濕度傳感器有哪些測量方法？產(chǎn)生測量誤差的因素有哪些？

自從進(jìn)入21世紀(jì)以來，傳感器技術(shù)發(fā)生了革命性的變化。嵌入式技術(shù)的應(yīng)用則大大改進(jìn)了信號的處理技術(shù)，提高了測試精度；而總線技術(shù)則有效地解決了多點數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)距離通信等在模擬技術(shù)時期困擾人們的問題；網(wǎng)絡(luò)化更為測控技術(shù)提供施展身手的廣闊空間。濕度測量在十年前還是局限于氣象、科研等少數(shù)領(lǐng)域里討論的技術(shù)，現(xiàn)代電子技術(shù)同樣使濕度傳感器成為科技刊物上常見的術(shù)語。

1.濕度測量方法的比較—相對濕度/溫度傳感器

濕度測量技術(shù)來由已久。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，近代測量技術(shù)也有了飛速的發(fā)展。濕度測量從原理上劃分二、三十種之多。對濕度的表示方法有絕對濕度、相對濕度、露點、濕氣與干氣的比值（重量或體積）等等。但濕度測量始終是世界計量領(lǐng)域中著名的難題之一。一個看似簡單的量值，深究起來，涉及相當(dāng)復(fù)雜的物理—化學(xué)理論分析和計算，初涉者可能會忽略在濕度測量中必需注意的許多因素，因而影響傳感器的合理使用。

常見的濕度測量方法有：動態(tài)法（雙壓法、雙溫法、分流法），靜態(tài)法（飽和鹽法、硫酸法），露點法，干濕球法和形形色色的電子式傳感器法。這里雙壓法、雙溫法是基于熱力學(xué)P、V、T平衡原理，平衡時間較長，分流法是基于絕對濕氣和絕對干空氣的精確混合。由于采用了現(xiàn)代測控手段，這些設(shè)備可以做得相當(dāng)精密，卻因設(shè)備復(fù)雜，昂貴，運作費時費工，主要作為標(biāo)準(zhǔn)計量之用，其測量精度可達(dá)±2%RH以上。靜態(tài)法中的飽和鹽法，是濕度測量中最常見的方法，簡單易行。但飽和鹽法對液、氣兩相的平衡要求很嚴(yán)，對環(huán)境溫度的穩(wěn)定要求較高。用起來要求等很長時間去平衡，低濕點要求更長。特別在室內(nèi)濕度和瓶內(nèi)濕度差值較大時，每次開啟都需要平衡6~8小時。露點法是測量濕空氣達(dá)到飽和時的溫度，是熱力學(xué)的直接結(jié)果，準(zhǔn)確度高，測量范圍寬。計量用的精密露點儀準(zhǔn)確度可達(dá)±0.2℃甚至更高。但用現(xiàn)代光—電原理的冷鏡式露點儀價格昂貴，常和標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器配套使用。干濕球法，這是18世紀(jì)就發(fā)明的測濕方法。歷史悠久，使用最普遍。干濕球法是一種間接方法，它用干濕球方程換算出濕度值，而此方程是有條件的：即在濕球附近的風(fēng)速必需達(dá)到2.5m/s以上。普通用的干濕球溫度計將此條件簡化了，所以其準(zhǔn)確度只有5~7%RH，明顯低于電子濕度傳感器。顯然干濕球也不屬于靜態(tài)法，不要簡單地認(rèn)為只要提高兩支溫度計的測量精度就等于提高了濕度計的測量精度。

本文想強(qiáng)調(diào)兩點：第一，由于濕度是溫度的函數(shù)，溫度的變化決定性地影響著濕度的測量結(jié)果。無論那種方法，精確地測量和控制溫度是第一位的。須知即使是一個隔熱良好的恒溫恒濕箱，其工作室內(nèi)的溫度也存在一定的梯度。所以此空間內(nèi)的濕度也難以完全均勻一致；第二，由于原理和方法差異較大，各種測量方法之間難以直接校準(zhǔn)和認(rèn)定，大多只能用間接辦法比對。所以在兩種測濕方法之間相互校對全濕程（相對濕度0~100%RH）的測量結(jié)果，或者要在所有溫度范圍內(nèi)校準(zhǔn)各點的測量結(jié)果，是十分困難的事。例如通風(fēng)干濕球濕度計要求有規(guī)定風(fēng)速的流動空氣，而飽和鹽法則要求嚴(yán)格密封，兩者無法比對。最好的辦法還是按國家對濕度計量器具檢定系統(tǒng)（標(biāo)準(zhǔn)）規(guī)定的傳遞方式和檢定規(guī)程去逐級認(rèn)定。

2.濕度傳感器測濕原理的差異

濕度傳感器可分為物性型和結(jié)構(gòu)型。物性型濕度傳感器又分為水分子親和型和非親和型兩類。絕大多數(shù)實用的濕度傳感器屬于前者。水分子親和型的感濕機(jī)理主要表現(xiàn)在感濕材料在吸濕后阻值和電容值發(fā)生規(guī)律性變化。具有此類物性的材料很多：有金屬氧化物、高分子、電解質(zhì)、碳—聚合物混合材料。而現(xiàn)有的電子敏感材料的均勻性、一致性尚未達(dá)到理想水平，元件制作工藝也參差不齊，所以感濕元件的物性存在分散性。感濕元件的物性與濕度值之間又是一種間接關(guān)系，須經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路將阻值或容值的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流量值。所以不同的原理、不同的材料、不同的結(jié)構(gòu)做出的傳感器反映的濕度值總是存在差異。

3.影響電子式濕度測量準(zhǔn)確度的因素

3.1濕度傳感器的誤差

a.敏感元件分散性造成：即元件阻值、容值對濕度響應(yīng)的離散性。

b.信號轉(zhuǎn)換產(chǎn)生誤差：即阻值、容值轉(zhuǎn)換為電壓、電流信號時產(chǎn)生。

c.溫漂、時漂造成：濕敏元件必需和被測氣體直接接觸，不能象其它電子器件那樣完全密封。故容易被空氣中的酸性、堿性成分及有機(jī)溶劑腐蝕、污染，所以濕敏元件難以做到長壽命，需要定期（例如一年）標(biāo)定。壽命較長，穩(wěn)定性好的傳感器標(biāo)定后可繼續(xù)使用，達(dá)十年以上。

3.2 二次儀表中，對信號的處理引入的誤差

a.對信號放大、補(bǔ)償以及修正后產(chǎn)生的失真：例如有的濕敏元件溫度系數(shù)是個變量，常溫下補(bǔ)償后，高溫時仍有誤差。

b.整機(jī)電路的零點漂移、溫度漂移產(chǎn)生的誤差。

3.3 傳感器、變送器在校準(zhǔn)，標(biāo)定時產(chǎn)生的誤差

a.標(biāo)定設(shè)備的干燥系統(tǒng)、飽和系統(tǒng)不理想;或者雙壓法、雙溫法設(shè)備的壓力、溫度測量控制不準(zhǔn);在分流法設(shè)備中因質(zhì)量流量計不準(zhǔn);在露點法中，因采樣氣時導(dǎo)管漏氣或?qū)Ч芴L而影響溫度都會產(chǎn)生較大的誤差。

b.平衡時間不夠或難以達(dá)到平衡產(chǎn)生的誤差。敏感元件周圍有發(fā)熱體（如功率較大的元器件）也會影響測量結(jié)果。

c.傳感器在工作室停留位置不同產(chǎn)生的誤差。

4.按“需要和可能”合理選擇相應(yīng)的濕度傳感器

濕度傳感器品種繁多，各有優(yōu)缺點。關(guān)于合理使用濕度傳感器的討論，用戶最好根據(jù)實際需要合理選擇傳感器，不要盲目追求高指標(biāo)。用現(xiàn)代電子技術(shù)提高一個傳感器及其二次儀表的分辨率并不是很難的事情，但提高一臺儀器儀表的準(zhǔn)確度則不是輕而易舉能辦到的。對濕度傳感器而言，提高一、兩個百分點，實際上是提高一個等級，可能意味著成本和造價的大幅度提高甚至翻番。一般工控條件下使用濕度傳感器，誤差確定在±5%RH以內(nèi)就足夠了。如果使用者對濕度測量的精度要求較特殊，譬如精度高、使用溫度變化較大，或者主要在低濕段或高濕段使用，就最好找權(quán)威的計量部門用二級以上的標(biāo)定設(shè)備予于檢測。否則采用精度低的測試手段只能得出置信度很低的結(jié)論。經(jīng)過測試，全面、準(zhǔn)確地了解濕度傳感器的技術(shù)性能是合理使用這種傳感器的必要前提。