濕度傳感器

濕度傳感器的寫法

濕度傳感器介紹

濕度傳感器是指檢測外界環(huán)境濕度的傳感器，它將所測環(huán)境濕度轉(zhuǎn)換為便于處理、顯示、記錄的電(頻率)信號等。它是一類重要的化學(xué)傳感器，在倉貯、工業(yè)生產(chǎn)、過程控制、環(huán)境監(jiān)測、家用電器、氣象等方面有著廣泛的應(yīng)用。濕度傳感器是由濕度敏感元件、變換元件和測量電路三部分組成。對于濕度傳感器的敏感元件，常見的結(jié)構(gòu)形式有三種:電容型、電阻型和電流型，分別通過檢測電阻、電容和電流的變化來傳感被測量。

分類

濕度傳感器，基本形式都為利用濕敏材料對水分子的吸附能力或?qū)λ肿赢a(chǎn)生物理效應(yīng)的方法測量濕度。有關(guān)濕度測量，早在16世紀(jì)就有記載。許多古老的測量方法，如干濕球溫度計(jì)、毛發(fā)濕度計(jì)和露點(diǎn)計(jì)等至今仍被廣泛采用?，F(xiàn)代工業(yè)技術(shù)要求高精度、高可靠和連續(xù)地測量濕度，因而陸續(xù)出現(xiàn)了種類繁多的濕敏元件。

濕敏元件主要分為二大類：水分子親和力型濕敏元件和非水分子親和力型濕敏元件。利用水分子有較大的偶極矩，易于附著并滲透入固體表面的特性制成的濕敏元件稱為水分子親和力型濕敏元件。例如，利用水分子附著或浸入某些物質(zhì)后，其電氣性能（電阻值、介電常數(shù)等）發(fā)生變化的特性可制成電阻式濕敏元件、電容式濕敏元件；利用水分子附著后引起材料長度變化，可制成尺寸變化式濕敏元件，如毛發(fā)濕度計(jì)。金屬氧化物是離子型結(jié)合物質(zhì)，有較強(qiáng)的吸水性能，不僅有物理吸附，而且有化學(xué)吸附，可制成金屬氧化物濕敏元件。這類元件在應(yīng)用時(shí)附著或浸入被測的水蒸氣分子，與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氫氧化物，或一經(jīng)浸入就有一部分殘留在元件上而難以全部脫出，使重復(fù)使用時(shí)元件的特性不穩(wěn)定，測量時(shí)有較大的滯后誤差和較慢的反應(yīng)速度。目前應(yīng)用較多的均屬于這類濕敏元件。另一類非親和力型濕敏元件利用其與水分子接觸產(chǎn)生的物理效應(yīng)來測量濕度。例如，利用熱力學(xué)方法測量的熱敏電阻式濕度傳感器，利用水蒸氣能吸收某波長段的紅外線的特性制成的紅外線吸收式濕度傳感器等。

1、電解質(zhì)濕敏元件

利用潮解性鹽類受潮后電阻發(fā)生變化制成的濕敏元件。最常用的是電解質(zhì)氯化鋰（LiCl）。從1938年頓蒙發(fā)明這種元件以來，在較長的使用實(shí)踐中，對氯化鋰的載體及元件尺寸作了許多改進(jìn)，提高了響應(yīng)速度和擴(kuò)大測濕范圍。氯化鋰濕敏元件的工作原理是基于濕度變化能引起電介質(zhì)離子導(dǎo)電狀態(tài)的改變，使電阻值發(fā)生變化。結(jié)構(gòu)形式有頓蒙式和含浸式。頓蒙式氯化鋰濕敏元件是在聚苯乙烯圓筒上平行地繞上鈀絲電極，然后把皂化聚乙烯醋酸酯與氯化鋰水溶液混合液均勻地涂在圓筒表面上制成，測濕范圍約為相對濕度30[%]。含浸式氯化鋰濕敏元件是由天然樹皮基板用氯化鋰水溶液浸泡制成的。植物的髓脈具有細(xì)密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有利于水分子的吸入和放出。70年代研制成功玻璃基板含浸式濕敏元件，采用兩種不同濃度的氯化鋰水溶液浸泡多孔無堿玻璃基板（孔徑平均500埃），可制成測濕范圍為相對濕度20～80[%]的元件。

氯化鋰元件具有滯后誤差較小，不受測試環(huán)境的風(fēng)速影響，不影響和破壞被測濕度環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，但因其基本原理是利用潮解鹽的濕敏特性，經(jīng)反復(fù)吸濕、脫濕后，會引起電解質(zhì)膜變形和性能變劣，尤其遇到高濕及結(jié)露環(huán)境時(shí)，會造成電解質(zhì)潮解而流失，導(dǎo)致元件損壞。

2、高分子材料濕敏元件

利用有機(jī)高分子材料的吸濕性能與膨潤性能制成的濕敏元件。吸濕后，介電常數(shù)發(fā)生明顯變化的高分子電介質(zhì)，可做成電容式濕敏元件。吸濕后電阻值改變的高分子材料，可做成電阻變化式濕敏元件。常用的高分子材料是醋酸纖維素、尼龍和硝酸纖維素等。高分子濕敏元件的薄膜做得極薄，一般約5000埃，使元件易于很快的吸濕與脫濕,減少了滯后誤差，響應(yīng)速度快。這種濕敏元件的缺點(diǎn)是不宜用于含有機(jī)溶媒氣體的環(huán)境，元件也不能耐80℃以上的高溫。

3、金屬氧化物膜濕敏元件

許多金屬氧化物如氧化鋁、四氧化三鐵、鉭氧化物等都有較強(qiáng)的吸脫水性能，將它們制成燒結(jié)薄膜或涂布薄膜可制作多種濕敏元件。把鋁基片置于草酸、硫酸或鉻酸電解槽中進(jìn)行陽極氧化，形成氧化鋁多孔薄膜，通過真空蒸發(fā)或?yàn)R射工藝，在薄膜上形成透氣性電極。這種多孔質(zhì)的氧化鋁濕敏元件互換性好，低濕范圍測濕的時(shí)間響應(yīng)速度較快，滯后誤差小，常用于高空氣球上測濕。四氧化三鐵膠體的優(yōu)點(diǎn)是固有電阻低，長期置于大氣環(huán)境表面狀態(tài)不會變化，膠體粒子間相互吸引粘結(jié)緊密等。它是一種價(jià)廉物美，較早投入批量生產(chǎn)的濕敏元件，在濕度測量和濕度控制方面都有大量應(yīng)用。

4、金屬氧化物陶瓷濕敏元件

將極其微細(xì)的金屬氧化物顆粒在高溫1300℃下燒結(jié)，可制成多孔體的金屬氧化物陶瓷，在這種多孔體表面加上電極，引出接線端子就可做成陶瓷濕敏元件。濕敏元件使用時(shí)必須裸露于測試環(huán)境中，故油垢、塵土和有害于元件的物質(zhì)（氣、固體）都會使其物理吸附和化學(xué)吸附性能發(fā)生變化，引起元件特性變壞。而金屬氧化物陶瓷濕敏元件的陶瓷燒結(jié)體物理和化學(xué)狀態(tài)穩(wěn)定，可以用加熱去污方法恢復(fù)元件的濕敏特性，而且燒結(jié)體的表面結(jié)構(gòu)極大地?cái)U(kuò)展元件表面與水蒸氣的接觸面積，使水蒸氣易于吸著和脫去，還可通過控制元件的細(xì)微構(gòu)造使物理性吸附占主導(dǎo)地位，獲得的濕敏特性。因此陶瓷濕敏元件的使用壽命長、元件特性穩(wěn)定，是目前最有可能成為工程應(yīng)用的主要濕敏元件之一。陶瓷濕敏元件的使用溫度為0～160℃。

在諸多的金屬氧化物陶瓷材料中，由鉻酸鎂－二氧化鈦固溶體組成的多孔性半導(dǎo)體陶瓷是性能較好的濕敏材料，它的表面電阻率能在很寬的范圍內(nèi)隨著濕度的變化而變化，而且能在高溫條件下進(jìn)行反復(fù)的熱清洗，性能仍保持不變。

5、熱敏電阻式濕度傳感器

利用熱敏電阻作濕敏元件。傳感器中有組成橋式電路的珠狀熱敏電阻R1和R2,電源供給的電流使R1、R2保持在200℃左右的溫度。其中R2裝在密封的金屬盒內(nèi)，內(nèi)部封裝著干燥空氣，R1置于與大氣相接觸的開孔金屬盒內(nèi)。將R1先置于干燥空氣中，調(diào)節(jié)電橋平衡，使輸出端A、B間電壓為零，當(dāng)R1接觸待測含濕空氣時(shí)，含濕空氣與干燥空氣產(chǎn)生熱傳導(dǎo)差，使R1受冷卻，電阻值增高，A、B間產(chǎn)生輸出電壓，其值與濕度變化有關(guān)。熱敏電阻式濕敏傳感器的輸出電壓與濕度成比例，因而可用于測量大氣的濕度。傳感器是利用濕度與大氣導(dǎo)熱率之間的關(guān)系作為測量原理的，當(dāng)大氣中混入其他特種氣體或氣壓變化時(shí)，測量結(jié)果會有程度不同的影響。此外，熱敏電阻的位置對測量也有很大影響。但這種傳感器從可靠性、穩(wěn)定性和不必特殊維護(hù)等方面來看，很有特色，現(xiàn)已用于空調(diào)機(jī)濕度控制，或制成便攜式濕度表、直讀式露點(diǎn)計(jì)、相對濕度計(jì)、水分計(jì)等。

6、紅外線吸收式濕度傳感器

利用水蒸氣能吸收某波段的紅外線制成的濕度傳感器。60年代中期，美國氣象局以波長為1.37微米和1.25微米的紅外光分別作敏感光束和參考光束，研制成紅外線吸收式濕度傳感器。這種傳感器采用裝有λ0濾光片和λ濾光片的旋轉(zhuǎn)濾光片，當(dāng)光源通過旋轉(zhuǎn)濾光片時(shí)，輪流地選擇波長為λ0和λ的紅外光束,兩條光束通過被測濕度的樣氣抵達(dá)光敏元件,由于波長為λ0的光束不被水蒸氣吸收，其光強(qiáng)仍為I0，波長為λ的光束被水蒸氣部分吸收，光強(qiáng)衰減為I。采用朗伯－貝爾法測量：

式中I0為光源光強(qiáng)度，I為光敏元件處的光強(qiáng)度，ε為吸收系數(shù),c為待測含水蒸氣的濃度,l為光路長度。根據(jù)光強(qiáng)度的變化，將光敏元件上的信號處理后可獲得正比于水蒸氣濃度c的電信號。紅外線吸收式濕度傳感器屬非水分子親和力型濕敏元件，測量精度和靈敏度較高，能夠測量高溫或密封場所的氣體濕度，也能解決其他濕度傳感器不能解決的大風(fēng)速或通風(fēng)孔道環(huán)境中的濕度測量問題。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光路系統(tǒng)存在溫度漂移現(xiàn)象。

7、微波式濕度傳感器

利用微波電介質(zhì)共振系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)隨濕度變化的機(jī)理制成的傳感器。微波共振器采用氧化鎂-氧化鈣-二氧化鈦陶瓷體，共振器與耦合環(huán)構(gòu)成共振系統(tǒng)，含水蒸氣的氣體進(jìn)入傳感器腔體后改變原共振系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)，其微波損失量與濕度成線性關(guān)系。這種傳感器的測濕范圍為相對濕度40～95[%]，在溫度0～50℃時(shí)，精度可達(dá)±2[%]。微波式濕度傳感器具有非水分子親和力型濕敏元件的優(yōu)點(diǎn)，又由于采用陶瓷材料作共振系統(tǒng)，故可加熱清洗，且堅(jiān)固耐用。缺點(diǎn)是對微波電路穩(wěn)定性要求甚高。

8、超聲波式濕度傳感器

超聲波在空氣中的傳播速度與溫度、濕度有關(guān)，利用這一特性可制成超聲波式濕度傳感器。傳感器由超聲波氣溫計(jì)和鉑絲電阻測溫計(jì)組成，前者的測量數(shù)據(jù)與濕度有關(guān)，后者的測量數(shù)據(jù)只與溫度有關(guān)，按照超聲波在干燥空氣和含濕空氣中的傳播速度可計(jì)算出空氣的濕度。超聲波濕度傳感器有很多優(yōu)點(diǎn)，它的測濕數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，響應(yīng)速度快，可以測出某一極小范圍的濕度而不受輻射熱的影響。這種傳感器尚處于研制階段。

選型

國內(nèi)外各廠家的濕度傳感器產(chǎn)品水平不一，質(zhì)量價(jià)格都相差較大，用戶如何選擇性能價(jià)格比的理想產(chǎn)品確有一定難度，需要在這方面作深入的了解。濕度傳感器具有如下特點(diǎn)：

1、精度和長期穩(wěn)定性

濕度傳感器的精度應(yīng)達(dá)到±2[%]~±5[%]RH，達(dá)不到這個(gè)水平很難作為計(jì)量器具使用，濕度傳感器要達(dá)到±2[%]~±3[%]RH的精度是比較困難的，通常產(chǎn)品資料中給出的特性是在常溫（20℃±10℃）和潔凈的氣體中測量的。在實(shí)際使用中，由于塵土、油污及有害氣體的影響，使用時(shí)間一長，會產(chǎn)生老化，精度下降，濕度傳感器的精度水平要結(jié)合其長期穩(wěn)定性去判斷，一般說來，長期穩(wěn)定性和使用壽命是影響濕度傳感器質(zhì)量的頭等問題，年漂移量控制在1[%]RH水平的產(chǎn)品很少，一般都在±2[%]左右，甚至更高。

2、濕度傳感器的溫度系數(shù)

濕敏元件除對環(huán)境濕度敏感外，對溫度亦十分敏感，其溫度系數(shù)一般在0.2~0.8[%]RH/℃范圍內(nèi)，而且有的濕敏元件在不同的相對濕度下，其溫度系數(shù)又有差別。溫漂非線性，這需要在電路上加溫度補(bǔ)償式。采用單片機(jī)軟件補(bǔ)償，或無溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葌鞲衅魇潜ＷC不了全溫范圍的精度的，濕度傳感器溫漂曲線的線性化直接影響到補(bǔ)償?shù)男Ч蔷€性的溫漂往往補(bǔ)償不出較好的效果，只有采用硬件溫度跟隨性補(bǔ)償才會獲得真實(shí)的補(bǔ)償效果。濕度傳感器工作的溫度范圍也是重要參數(shù)。多數(shù)濕敏元件難以在40℃以上正常工作。

3、濕度傳感器的供電

金屬氧化物陶瓷，高分子聚合物和氯化鋰等濕敏材料施加直流電壓時(shí)，會導(dǎo)致性能變化，甚至失效，所以這類濕度傳感器不能用直流電壓或有直流成份的交流電壓。必須是交流電供電。

4、互換性

目前，濕度傳感器普遍存在著互換性差的現(xiàn)象，同一型號的傳感器不能互換，嚴(yán)重影響了使用效果，給維修、調(diào)試增加了困難，有些廠家在這方面作出了種種努力，取得了較好效果。

5、濕度校正

校正濕度要比校正溫度困難得多。溫度標(biāo)定往往用一根標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)即可，而濕度的標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)較難實(shí)現(xiàn)，干濕球溫度計(jì)和一些常見的指針式濕度計(jì)是不能用來作標(biāo)定的，精度無法保證，因其要求環(huán)境條件非常嚴(yán)格，一般情況，（在濕度環(huán)境適合的條件下）在缺乏完善的檢定設(shè)備時(shí)，通常用簡單的飽和鹽溶液檢定法，并測量其溫度。

判斷

在濕度傳感器實(shí)際標(biāo)定困難的情況下，可以通過一些簡便的方法進(jìn)行濕度傳感器性能判斷與檢查。

1、一致性判定，同一類型，同一廠家的濕度傳感器產(chǎn)品一次購買兩支以上，越多越說明問題，放在一起通電比較檢測輸出值，在相對穩(wěn)定的條件下，觀察測試的一致性。若進(jìn)一步檢測，可在24h內(nèi)間隔一段時(shí)間記錄，一天內(nèi)一般都有高、中、低3種濕度和溫度情況，可以較全面地觀察產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性，包括溫度補(bǔ)償特性。

2、用嘴呵氣或利用其它加濕手段對傳感器加濕，觀察其靈敏度、重復(fù)性、升濕脫濕性能，以及分辨率，產(chǎn)品的量程等。

3、對產(chǎn)品作開盒和關(guān)盒兩種情況的測試。比較是否一致，觀察其熱效應(yīng)情況。

4、對產(chǎn)品在高溫狀態(tài)和低溫狀態(tài)（根據(jù)說明書標(biāo)準(zhǔn)）進(jìn)行測試，并恢復(fù)到正常狀態(tài)下檢測和實(shí)驗(yàn)前的記錄作比較，考查產(chǎn)品的溫度適應(yīng)性，并觀察產(chǎn)品的一致性情況。

產(chǎn)品的性能最終要依據(jù)質(zhì)檢部門正規(guī)完備的檢測手段。利用飽和鹽溶液作標(biāo)定，也可使用產(chǎn)品作比對檢測，產(chǎn)品還應(yīng)進(jìn)行長期使用過程中的長期標(biāo)定才能較全面地判斷濕度傳感器的質(zhì)量。

分析

國內(nèi)市場上出現(xiàn)了不少國內(nèi)外濕度傳感器產(chǎn)品，電容式濕敏元件較為多見，感濕材料種類主要為高分子聚合物，氯化鋰和金屬氧化物。

電容式濕敏元件的優(yōu)點(diǎn)在于響應(yīng)速度快、體積小、線性度好、較穩(wěn)定，國外有些產(chǎn)品還具備高溫工作性能。但是達(dá)到上述性能的產(chǎn)品多為國外，價(jià)格都較昂貴。市場上出售的一些電容式濕敏元件低價(jià)產(chǎn)品，往往達(dá)不到上述水平，線性度、一致性和重復(fù)性都不甚理想，30[%]RH以下，80[%]RH以上感濕段變形嚴(yán)重。有些產(chǎn)品采用單片機(jī)補(bǔ)償修正，使?jié)穸瘸霈F(xiàn)"階躍"性的跳躍，使精度降低，出現(xiàn)一致性差、線性差的缺點(diǎn)。無論次或低檔次的電容式濕敏元件，長期穩(wěn)定性都不理想，多數(shù)長期使用漂移嚴(yán)重，濕敏電容容值變化為pF級，1[%]RH的變化不足0.5pF，容值的漂移改變往往引起幾十RH[%]的誤差，大多數(shù)電容式濕敏元件不具備40℃以上溫度下工作的性能，往往失效和損壞。

電容式濕敏元件抗腐蝕能力也較欠缺，往往對環(huán)境的潔凈度要求較高，有的產(chǎn)品還存在光照失效、靜電失效等現(xiàn)象，金屬氧化物為陶瓷濕敏電阻，具有濕敏電容相同的優(yōu)點(diǎn)，但塵埃環(huán)境下，陶瓷細(xì)孔被封堵元件就會失效，往往采用通電除塵的方法來處理，但效果不夠理想，且在易燃易爆環(huán)境下不能使用，氧化鋁感濕材料無法克服其表面結(jié)構(gòu)"天然老化"的弱點(diǎn)，阻抗不穩(wěn)定，金屬氧物陶瓷濕敏電阻也同樣存在長期穩(wěn)定性差的弱點(diǎn)。

氯化鋰濕敏電阻，具有最突出的優(yōu)點(diǎn)是長期穩(wěn)定性極強(qiáng)，因此通過嚴(yán)格的工藝制作，制成的儀表和傳感器產(chǎn)品可以達(dá)到較高的精度，穩(wěn)定性強(qiáng)是產(chǎn)品具備良好的線性度、精密度及一致性，是長期使用壽命的可靠保證。氯化鋰濕敏元件的長期穩(wěn)定性其它感濕材料尚無法取代。

應(yīng)用

任何行業(yè)的工作都離不開空氣,而空氣的濕度又與工作、生活、生產(chǎn)有直接聯(lián)系,使?jié)穸鹊谋O(jiān)測與控制越來越顯得重要。濕度傳感器的應(yīng)用主要有如下幾個(gè)方面:拉繩傳感器

(1)溫室養(yǎng)殖現(xiàn)代農(nóng)林畜牧各產(chǎn)業(yè)都有相當(dāng)數(shù)量的溫室，溫室的濕度控制與溫度控制同樣重要，把濕度控制在農(nóng)作物、樹木、畜禽等生長適宜的范圍,是減少病蟲害、提高產(chǎn)量的條件之一。

(2)氣候監(jiān)測天氣測量和預(yù)報(bào)對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事及人民生活和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等方面都有重要意義,因而濕度傳感器是必不可少的測濕設(shè)備,如樹脂膨散式濕度傳感器已用于氣象氣球測濕儀器上。稱重傳感器

(3)精密儀器的使用保護(hù)　許多精密儀器、設(shè)備對工作環(huán)境要求較高。環(huán)境濕度必須控制在一定范圍內(nèi),以保證它們的正常工作,提高工作效率及可靠性。如電話程控交換機(jī)工作濕度在55[%]±10[%]較好。溫度過高會影響絕緣性能,過低易產(chǎn)生靜電,影響正常工作。位移傳感器

(4)物品儲藏　各種物品對環(huán)境均有一定的適應(yīng)性。濕度過高過低均會使物品喪失原有性能。如在高濕度地區(qū)，電子產(chǎn)品在倉庫的損害嚴(yán)重，非金屬零件會發(fā)霉變質(zhì)，金屬零件會腐蝕生銹。

(5)工業(yè)生產(chǎn)　在紡織、電子、精密機(jī)器、陶瓷工業(yè)等部門,空氣濕度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量,必須有效地進(jìn)行監(jiān)測調(diào)控。壓力傳感器