2.4常用濕度傳感器2.4.1濕度的定義2.4.2濕度傳感器2.4.3濕度傳感器檢測應(yīng)用2.4常用濕度傳感器2.4常用濕度傳感器濕度是與溫度密切相關(guān)的一個(gè)物理量，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研、航天等部門，經(jīng)常需要對環(huán)境濕度進(jìn)行測量及控制。例如，農(nóng)業(yè)大棚種植和家禽孵化養(yǎng)殖必須嚴(yán)格控制溫度和濕度；煙草行業(yè)、食品加工行業(yè)的生產(chǎn)也有嚴(yán)格的溫度和濕度環(huán)境要求；電子產(chǎn)品生產(chǎn)線為了防止靜電危害也必須控制生產(chǎn)環(huán)境濕度。對濕度信息的檢測需要用濕度傳感器來獲取。

2.4.1濕度的定義空氣是含有水蒸氣的混合氣體，空氣中水蒸氣的含量稱為濕度。它是表示大氣干燥程度的物理量。常用的濕度表示法有絕對濕度和相對濕度。1.絕對濕度絕對濕度（AbsoluteHumidity）是指在一定溫度和壓力條件下，單位體積內(nèi)混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量。絕對濕度給出了水分在空間的具體含量，常用AH表示，其定義為：式中，mV

為待測空氣中水蒸氣的質(zhì)量；V為待測空氣的總體積；AH為待測空氣的絕對濕度，單位為g／m3（克／立方米）。2.4.1濕度的定義2.相對濕度相對濕度（RelativeHumidity）是指被測混合氣體中的水蒸氣氣壓和該混合氣體在相同溫度下飽和水蒸氣氣壓的百分比。相對濕度給出大氣的潮濕程度，它是一個(gè)無量綱的值，常用RH表示，其表達(dá)式為：式中，PV

為溫度T時(shí)混合氣體中的水蒸氣分壓，PW

為被測空氣在相同溫度T

下的飽和水蒸氣氣壓。2.4.2濕度傳感器濕度傳感器是由濕度敏感元件和轉(zhuǎn)換、處理電路組成，能感受外界的濕度變化，并通過器件材料的物理或化學(xué)性質(zhì)變化將環(huán)境濕度變換為電信號的裝置。通常要求濕度敏感元件在各種氣體環(huán)境下穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、壽命長、有互換性、耐污染、受溫度影響小等特性。濕度敏感元件是基于其功能材料能發(fā)生與濕度有關(guān)的物理效應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)上制造的，這些功能可以通過與濕度有關(guān)的電阻或電容的變化、長度或體積的脹縮、以及結(jié)型器件或MOS器件的某些電參數(shù)的變化等而得以實(shí)現(xiàn)。2.4.2濕度傳感器1.濕度傳感器分類根據(jù)濕度的定義，可理解為空氣中水分子的含量，濕度檢測即是檢測空氣中的水分子。因此，濕度傳感器的分類可按與水分子的親和力分為：水分子親和力型和非水分子親和力型。2.4.2濕度傳感器1.濕度傳感器分類在現(xiàn)代工業(yè)中常用的濕度傳感器大多是水分子親和力型，它們將濕度信號轉(zhuǎn)化為阻抗或電容的變化，通過轉(zhuǎn)換、處理電路輸出為電流、電壓或直接為與濕度對應(yīng)的數(shù)字信號。目前濕度傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展。有機(jī)高分子材料具有很好的水分子親和力，可用其制成濕度敏感元件。當(dāng)其為電容式濕度傳感器時(shí)，高分子材料吸濕后介電常數(shù)明顯改變；當(dāng)其為電阻式濕度傳感器，高分子材料吸濕后電阻明顯變化，從而實(shí)現(xiàn)對濕度信號的檢測。2.4.2濕度傳感器2.電容式濕度傳感器

電容式濕度傳感器一般是用高分子薄膜電容制成，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(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(yīng)速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實(shí)現(xiàn)小型化和集成化，其精度一般比濕敏電阻要低一些。生產(chǎn)濕敏電容的主廠家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。

2.4.2濕度傳感器右圖中的圓形濕度傳感器是法國Humirel公司生產(chǎn)的SH1101型濕敏電容傳感器，是基于獨(dú)特工藝設(shè)計(jì)的電容元件，擁有專利的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是抗靜電、防灰塵、有效抵抗各種腐蝕性氣體、極好的線性輸出；溫度影響小，常溫使用無需溫度補(bǔ)償；響應(yīng)時(shí)間為5S，浸水或結(jié)露后10S迅速恢復(fù)；長期穩(wěn)定性及可靠性高，年漂移量0.5%RH；測量范圍是1%～99%RH；當(dāng)相對濕度從0變化到100%時(shí)，電容量的變化范圍是163pF～202pF，溫度系數(shù)為0.04pF/℃，濕度滯后量為±1.5%；可廣泛應(yīng)用于溫濕度儀表、孵化機(jī)、家電、OA設(shè)備以及各種需要測量相對濕度的場合。2.4.2濕度傳感器高分子薄膜電介質(zhì)電容式濕度傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，其上部為多孔質(zhì)的金電極，可使水分子透過，當(dāng)水分子被高分子薄膜吸附時(shí)，介電常數(shù)發(fā)生變化。隨著環(huán)境濕度的提高，高分子薄膜吸附的水分子增多，因而濕度傳感器的電容量增加，根據(jù)電容量的變化可測得相對濕度。2.4.2濕度傳感器左圖是某型號高分子薄膜電容式濕度傳感器的電容—濕度特性的曲線圖，其電容隨著環(huán)境溫度的增加而增加，基本上呈線性關(guān)系。當(dāng)測試頻率為l.5MHz左右時(shí)，其輸出特性有良好的線性度。對其它測試頻率，如1kHz、10kHz，盡管傳感器的電容量變化很大，但線性度欠佳。使用時(shí)可外接轉(zhuǎn)換電路，使電容—濕度特性趨于理想直線。

2.4.2濕度傳感器3.電阻式濕度傳感器電阻式濕度傳感器是在基片上覆蓋一層用高分子感濕材料制成的膜，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，利用這一特性即可實(shí)現(xiàn)濕度的測量。濕敏電阻的種類很多，例如金屬氧化物濕敏電阻、硅濕敏電阻、陶瓷濕敏電阻、碳膜濕敏電阻等。濕敏電阻的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，缺點(diǎn)是線性度和產(chǎn)品的互換性較差。

2.4.2濕度傳感器3.電阻式濕度傳感器以聚苯乙烯磺酸鋰濕度傳感器為例，其電阻—濕度特性曲線如圖所示，當(dāng)環(huán)境濕度變化時(shí)，傳感器在吸濕和脫濕兩種情況下有互不重合的感濕特性曲線。在整個(gè)濕度范圍內(nèi)，其阻值與相對濕度的關(guān)系在單對數(shù)坐標(biāo)紙上近似為一直線。吸濕和脫濕時(shí)濕度指示的最大誤差值為（3～4）％RH。2.4.2濕度傳感器3.電阻式濕度傳感器聚苯乙烯磺酸鋰的電導(dǎo)率隨溫度的變化較為明顯，具有負(fù)溫度系數(shù)。在0～55℃時(shí)，溫度系數(shù)為-0.6％～-1.0％RH／℃。

聚苯乙烯磺酸鋰濕度傳感器的升濕響應(yīng)時(shí)間比較快，降濕響應(yīng)時(shí)間比較慢，響應(yīng)時(shí)間在一分鐘之內(nèi)。濕滯比較小，在1％～2％RH之間。這種濕度傳感器具有良好的穩(wěn)定性。存儲一年后，其最大變化不超過2％RH，完全可以滿足器件穩(wěn)定性的要求。2.4.2濕度傳感器4.集成濕度傳感器將經(jīng)典的電阻式（或電容式）濕度傳感器與后續(xù)的放大電路、信號處理電路等，用集成電路工藝技術(shù)制作在同一芯片上就構(gòu)成了集成濕度傳感器。國外生產(chǎn)集成濕度傳感器的主要廠家及典型產(chǎn)品分別為美國Honeywell公司（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型），法國Humirel公司（HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型），瑞士Sensiron公司（SHT11、SHT15型）。這些產(chǎn)品可分成以下三種類型：2.4.2濕度傳感器4.集成濕度傳感器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5VDC恒壓供電，內(nèi)置放大電路，能輸出與相對濕度呈比例關(guān)系的0.8～3.9VDC線性電壓輸出信號，功耗低、響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性、重復(fù)性好，低溫飄，抗化學(xué)腐蝕性能強(qiáng)。廣泛應(yīng)用于氣象站、環(huán)境測試、蒸汽泄露探測、儀表測試設(shè)備、濕度調(diào)節(jié)器、OA設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等。2.4.2濕度傳感器4.集成濕度傳感器線性頻率輸出集成濕度傳感器

典型產(chǎn)品為利用濕敏電容傳感器HS1101制作的濕度傳感器模塊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)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)。2.4.2濕度傳感器

4.集成濕度傳感器頻率／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(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量出溫度值。

2.4.2濕度傳感器4.集成濕度傳感器2002年瑞士Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT11、SHT15型智能化溫度／濕度傳感器，芯片內(nèi)部包含相對濕度傳感器、溫度傳感器、放大器、14位A/D轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)存儲器（E2PROM）、易失存儲器（RAM）、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電路。2.4.2濕度傳感器4.集成濕度傳感器出廠前，每只傳感器都在濕度室中做過精密標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)被編成相應(yīng)的程序存入校準(zhǔn)存儲器中，在測量過程中可對相對濕度進(jìn)行自動校準(zhǔn)。測量相對濕度的范圍是0～100%，分辨力達(dá)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℃。在測量濕度、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量速率，減小芯片的功耗。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。2.4.3濕度傳感器的檢測應(yīng)用1.食用油水分檢測儀2.4.3濕度傳感器的檢測應(yīng)用1.食用油水分檢測儀食用油在生產(chǎn)、倉儲和銷售過程中，都需要進(jìn)行油品安全檢查，以防油品變質(zhì)，特別是要防止劣質(zhì)食用油進(jìn)入銷售環(huán)節(jié)，引發(fā)群體食物中毒事故。其中一個(gè)重要的項(xiàng)目就是食用油水分檢查，利用水分檢查儀能定性地檢查出糧油中水分的相對含量是否符合標(biāo)準(zhǔn)。純凈的食用油是不含水分、利用濕敏電阻作為傳感器可制成水分檢測器，用不同的音頻來定性判斷水分含量的多少。2.4.3濕度傳感器的檢測應(yīng)用1.食用油水分檢測儀水分檢查儀電路由555時(shí)基電路及RX、R5和C1構(gòu)成振蕩器，振蕩頻率為：其中，RX為濕敏電阻。當(dāng)水分含量很低時(shí)，RX阻值高，振蕩頻率很低（Hz）；當(dāng)水分含量高時(shí)，RX阻值變小，振蕩頻率升高。當(dāng)RX在2M左右時(shí)，振蕩頻率在幾十赫茲左右，接通電源后喇叭里發(fā)出“噠噠”聲響，指示燈LED發(fā)出閃爍的紅光，表示食用油含有水分；利用標(biāo)準(zhǔn)電阻R2、R3、R4組成測試電路的標(biāo)定電阻，參與電路振蕩，可分別獲得3個(gè)不同頻率的音頻輸出，分別對應(yīng)3個(gè)等級的定性水分含量。斷開標(biāo)定電阻，比較RX的振蕩輸出音頻，從而判別食用油中水分的含量等級。

2.4.3濕度傳感器的檢測應(yīng)用2.濕度檢測控制器在農(nóng)業(yè)大棚種植和家禽孵化養(yǎng)殖中必須嚴(yán)格控制空氣的溫度和濕度，以提高產(chǎn)量、家禽幼雛的成活率和出欄率，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)增長。為此，需要進(jìn)行溫度和濕度的自動監(jiān)測和調(diào)節(jié)控制，濕度檢測控制電路，既能檢測濕度又能對濕度起到一定的控制作用。2.4.3濕度傳感器的檢測應(yīng)用2.濕度檢測控制器電路中，RS是濕敏電阻，其阻值隨濕度變化而變化。在環(huán)境濕度為70%RH時(shí)，電阻值為40kΩ左右，當(dāng)濕度增加時(shí)電阻減小。顯然，環(huán)境濕度越高，RS的阻值越小，流過微安表的電流就越大，這樣通過微安表的讀數(shù)可以較直觀地指示周圍環(huán)境的濕度值。2.4.3濕度傳感器的檢測應(yīng)用2.濕度檢測控制器運(yùn)放LM324接成電壓比較器的形式，濕度較低時(shí)，通過R4的電流較小，運(yùn)放的反相輸入端電壓就低，它的電壓絕對值低于加在同相端的電壓值（此值由RP2調(diào)整），運(yùn)放輸出為高電位（12V左右），繼電器線圈J導(dǎo)通。繼電器吸合，其常開接點(diǎn)閉合，電爐通電加熱水溫，產(chǎn)生水蒸氣蒸發(fā)，提高內(nèi)部環(huán)境濕度；當(dāng)濕度到達(dá)一定值時(shí)，運(yùn)放輸出為低電位，繼電器斷開，電爐停止加熱，停止水蒸氣蒸發(fā)。由此達(dá)到控制濕度的目的。觀察與思考

空調(diào)與濕度調(diào)節(jié)當(dāng)環(huán)境濕度為49％～5l％RH時(shí)人會感覺比較舒適。在炎熱的夏季，空調(diào)無疑給人們帶來了涼爽的環(huán)境，但是如果較長時(shí)間呆在空調(diào)環(huán)境里人為什么會感覺干燥不舒服？這是因?yàn)楫?dāng)空調(diào)制冷運(yùn)行時(shí)，制冷使房間里的溫度降低，使空氣中的水蒸汽變成了冷凝水，大量的水蒸汽冷凝會引起濕度下降，空氣干燥，給人體感帶來不適。在濕度過