濕度傳感器原理及應用

1.選擇測量範圍
　　
　　和測量重量、溫度一樣，選擇濕度傳(chuan) 感器首先要確定測量範圍。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(chuan) 感器技術與(yu) 計算機技術、自動控製拄術緊密結合著。測量的目的在於(yu) 控製，測量範圍與(yu) 控製範圍合稱使用範圍。當然，對不需要搞測控係統的應用者來說，直接選擇通用型濕度儀(yi) 就可以了。下麵列舉(ju) 一些應用領域對濕度傳(chuan) 感器使用溫度、濕度的不同要求，供使用者參考（見表1）。用戶根據需要向傳(chuan) 感器生產(chan) 廠提出測量範圍，生產(chan) 廠優(you) 先保證用戶在使用範圍內(nei) 傳(chuan) 感器的性能穩定一致，求得合理的性能價(jia) 格比，對雙方來講是一件相得益彰的事情。
　　
　　2、選擇測量精度
　　
　　和測量範圍一樣，測量精度同是傳(chuan) 感器zui重要的指標。每提高—個(ge) 百分點．對傳(chuan) 感器來說就是上一個(ge) 台階，甚至是上一個(ge) 檔次。因為(wei) 要達到不同的精度，其製造成本相差很大，售價(jia) 也相差甚遠。例如進口的1隻廉價(jia) 的濕度傳(chuan) 感器隻有幾美元，而1隻供標定用的全濕程濕度傳(chuan) 感器要幾百美元，相差近百倍。所以使用者一定要量體(ti) 裁衣，不宜盲目追求“高、精、尖”。
　　
　　生產(chan) 廠商往往是分段給出其濕度傳(chuan) 感器的精度的。如中、低溫段（0一80％RH）為(wei) ±2％RH，而高濕段（80—100％RH）為(wei) ±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(chuan) 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(yan) 重地影響著空間內(nei) 的相對濕度。溫度每變化0.1℃。將產(chan) 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(wei) 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(yi) 。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(ti) 化傳(chuan) 感器而不單純是濕度傳(chuan) 感器的緣故。
　　
　　多數情況下，如果沒有的控溫手段，或者被測空間是非密封的，±5％RH的精度就足夠了。對於(yu) 要求控製恒溫、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(chuan) 感器。與(yu) 此相對應的溫度傳(chuan) 感器．其測溫精度須足±0.3℃以上，起碼是±0.5℃的。而精度高於(yu) ±2％RH的要求恐怕連校準傳(chuan) 感器的標準濕度發生器也難以做到，更何況傳(chuan) 感器自身了。國家標準物質研究中心濕度室的文章認為(wei) ：“相對濕度測量儀(yi) 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(chuan) 感器都存在時漂和溫漂。由於(yu) 濕度傳(chuan) 感器必須和大氣中的水汽相接觸，所以不能密封。這就決(jue) 定了它的穩定性和壽命是有限的。一般情況下，生產(chan) 廠商會(hui) 標明1次標定的有效使用時間為(wei) 1年或2年，到期負責重新標定。請使用者在選擇傳(chuan) 感器時考慮好日後重新標定的渠道，不要貪圖便宜或迷信洋貨而忽略了售後服務問屬。
　　
　　溫漂在上1節已經提到。選擇濕度傳(chuan) 感器要考慮應用場合的溫度變化範圍，看所選傳(chuan) 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(chuan) 感器的溫度係數α是個(ge) 變量，它隨使用溫度、濕度範圍而異。這是因為(wei) 水和高分子聚合物的介電係數隨溫度的改變是不同步的，而溫度係數α又主要取決(jue) 於(yu) 水和感濕材料的介電係數，所以電容式濕敏元件的溫度係數並非常數。電容式濕度傳(chuan) 感器在常溫、中濕段的溫度係數zui小，5-25℃時，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，就一定要考慮溫漂的影響，進行必要的補償(chang) 或訂正。
　　
　　領域部門溫度（℃）溫度（%RH）
　　
　　紡織紡紗廠2360
　　
　　織布廠1885
　　
　　醫藥製藥廠10～3050～60
　　
　　手術室23～2650～60
　　
　　輕工印刷廠23～2749～51
　　
　　卷煙廠21～2455～65
　　
　　火柴廠18～2250
　　
　　電子半導體(ti) 2230～45
　　
　　計算機房20～3040～70
　　
　　通訊電纜充氣-10～300～20
　　
　　食品啤酒發酵4～850～70
　　
　　農(nong) 業(ye) 良種培育15～4040～75
　　
　　人工大棚5～4040～100
　　
　　倉(cang) 儲(chu) 水果冷凍-3～580～90
　　
　　地下菜窖-3～-170～80
　　
　　文物保管16～1850～55
　　
　　注：在不同領域的使用範圍（%RH/℃）
　　
　　4．與(yu) 傳(chuan) 統測濕方法的關(guan) 係
　　
　　早在18世紀人類就發明了幹濕球和毛發濕度計，而電子式濕度傳(chuan) 感器是近幾十年．特別是近20年才迅速發展起來的。新舊事物的交替與(yu) 人們(men) 的觀念轉變很有關(guan) 係。由於(yu) 幹濕球、毛發濕度計的價(jia) 格仍明顯低於(yu) 濕度傳(chuan) 感器，造成一部分人對電子濕度傳(chuan) 感器價(jia) 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(mai) 一台吸塵器有些不上算，不如花幾元錢買(mai) 把掃帚那樣心理容易平衡。
　　
　　由於(yu) 傳(chuan) 統測濕方法在人們(men) 的腦海中印象太深了，一些人形成了隻有幹濕球濕度計才是準確的固有概念。有些用戶拿幹濕球濕度計來對比剛購得的濕度傳(chuan) 感器，如發現示值不同，馬上認為(wei) 濕度傳(chuan) 感器不準。須知幹濕球的準確度隻有5％一7％RH，不但低於(yu) 電子濕度傳(chuan) 感器，而且還取決(jue) 於(yu) 幹球、濕球兩(liang) 支溫度計本身的精度；濕度計必須處於(yu) 通風狀態：隻有紗布水套、水質、風速都滿足一定要求時，才能達到規定的準確度。濕度傳(chuan) 感器生產(chan) 廠在產(chan) 品出廠前都要采用標準濕度發生器來逐支標定，zui常用分流式標準濕度發生器來進行標定。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(chuan) 感器。
　　
　　5、其它注意事項
　　
　　濕度傳(chuan) 感器是非密封性的，為(wei) 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境中使用。為(wei) 正確反映欲測空間的濕度，還應避免將傳(chuan) 感器安放在離牆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(ge) 傳(chuan) 感器。
　　
　　有的濕度傳(chuan) 感器對供電電源要求比較高，否則將影響測量精度．或者傳(chuan) 感器之間相互幹擾，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(chuan) 感器需要進行遠距離信號傳(chuan) 輸時，要注意信號的衰減問題。當傳(chuan) 輸距離超過200m以上時，建議選用頻率輸出信號的濕度傳(chuan) 感器。
　　
　　由於(yu) 濕敏元件都存在一定的分散性，無論進口或國產(chan) 的傳(chuan) 感器都需逐支調試標定。大多數在更換濕敏元件後需要重新調試標定，對於(yu) 測量精度比較高的濕度傳(chuan) 感器尤其重要。
　　
　　濕度傳(chuan) 感器的發展趨勢
　　
　　介紹濕敏元件的特性，重點闡述集成濕度傳(chuan) 感器、單片智能化濕度/溫度傳(chuan) 感器的性能特點及產(chan) 品分類，zui後給出集成濕度傳(chuan) 感器典型產(chan) 品的技術指標。
　　
　　在工農(nong) 業(ye) 生產(chan) 、氣象、環保、國防、科研、航天等部門，經常需要對環境濕度進行測量及控製。但在常規的環境參數中，濕度是zui難準確測量的一個(ge) 參數。用幹濕球濕度計或毛發濕度計來測量濕度的方法，早已無法滿足現代科技發展的需要。這是因為(wei) 測量濕度要比測量溫度複雜的多，溫度是個(ge) 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(ge) 難題。國外生產(chan) 的濕度標定設備價(jia) 格十分昂貴。
　　
　　近年來，國內(nei) 外在濕度傳(chuan) 感器研發領域取得了長足進步。濕敏傳(chuan) 感器正從(cong) 簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數檢測的方向迅速發展，為(wei) 開發新一代濕度/溫度測控係統創造了有利條件，也將濕度測量技術提高到新的水平。
　　
　　1濕敏元件的特性
　　
　　濕敏元件是zui簡單的濕度傳(chuan) 感器。濕敏元件主要電阻式、電容式兩(liang) 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製成的膜，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、矽濕敏電阻、陶瓷濕敏電阻等。濕敏電阻的優(you) 點是靈敏度高，主要缺點是線性度和產(chan) 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製成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞(ya) 胺、酷酸醋酸纖維等。當環境濕度發生改變時，濕敏電容的介電常數發生變化，使其電容量也發生變化，其電容變化量與(yu) 相對濕度成正比。濕敏電容的主要優(you) 點是靈敏度高、產(chan) 品互換性好、響應速度快、濕度的滯後量小、便於(yu) 製造、容易實現小型化和集成化，其精度一般比濕敏電阻要低一些。國外生產(chan) 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(chan) 的SH1100型濕敏電容為(wei) 例，其測量範圍是（1%～99%）RH，在55%RH時的電容量為(wei) 180pF（典型值）。當相對濕度從(cong) 0變化到*時，電容量的變化範圍是163pF～202pF。溫度係數為(wei) 0.04pF/℃，濕度滯後量為(wei) ±1.5%，響應時間為(wei) 5s。
　　
　　除電阻式、電容式濕敏元件之外，還有電解質離子型濕敏元件、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、聲表麵波濕敏元件等。濕敏元件的線性度及抗汙染性差，在檢測環境濕度時，濕敏元件要長期暴露在待測環境中，很容易被汙染而影響其測量精度及長期穩定性。
　　
　　2集成濕度傳(chuan) 感器的性能特點及產(chan) 品分類
　　
　　目前，國外生產(chan) 集成濕度傳(chuan) 感器的主要廠家及典型產(chan) 品分別為(wei) 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(chan) 品可分成以下三種類型：
　　
　　2.1線性電壓輸出式集成濕度傳(chuan) 感器
　　
　　典型產(chan) 品有HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特點是采用恒壓供電，內(nei) 置放大電路，能輸出與(yu) 相對濕度呈比例關(guan) 係的伏特級電壓信號，響應速度快，重複性好，抗汙染能力強。
　　
　　2.2線性頻率輸出集成濕度傳(chuan) 感器
　　
　　典型產(chan) 品為(wei) HF3223型。它采用模塊式結構，屬於(yu) 頻率輸出式集成濕度傳(chuan) 感器，在55%RH時的輸出頻率為(wei) 8750Hz（型值），當上對濕度從(cong) 10%變化到95%時，輸出頻率就從(cong) 9560Hz減小到8030Hz。這種傳(chuan) 感器具有線性度好、抗幹擾能力強、便於(yu) 配數字電路或單片機、價(jia) 格低等優(you) 點。
　　
　　2.3頻率/溫度輸出式集成濕度傳(chuan) 感器
　　
　　典型產(chan) 品為(wei) HTF3223型。它除具有HF3223的功能以外，還增加了溫度信號輸出端，利用負溫度係數（NTC）熱敏電阻作為(wei) 溫度傳(chuan) 感器。當環境溫度變化時，其電阻值也相應改變並且從(cong) NTC端引出，配上二次儀(yi) 表即可測量出溫度值。
　　
　　3單片智能化溫度/溫度傳(chuan) 感器
　　
　　2002年Sensiron公司在世界上研製成功SHT11、SHT15型智能化溫度/溫度傳(chuan) 感器，其外形尺寸僅(jin) 為(wei) 7.6（mm）×5（mm）×2.5（mm），體(ti) 積與(yu) 火柴頭相近。出廠前，每隻傳(chuan) 感器都在溫度室中做過精密標準，標準係數被編成相應的程序存入校準存儲(chu) 器中，在測量過程中可對相對濕度進行自動校準。它們(men) 不僅(jin) 能準確測量相對溫度，還能測量溫度和露點。測量相對溫度的範圍是0～*，分辨力達0.03%RH，zui高精度為(wei) ±2%RH。測量溫度的範圍是-40℃～+123.8℃，分辨力為(wei) 0.01℃。測量露點的精度<±1℃。在測量濕度、溫度時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(chan) 品互換性好，響應速度快，抗幹擾能力強，不需要外部元件，適配各種單片機，可廣泛用於(yu) 醫療設備及溫度/濕度調節係統中。
　　
　　芯片內(nei) 部包含相對濕度傳(chuan) 感器、溫度傳(chuan) 感器、放大器、14位A/D轉換器、校準存儲(chu) 器（E2PROM）、易失存儲(chu) 器（RAM）是、狀態寄存器、循環冗餘(yu) 校驗碼（CRC）寄存器、二線串行接口、控製單元、加熱器及低電壓檢測電路。其測量原理是首先利用兩(liang) 隻傳(chuan) 感器分別產(chan) 生相對濕度、溫度的信號，然後經過放大，分別送至A/D轉換器進行模/數轉換、校準和糾錯，zui後通過二線串行接口將相對濕度及溫度的數據送至μC。鑒於(yu) SHT11/15輸出的相對濕度讀數值與(yu) 被測相對濕度呈非線性關(guan) 係，為(wei) 獲得相對濕度的準確數據，必須利用μC對讀數值進行非線性補償(chang) 。此外當環境溫度TA≠+25℃時，還需要對相對濕度傳(chuan) 感器進行溫度補償(chang) 。
　　
　　芯片內(nei) 部有一個(ge) 加熱器。將狀態寄存器的第2位置“1”時該加熱器接通電源，可使傳(chuan) 感器的溫度大約升高5℃，電源電流亦增加8mA（采用+5V電源）。使用加熱器可實現以下三種功能：①通過比較加熱前後測出的相對濕度值及溫度值，可確定傳(chuan) 感器是否正常工作；②在潮濕環境下使用加熱器，可避免傳(chuan) 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(ge) 重要參數，它表示在水汽冷卻過程中zui初發生結露的溫度。為(wei) 了計算露點，Sensirion公司還向用戶提供一個(ge) 測量露點的程序“SHTxdp.bsx”。利用該程序可以控製內(nei) 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。在命令響應界麵上運行此程序時，計算機屏幕上就顯示提示符“>”。用戶首先從(cong) 鍵盤上輸入字母“S”，然後輸入相應的數字，即可獲得下述結果：
　　
　　輸入數字“1”時，測量並顯示出攝氏溫度dgC=xx.x；
　　
　　輸入數字“2”時，測量並顯示出相對濕度%RH=xx.x；
　　
　　輸入數字“3”時，打開加熱器，使傳(chuan) 感器溫度升高5℃；
　　
　　輸入數字“4”時，關(guan) 閉加熱器，使傳(chuan) 感器降溫；
　　
　　輸入數字“5”時，顯示露點溫度dpC=xx.x。
　　
　　4集成濕度傳(chuan) 感器典型產(chan) 品的技術指標
　　
　　集成濕度傳(chuan) 感器的測量範圍一般可達到0～*。但有的廠家為(wei) 保證精度指標而將測量範圍限製為(wei) 10%～95%。設計+3.3V低壓供電的濕度/溫度測試係統時，可選用SHT11、SHT15傳(chuan) 感器。這種傳(chuan) 感器在測量階段的工作電流為(wei) 550μA，平均工作電流為(wei) 28μA（12位）或2μA（8位）。上電時默認為(wei) 休眠模式（SleepMode），電源電流僅(jin) 為(wei) 0.3μA（典型值）。測量完畢隻要沒有新的命令，就自動返回休眠模式，能使芯片功耗降至zui低。此外，它們(men) 還具有低電壓檢測功能。當電源電壓低於(yu) +2.45V±0.1V時，狀態寄存器的第6位立即更新，使芯片不工作，從(cong) 而起到了保護作用。
　　
　　有關(guan) 濕度傳(chuan) 感器國家標準目錄
　　
　　GB-T15768-1995電容式濕敏元件與(yu) 濕度傳(chuan) 感器總規範
　　
　　GBT11605-2005濕度測量方法
　　
　　JJF1012-1987常用濕度計量名詞術語
　　
　　JJF1076-2001濕度傳(chuan) 感器校準規範
　　
　　JJF1101-2003環境試驗設備溫度濕度校準規範
　　
　　JJG205-2005機械式溫濕度計檢定規程
　　
　　JJG499-2004精密露點儀(yi) 檢定規程
　　
　　JJG500-2005電解法濕度儀(yi) 檢定規程
　　
　　JJG826-1993二級標準分流式濕度發生器
　　
　　JJG899-1995石油低含水率分析儀(yi) 檢定方法