濕度傳感器調(diào)研報(bào)告

目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、濕度傳感器原理 2\o"CurrentDocument"1、氯化鋰濕度傳感器 2\o"CurrentDocument"2、碳濕敏元件 2\o"CurrentDocument"3、氧化鋁濕度計(jì) 3\o"CurrentDocument"4、陶瓷濕度傳感器 3\o"CurrentDocument"二、濕度及其表示方法 3\o"CurrentDocument"1、絕對(duì)濕度 3\o"CurrentDocument"2、相對(duì)濕度 4\o"CurrentDocument"三、濕度傳感器的性能特點(diǎn)及產(chǎn)品分類 4\o"CurrentDocument"四、濕度傳感器典型產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo) 25\o"CurrentDocument"五、各類濕度傳感器特性曲線 6\o"CurrentDocument"六、濕度傳感器的選型 7\o"CurrentDocument"1、精度和長期穩(wěn)定性 .7\o"CurrentDocument"2、濕度傳感器的溫度系數(shù) 7\o"CurrentDocument"3、濕度傳感器的供電 7\o"CurrentDocument"4、互換性 7\o"CurrentDocument"七、應(yīng)用場(chǎng)景 8\o"CurrentDocument"1、濕度開關(guān) 8\o"CurrentDocument"2、智能濕度測(cè)量儀 .8\o"CurrentDocument"八、濕度傳感器的展望 9濕度傳感器調(diào)研報(bào)告一、濕度傳感器原理濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類。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(dāng)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(cè)量濕度。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、酪酸醋酸纖維等。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)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(duì)濕度成正比。電子式濕敏傳感器的準(zhǔn)確度可達(dá)2-3%RH，這比干濕球測(cè)濕精度高。濕敏元件的線性度及抗污染性差，在檢測(cè)環(huán)境濕度時(shí)，濕敏元件要長期暴露在待測(cè)環(huán)境中，很容易被污染而影響其測(cè)量精度及長期穩(wěn)定性。這方面沒有干濕球測(cè)濕方法好。下面對(duì)各種濕度傳感器進(jìn)行簡單的介紹。1、氯化鋰濕度傳感器（1）電阻式氯化鋰濕度計(jì)第一個(gè)基于電阻-濕度特性原理的氯化鋰電濕敏元件是美國標(biāo)準(zhǔn)局的F.W.Dunmore研制出來的。這種元件具有較高的精度，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)廉，適用于常溫常濕的測(cè)控等一系列優(yōu)點(diǎn)。氯化鋰元件的測(cè)量范圍與濕敏層的氯化鋰濃度及其它成分有關(guān)。單個(gè)元件的有效感濕范圍一般在20%RH以內(nèi)。例如0.05%的濃度對(duì)應(yīng)的感濕范圍約為（80?100）%RH,0.2%的濃度對(duì)應(yīng)范圍是（60?80）%RH等。由此可見，要測(cè)量較寬的濕度范圍時(shí)，必須把不同濃度的元件組合在一起使用?？捎糜谌砍虦y(cè)量的濕度計(jì)組合的元件數(shù)一般為5個(gè)，采用元件組合法的氯化鋰濕度計(jì)可測(cè)范圍通常為（15?100）%RH,國外有些產(chǎn)品聲稱其測(cè)量范圍可達(dá)（2?100）%RH。（2）露點(diǎn)式氯化鋰濕度計(jì)露點(diǎn)式氯化鋰濕度計(jì)是由美國的Forboro公司首先研制出來的，其后我國和許多國家都做了大量的研究工作。這種濕度計(jì)和上述電阻式氯化鋰濕度計(jì)形式相似，但工作原理卻完全不同。簡而言之，它是利用氯化鋰飽和水溶液的飽和水汽壓隨溫度變化而進(jìn)行工作的。2、碳濕敏元件碳濕敏元件是美國的E.K.Carver和C.W.Breasefield于1942年首先提出來的，與常用的毛發(fā)、腸衣和氯化鋰等探空元件相比，碳濕敏元件具有響應(yīng)速度快、重復(fù)性好、無沖蝕效應(yīng)和滯后環(huán)窄等優(yōu)點(diǎn)，因之令人矚目。我國氣象部門于70年代初開展碳濕敏元件的研制，并取得了積極的成果，其測(cè)量不確定度不超過±5%RH，時(shí)間常數(shù)在正溫時(shí)為2?3s,滯差一般在7%左右，比阻穩(wěn)定性亦較好。3、氧化鋁濕度計(jì)氧化鋁傳感器的突出優(yōu)點(diǎn)是，體積可以非常?。ɡ缬糜谔娇諆x的濕敏元件僅9011m厚、12mg重），靈敏度高（測(cè)量下限達(dá)-110℃露點(diǎn)），響應(yīng)速度快（一般在0.3s至U3s之間），測(cè)量信號(hào)直接以電參量的形式輸出，大大簡化了數(shù)據(jù)處理程序，等等。另外，它還適用于測(cè)量液體中的水分。如上特點(diǎn)正是工業(yè)和氣象中的某些測(cè)量領(lǐng)域所希望的。因此它被認(rèn)為是進(jìn)行高空大氣探測(cè)可供選擇的幾種合乎要求的傳感器之一。也正是因?yàn)檫@些特點(diǎn)使人們對(duì)這種方法產(chǎn)生濃厚的興趣。然而，遺憾的是盡管許多國家的專業(yè)人員為改進(jìn)傳感器的性能進(jìn)行了不懈的努力，但是在探索生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品的工藝條件，以及提高性能穩(wěn)定性等與實(shí)用有關(guān)的重要問題.上始終未能取得重大的突破。因此，到目前為止，傳感器通常只能在特定的條件和有限的范圍內(nèi)使用。近年來，這種方法在工業(yè)中的低霜點(diǎn)測(cè)量方面開始嶄露頭角。4、陶瓷濕度傳感器在濕度測(cè)量領(lǐng)域中，對(duì)于低濕和高濕及其在低溫和高溫條件下的測(cè)量，到目前為止仍然是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，而其中又以高溫條件下的濕度測(cè)量技術(shù)最為落后。以往，通風(fēng)干濕球濕度計(jì)幾乎是在這個(gè)溫度條件下可以使用的唯一方法，而該法在實(shí)際使用中亦存在種種問題，無法令人滿意。另一方面，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展，要求在高溫下測(cè)量濕度的場(chǎng)合越來越多，例如水泥、金屬冶煉、食品加工等涉及工藝條件和質(zhì)量控制的許多工業(yè)過程的濕度測(cè)量與控制。因此，自60年代起，許多國家開始競(jìng)相研制適用于高溫條件下進(jìn)行測(cè)量的濕度傳感器。考慮到傳感器的使用條件，人們很自然地把探索方向著眼于既具有吸水性又能耐高溫的某些無機(jī)物上。實(shí)踐已經(jīng)證明，陶瓷元件不僅具有濕敏特性，而且還可以作為感溫元件和氣敏元件。這些特性使它極有可能成為一種有發(fā)展前途的多功能傳感器。寺日、福島、新田等人在這方面已經(jīng)邁出了頗為成功的一步。他們于1980年研制成稱之為“濕瓷-11型”和“濕瓷-111型”的多功能傳感器。前者可測(cè)控溫度和濕度，主要用于空調(diào)，后者可用來測(cè)量濕度和諸如酒精等多種有機(jī)蒸氣，主要用于食品加工方面。二、濕度及其表示方法在自然界中，凡是有水和生物的地方，在其周圍的大氣里總是含有或多或少的水汽。大氣中含有水汽的多少，表示大氣的干、濕程度，用濕度來表示，也就是說，濕度是表示大氣干濕程度的物理量。大氣濕度有兩種表示方法：絕對(duì)濕度與相對(duì)濕度。1、絕對(duì)濕度P=-~~V絕對(duì)濕度表示單位體積空氣里所含水汽的質(zhì)量，其表達(dá)式為 匕―式中：P—被測(cè)空氣的絕對(duì)濕度MV一被測(cè)空氣中水汽的質(zhì)量V—被測(cè)空氣的體積2、相對(duì)濕度相對(duì)濕度是氣體的絕對(duì)濕度(pV)與在同一溫度下，水蒸汽已達(dá)到飽和的氣體的絕對(duì)濕度(pW)之比，常表示為％RH.其表達(dá)式為相對(duì)濕度=(pV/pW)x100%RH根據(jù)道爾頓分壓定律，空氣中壓強(qiáng)P=Pa十PV(Pa為干空氣分壓，PV為濕空氣氣壓)和理想狀態(tài)方程，通過變換.又可將相對(duì)濕度用分壓表示：相對(duì)濕度=(PV/PW)x100%RH；式中：PV一待測(cè)氣體的水汽分壓；Pw一同一溫度下水蒸汽的飽和水汽壓。三、濕度傳感器的性能特點(diǎn)及產(chǎn)品分類目前，國外生產(chǎn)集成濕度傳感器的主要廠家及典型產(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型：線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(nèi)置放大電路，能輸出與相對(duì)濕度呈比例關(guān)系的伏特級(jí)電壓信號(hào)，響應(yīng)速度快，重復(fù)性好，抗污染能力強(qiáng)。線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(jié)構(gòu)，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(dāng)上對(duì)濕度從10%變化到95%時(shí)，輸出頻率就從9560Hz減小到8030Hz。這種傳感器具有線性度好、抗干擾能力強(qiáng)、便于配數(shù)字電路或單片機(jī)、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。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(hào)輸出端，利用負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻作為溫度傳感器。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，其電阻值也相應(yīng)改變并且從NTC端引出，配上二次儀表即可測(cè)量出溫度值。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型智能化濕度/溫度傳感器，其外形尺寸僅為7.6(mm)x5(mm)x2.5(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(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)被編成相應(yīng)的程序存入校準(zhǔn)存儲(chǔ)器中，在測(cè)量過程中可對(duì)相對(duì)濕度進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)。它們不僅能準(zhǔn)確測(cè)量相對(duì)溫度，還能測(cè)量溫度和露點(diǎn)。測(cè)量相對(duì)溫度的范圍是0?100%,分辨力達(dá)0.03%RH,最高精度為±2%RH。測(cè)量溫度的范圍是-40℃?+123.8℃,分辨力為0.01℃。測(cè)量露點(diǎn)的精度＜±1℃。在測(cè)量濕度、溫度時(shí)A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)分別可達(dá)12位、14位。利用降低分辨力的方法可以提高測(cè)量速率，減小芯片的功耗。SHT11/15的產(chǎn)品互換性好，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，不需要外部元件，適配各種單片機(jī)，可廣泛用于醫(yī)療設(shè)備及溫度/濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。芯片內(nèi)部包含相對(duì)濕度傳感器、溫度傳感器、放大器、14位A/D轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)存儲(chǔ)器(E2PROM)、易失存儲(chǔ)器(RAM)是、狀態(tài)寄存器、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)寄存器、二線串行接口、控制單元、加熱器及低電壓檢測(cè)電路。其測(cè)量原理是首先利用兩只傳感器分別產(chǎn)生相對(duì)濕度、溫度的信號(hào)，然后經(jīng)過放大，分別送至A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)和糾錯(cuò)，最后通過二線串行接口將相對(duì)濕度及溫度的數(shù)據(jù)送至|1C。鑒于SHT11/15輸出的相對(duì)濕度讀數(shù)值與被測(cè)相對(duì)濕度呈非線性關(guān)系，為獲得相對(duì)濕度的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，必須利用|1C對(duì)讀數(shù)值進(jìn)行非線性補(bǔ)償。此外當(dāng)環(huán)境溫度TA，+25℃時(shí)，還需要對(duì)相對(duì)濕度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。芯片內(nèi)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(xiàn)以下三種功能：①通過比較加熱前后測(cè)出的相對(duì)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(cè)量露點(diǎn)時(shí)也需要使用加熱器。露點(diǎn)也是濕度測(cè)量中的一個(gè)重要參數(shù)，它表示在水汽冷卻過程中最初發(fā)生結(jié)露的溫度。為了計(jì)算露點(diǎn)，Sensirion公司還向用戶提供一個(gè)測(cè)量露點(diǎn)的程序“SHTxdp.bsx”。利用該程序可以控制內(nèi)部加熱器的通、斷，再根據(jù)所測(cè)得的溫度值及相對(duì)濕度值計(jì)算出露點(diǎn)。在命令響應(yīng)界面上運(yùn)行此程序時(shí)，計(jì)算機(jī)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(yīng)的數(shù)字，即可獲得下述結(jié)果：輸入數(shù)字“1”時(shí)，測(cè)量并顯示出攝氏溫度dgC=xx.x；輸入數(shù)字“2”時(shí)，測(cè)量并顯示出相對(duì)濕度％RH=xx.x；輸入數(shù)字“3”時(shí)，打開加熱器，使傳感器溫度升高5℃；輸入數(shù)字“4”時(shí)，關(guān)閉加熱器，使傳感器降溫；輸入數(shù)字“5”時(shí)，顯示露點(diǎn)溫度dpC=xx.x。四、濕度傳感器典型產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)濕度傳感器的測(cè)量范圍一般可達(dá)到0?100%。但有的廠家為保證精度指標(biāo)而將測(cè)量范圍限制為10%?95%。設(shè)計(jì)+3.3V低壓供電的濕度/溫度測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，可選用SHT11、SHT15傳感器。這種傳感器在測(cè)量階段的工作電流為550gA,平均工作電流為2811A（12位）或211A（8位）。上電時(shí)默認(rèn)為休眠模式（SleepMode）,電源電流僅為0.31A（典型值）。測(cè)量完畢只要沒有新的命令，就自動(dòng)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(cè)功能。當(dāng)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(hù)作用。五、各類濕度傳感器特性曲線J2d4C00HJ1MJR而iwHumid州愕RH)1Q11■口'2G 10(相對(duì)逗戌/好二氧化鈦-五氧化二帆濕敏器件的感濕特性曲線PI電容式濕度傳感器濕度特性圖54oQ-L1LwfflJ2d4C00HJ1MJR而iwHumid州愕RH)1Q11■口'2G 10(相對(duì)逗戌/好二氧化鈦-五氧化二帆濕敏器件的感濕特性曲線PI電容式濕度傳感器濕度特性圖54oQ-L1Lwffl舞RH/S-SMgCr2O4—TiO2濕敏元件的溫度特性□)國啊250-d即心團(tuán)隨mR眠皿Humidity怖卅聚酰亞胺濕度傳感器濕度特性圖羥乙基纖維素碳濕敏感元件的感濕特性曲線六、濕度傳感器的選型國內(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)格比最優(yōu)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)到土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(cè)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(huì)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(duì)環(huán)境濕度敏感外，對(duì)溫度亦十分敏感，其溫度系數(shù)一般在）.2?0.8%RH/℃范圍內(nèi)，而且有的濕敏元件在不同的相對(duì)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，只有采用硬件溫度踉隨性補(bǔ)償才會(huì)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(huì)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(hào)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，（最好在濕度環(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(cè)量其溫度。

七、應(yīng)用場(chǎng)景1、濕度開關(guān)+5VOUTOUT七、應(yīng)用場(chǎng)景1、濕度開關(guān)+5VOUTOUT輸出高低可曳接接GND單片機(jī)濕敏傳感器通敏度調(diào)節(jié)VCC VCCVCC,I R3 丁膽_1|[RI I nTKLED1_10K 9"一 °° VCCJP1簡要說明：一、尺寸：32mmX11mmX20mm長X寬X高二、主要芯片：LM393、JX-359-043三、工作電壓：直流4-6伏四、特點(diǎn)：1、具有信號(hào)輸出指示。2、單路信號(hào)輸出。3、輸出有效信號(hào)為低電平。4、靈敏度可調(diào)(精調(diào))。5、用于檢測(cè)濕度的場(chǎng)合輸出開關(guān)量2、智能濕度測(cè)量儀由HM1500/1520型濕度傳感器和單片機(jī)構(gòu)成的智能濕度測(cè)量儀電路如圖所示。該儀表采用+5V電源，配4只共陰極LED數(shù)碼管。電路中共使用了3片IC：IC1為HM1500/1520型濕度傳感器，IC2是由美國微芯片(Microchip)公司生產(chǎn)的帶10位ADC的單片機(jī)PIC16F874,IC3為7達(dá)林頓反相驅(qū)動(dòng)器陣列MC1413。PIC16F874是一種高性價(jià)比的8位單

片機(jī)，內(nèi)含8路逐次逼近式10位A/D轉(zhuǎn)換器，最多可對(duì)8路濕度信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，現(xiàn)僅用其中一路。JT為4MHz石英晶體，配上振蕩器電容C1、C2之后可為單片機(jī)提供4MHz時(shí)鐘頻率。PIC16F874的電源電壓范圍較寬(+2.5?+5V),適合低壓供電，靜態(tài)電流小于2mA。RA口(RA0?RA7)為