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。隨著現代化的實現，很難找出一個與濕度無關的領域來。由于應用領域不同，對濕度傳感器的技術要求也不同。從制造角度看，同是濕度傳感器，材料、結構不同，工藝不同．其性能和技術指標有很大差異，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品，權衡好“需要與可能”的關系，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，傳感器技術與計算機技術、自動控制拄術緊密結合著。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(見表1)。用戶根據需要向傳感器生產廠提出測量范圍，生產廠優先保證用戶在使用范圍內傳感器的性能穩定一致，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，溫度嚴重地影響著指定空間內的相對濕度。溫度每變化0.1℃。將產生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生器也難以做到，更何況傳感器自身了。國家標準物質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。這就決定了它的穩定性和壽命是有限的。一般情況下，生產廠商會標明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節已經提到。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、中濕段的溫度系數最小，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，進行必要的補償或訂正。
領域 部門 溫度(℃) 溫度(%RH)??
紡織 紡紗廠 23 60??
織布廠 18 85??
醫藥 制藥廠 10～ 30 50～60??
手術室 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 啤酒發酵 4～8 50～70??
農業 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：在不同領域的使用范圍(%RH/℃)???
4．與傳統測濕方法的關系
?????? 早在18世紀人類就發明了干濕球和毛發濕度計，而電子式濕度傳感器是近幾十年．特別是近20年才迅速發展起來的。新舊事物的交替與人們的觀念轉變很有關系。由于干濕球、毛發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狀態：只有紗布水套、水質、風速都滿足一定要求時，才能達到規定的準確度。濕度傳感器生產廠在產品出廠前都要采用標準濕度發生器來逐支標定，最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。??

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濕度傳感器的發展趨勢

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

　　在工農業生產、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制。但在常規的環境參數中，濕度是最難準確測量的一個參數。用干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。國外生產的濕度標定設備價格十分昂貴。

　　近年來，國內外在濕度傳感器研發領域取得了長足進步。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數檢測的方向迅速發展，為開發新一代濕度/溫度測控系統創造了有利條件，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。濕敏電阻的優點是靈敏度高，主要缺點是線性度和產品的互換性差。

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，其電容變化量與相對濕度成正比。濕敏電容的主要優點是靈敏度高、產品互換性好、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，在檢測環境濕度時，濕敏元件要長期暴露在待測環境中，很容易被污染而影響其測量精度及長期穩定性。

2 集成濕度傳感器的性能特點及產品分類

　　目前，國外生產集成濕度傳感器的主要廠家及典型產品分別為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

　　典型產品有HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特點是采用恒壓供電，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、便于配數字電路或單片機、價格低等優點。

2.3 頻率/溫度輸出式集成濕度傳感器

　　典型產品為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、狀態寄存器、循環冗余校驗碼（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生相對濕度、溫度的信號，然后經過放大，分別送至A/D轉換器進行模/數轉換、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性關系，為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。此外當環境溫度TA≠+25℃時，還需要對相對濕度傳感器進行溫度補償。

　　芯片內部有一個加熱器。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，它表示在水汽冷卻過程中最初發生結露的溫度。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”，然后輸入相應的數字，即可獲得下述結果：

輸入數字“1”時，測量并顯示出攝氏溫度dgC=xx.x；

輸入數字“2”時，測量并顯示出相對濕度%RH=xx.x；

輸入數字“3”時，打開加熱器，使傳感器溫度升高5℃；

輸入數字“4”時，關閉加熱器，使傳感器降溫；

輸入數字“5”時，顯示露點溫度dpC=xx.x。

4 集成濕度傳感器典型產品的技術指標

　　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%。設計+3.3V低壓供電的濕度/溫度測試系統時，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。???