濕度傳感器原理及應用

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(mén)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(shí)代，傳感器技術(shù)與計算機技術(shù)、自動(dòng)控制拄術(shù)緊密結合著(zhù)。測量的目的在于控制，測量范圍與控制范圍合稱(chēng)使用范圍。當然，對不需要搞測控系統的應用者來(lái)說(shuō)，直接選擇通用型濕度儀就可以了。下面列舉一些應用領(lǐng)域對濕度傳感器使用溫度、濕度的不同要求，供使用者參考（見(jiàn)表1）。用戶(hù)根據需要向傳感器生產(chǎn)廠(chǎng)提出測量范圍，生產(chǎn)廠(chǎng)優(yōu)先保證用戶(hù)在使用范圍內傳感器的性能穩定一致，求得合理的性能價(jià)格比，對雙方來(lái)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zui重要的指標。每提高—個(gè)百分點(diǎn)．對傳感器來(lái)說(shuō)就是上一個(gè)臺階，甚至是上一個(gè)檔次。因為要達到不同的精度，其制造成本相差很大，售價(jià)也相差甚遠。例如進(jìn)口的1只廉價(jià)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(chǎng)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。*，相對濕度是溫度的函數，溫度嚴重地影響著(zhù)空間內的相對濕度。溫度每變化0.1℃。將產(chǎn)生0.5％RH的濕度變化（誤差）。使用場(chǎng)合如果難以做到恒溫，則提出過(guò)高的測濕精度是不合適的。因為濕度隨著(zhù)溫度的變化也漂忽不定的話(huà)，奢談測濕精度將失去實(shí)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。
　　
　　多數情況下，如果沒(méi)有的控溫手段，或者被測空間是非密封的，±5％RH的精度就足夠了。對于要求控制恒溫、恒濕的局部空間，或者需要隨時(shí)跟蹤記錄濕度變化的場(chǎng)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?jì)x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(shí)漂和溫漂
　　
　　幾乎所有的傳感器都存在時(shí)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。這就決定了它的穩定性和壽命是有限的。一般情況下，生產(chǎn)廠(chǎng)商會(huì )標明1次標定的有效使用時(shí)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(shí)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(wù)問(wèn)屬。
　　
　　溫漂在上1節已經(jīng)提到。選擇濕度傳感器要考慮應用場(chǎng)合的溫度變化范圍，看所選傳感器在溫度下能否正常工作，溫漂是否超出設計指標。要提醒使用者注意的是：電容式濕度傳感器的溫度系數α是個(gè)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隨溫度的改變是不同步的，而溫度系數α又主要取決于水和感濕材料的介電系數，所以電容式濕敏元件的溫度系數并非常數。電容式濕度傳感器在常溫、中濕段的溫度系數zui小，5-25℃時(shí)，中低濕段的溫漂可忽略不計。但在高溫高濕區或負溫高濕區使用時(shí)，就一定要考慮溫漂的影響，進(jìn)行必要的補償或訂正。
　　
　　領(lǐng)域部門(mén)溫度（℃）溫度（%RH）
　　
　　紡織紡紗廠(chǎng)2360
　　
　　織布廠(chǎng)1885
　　
　　醫藥制藥廠(chǎng)10～3050～60
　　
　　手術(shù)室23～2650～60
　　
　　輕工印刷廠(chǎng)23～2749～51
　　
　　卷煙廠(chǎng)21～2455～65
　　
　　火柴廠(chǎng)18～2250
　　
　　電子半導體2230～45
　　
　　計算機房20～3040～70
　　
　　通訊電纜充氣-10～300～20
　　
　　食品啤酒發(fā)酵4～850～70
　　
　　農業(yè)良種培育15～4040～75
　　
　　人工大棚5～4040～100
　　
　　倉儲水果冷凍-3～580～90
　　
　　地下菜窖-3～-170～80
　　
　　文物保管16～1850～55
　　
　　注：在不同領(lǐng)域的使用范圍（%RH/℃）
　　
　　4．與傳統測濕方法的關(guān)系
　　
　　早在18世紀人類(lèi)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(lái)的。新舊事物的交替與人們的觀(guān)念轉變很有關(guān)系。由于干濕球、毛發(fā)濕度計的價(jià)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(jià)格的不認可。正好像用慣了掃帚的人改用吸塵器時(shí)，總覺(jué)得花幾百元錢(qián)買(mǎi)一臺吸塵器有些不上算，不如花幾元錢(qián)買(mǎi)把掃帚那樣心理容易平衡。
　　
　　由于傳統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(hù)拿干濕球濕度計來(lái)對比剛購得的濕度傳感器，如發(fā)現示值不同，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(fēng)狀態(tài)：只有紗布水套、水質(zhì)、風(fēng)速都滿(mǎn)足一定要求時(shí)，才能達到規定的準確度。濕度傳感器生產(chǎn)廠(chǎng)在產(chǎn)品出廠(chǎng)前都要采用標準濕度發(fā)生器來(lái)逐支標定，zui常用分流式標準濕度發(fā)生器來(lái)進(jìn)行標定。所以希望用戶(hù)在需要校準時(shí)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(gè)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(wú)法工作。使用時(shí)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(jìn)行遠距離信號傳輸時(shí)，要注意信號的衰減問(wèn)題。當傳輸距離超過(guò)200m以上時(shí)，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(wú)論進(jìn)口或國產(chǎn)的傳感器都需逐支調試標定。大多數在更換濕敏元件后需要重新調試標定，對于測量精度比較高的濕度傳感器尤其重要。
　　
　　濕度傳感器的發(fā)展趨勢
　　
　　介紹濕敏元件的特性，重點(diǎn)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(diǎn)及產(chǎn)品分類(lèi)，zui后給出集成濕度傳感器典型產(chǎn)品的技術(shù)指標。
　　
　　在工農業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研、航天等部門(mén)，經(jīng)常需要對環(huán)境濕度進(jìn)行測量及控制。但在常規的環(huán)境參數中，濕度是zui難準確測量的一個(gè)參數。用干濕球濕度計或毛發(fā)濕度計來(lái)測量濕度的方法，早已無(wú)法滿(mǎn)足現代科技發(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(gè)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(gè)難題。國外生產(chǎn)的濕度標定設備價(jià)格十分昂貴。
　　
　　近年來(lái)，國內外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長(cháng)足進(jìn)步。濕敏傳感器正從簡(jiǎn)單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數檢測的方向迅速發(fā)展，為開(kāi)發(fā)新一代濕度/溫度測控系統創(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zui簡(jiǎn)單的濕度傳感器。濕敏元件主要電阻式、電容式兩大類(lèi)。
　　
　　1.1濕敏電阻
　　
　　濕敏電阻的特點(diǎn)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(shí)，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(lèi)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(diǎn)是靈敏度高，主要缺點(diǎn)是線(xiàn)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(shí)，濕敏電容的介電常數發(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(diǎn)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(shí)現小型化和集成化，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(chǎng)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(shí)的電容量為180pF（典型值）。當相對濕度從0變化到*時(shí)，電容量的變化范圍是163pF～202pF。溫度系數為0.04pF/℃，濕度滯后量為±1.5%，響應時(shí)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(lái)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(xiàn)性度及抗污染性差，在檢測環(huán)境濕度時(shí)，濕敏元件要長(cháng)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(cháng)期穩定性。
　　
　　2集成濕度傳感器的性能特點(diǎn)及產(chǎn)品分類(lèi)
　　
　　目前，國外生產(chǎn)集成濕度傳感器的主要廠(chǎng)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(lèi)型：
　　
　　2.1線(xiàn)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(diǎn)是采用恒壓供電，內置放大電路，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(xiàn)性頻率輸出集成濕度傳感器
　　
　　典型產(chǎn)品為HF3223型。它采用模塊式結構，屬于頻率輸出式集成濕度傳感器，在55%RH時(shí)的輸出頻率為8750Hz（型值），當上對濕度從10%變化到95%時(shí)，輸出頻率就從9560Hz減小到8030Hz。這種傳感器具有線(xiàn)性度好、抗干擾能力強、便于配數字電路或單片機、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。
　　
　　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（NTC）熱敏電阻作為溫度傳感器。當環(huán)境溫度變化時(shí)，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(chǎng)前，每只傳感器都在溫度室中做過(guò)精密標準，標準系數被編成相應的程序存入校準存儲器中，在測量過(guò)程中可對相對濕度進(jìn)行自動(dòng)校準。它們不僅能準確測量相對溫度，還能測量溫度和露點(diǎn)。測量相對溫度的范圍是0～*，分辨力達0.03%RH，zui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(diǎn)的精度<±1℃。在測量濕度、溫度時(shí)A/D轉換器的位數分別可達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，可廣泛用于醫療設備及溫度/濕度調節系統中。
　　
　　芯片內部包含相對濕度傳感器、溫度傳感器、放大器、14位A/D轉換器、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(xiàn)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(guò)放大，分別送至A/D轉換器進(jìn)行模/數轉換、校準和糾錯，zui后通過(guò)二線(xiàn)串行接口將相對濕度及溫度的數據送至μC。鑒于SHT11/15輸出的相對濕度讀數值與被測相對濕度呈非線(xiàn)性關(guān)系，為獲得相對濕度的準確數據，必須利用μC對讀數值進(jìn)行非線(xiàn)性補償。此外當環(huán)境溫度TA≠+25℃時(shí)，還需要對相對濕度傳感器進(jìn)行溫度補償。
　　
　　芯片內部有一個(gè)加熱器。將狀態(tài)寄存器的第2位置“1”時(shí)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(shí)現以下三種功能：①通過(guò)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(diǎn)時(shí)也需要使用加熱器。
　　
　　露點(diǎn)也是濕度測量中的一個(gè)重要參數，它表示在水汽冷卻過(guò)程中zui初發(fā)生結露的溫度。為了計算露點(diǎn)，Sensirion公司還向用戶(hù)提供一個(gè)測量露點(diǎn)的程序“SHTxdp.bsx”。利用該程序可以控制內部加熱器的通、斷，再根據所測得的溫度值及相對濕度值計算出露點(diǎn)。在命令響應界面上運行此程序時(shí)，計算機屏幕上就顯示提示符“>”。用戶(hù)首先從鍵盤(pán)上輸入字母“S”，然后輸入相應的數字，即可獲得下述結果：
　　
　　輸入數字“1”時(shí)，測量并顯示出攝氏溫度dgC=xx.x；
　　
　　輸入數字“2”時(shí)，測量并顯示出相對濕度%RH=xx.x；
　　
　　輸入數字“3”時(shí)，打開(kāi)加熱器，使傳感器溫度升高5℃；
　　
　　輸入數字“4”時(shí)，關(guān)閉加熱器，使傳感器降溫；
　　
　　輸入數字“5”時(shí)，顯示露點(diǎn)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～*。但有的廠(chǎng)家為保證精度指標而將測量范圍限制為10%～95%。設計+3.3V低壓供電的濕度/溫度測試系統時(shí)，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(shí)默認為休眠模式（SleepMode），電源電流僅為0.3μA（典型值）。測量完畢只要沒(méi)有新的命令，就自動(dòng)返回休眠模式，能使芯片功耗降至zui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(shí)，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。
　　
　　有關(guān)濕度傳感器國家標準目錄
　　
　　GB-T15768-1995電容式濕敏元件與濕度傳感器總規范
　　
　　GBT11605-2005濕度測量方法
　　
　　JJF1012-1987常用濕度計量名詞術(shù)語(yǔ)
　　
　　JJF1076-2001濕度傳感器校準規范
　　
　　JJF1101-2003環(huán)境試驗設備溫度濕度校準規范
　　
　　JJG205-2005機械式溫濕度計檢定規程
　　
　　JJG499-2004精密露點(diǎn)儀檢定規程
　　
　　JJG500-2005電解法濕度儀檢定規程
　　
　　JJG826-1993二級標準分流式濕度發(fā)生器
　　
　　JJG899-1995石油低含水率分析儀檢定方法