸入數(shù)字“2”時，測量并顯示出相對濕度%RH=xx.x；

輸入數(shù)字“3”時，打開加熱器，使傳感器溫度升高5℃；

輸入數(shù)字“4”時，關(guān)閉加熱器，使傳感器降溫；

輸入數(shù)字“5”時，顯示露點溫度dpC=xx.x。

4 集成濕度傳感器典型產(chǎn)品的技術(shù)指標

　　集成濕度傳感器的測量范圍一般可達到0～100%。但有的廠家為保證精度指標而將測量范圍限制為10%～95%。設(shè)計+3.3V低壓供電的濕度/溫度測試系統(tǒng)時，可選用SHT11、SHT15傳感器。這種傳感器在測量階段的工作電流為550μA，平均工作電流為28μA（12位）或2μA（8位）。上電時默認為休眠模式（Sleep Mode），電源電流僅為0.3μA（典型值）。測量完畢只要沒有新的命令，就自動返回休眠模式，能使芯片功耗降至最低。此外，它們還具有低電壓檢測功能。當電源電壓低于+2.45V±0.1V時，狀態(tài)寄存器的第6位立即更新，使芯片不工作，從而起到了保護作用。???