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濕度傳感器原理及應(yīng)用

發(fā)布時間: 2011-09-20  點擊次數(shù): 4953次

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(dāng)今的信息時代,傳感器技術(shù)與計算機技術(shù)、自動控制拄術(shù)緊密結(jié)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(dāng)然,對不需要搞測控系統(tǒng)的應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域?qū)穸葌鞲衅魇褂脺囟取穸鹊牟煌?,供使用者參考(見?)。用戶根據(jù)需要向傳感器生產(chǎn)廠提出測量范圍,生產(chǎn)廠優(yōu)先保證用戶在使用范圍內(nèi)傳感器的性能穩(wěn)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zui重要的指標(biāo)。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(dá)到不同的精度,其制造成本相差很大,售價也相差甚遠(yuǎn)。例如進(jìn)口的1只廉價的濕度傳感器只有幾美元,而1只供標(biāo)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(chǎn)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。*,相對濕度是溫度的函數(shù),溫度嚴(yán)重地影響著空間內(nèi)的相對濕度。溫度每變化0.1℃。將產(chǎn)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(yīng)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(shù)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。對于要求控制恒溫、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(yīng)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(zhǔn)傳感器的標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器也難以做到,更何況傳感器自身了。國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心濕度室的文章認(rèn)為:“相對濕度測量儀表,即使在20—25℃下,要達(dá)到2%RH的準(zhǔn)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(wěn)定性和壽命是有限的。一般情況下,生產(chǎn)廠商會標(biāo)明1次標(biāo)定的有效使用時間為1年或2年,到期負(fù)責(zé)重新標(biāo)定。請使用者在選擇傳感器時考慮好日后重新標(biāo)定的渠道,不要貪圖便宜或迷信洋貨而忽略了售后服務(wù)問屬。
  
  溫漂在上1節(jié)已經(jīng)提到。選擇濕度傳感器要考慮應(yīng)用場合的溫度變化范圍,看所選傳感器在溫度下能否正常工作,溫漂是否超出設(shè)計指標(biāo)。要提醒使用者注意的是:電容式濕度傳感器的溫度系數(shù)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(shù)隨溫度的改變是不同步的,而溫度系數(shù)α又主要取決于水和感濕材料的介電系數(shù),所以電容式濕敏元件的溫度系數(shù)并非常數(shù)。電容式濕度傳感器在常溫、中濕段的溫度系數(shù)zui小,5-25℃時,中低濕段的溫漂可忽略不計。但在高溫高濕區(qū)或負(fù)溫高濕區(qū)使用時,就一定要考慮溫漂的影響,進(jìn)行必要的補償或訂正。
  
  領(lǐng)域部門溫度(℃)溫度(%RH)
  
  紡織紡紗廠2360
  
  織布廠1885
  
  醫(yī)藥制藥廠10~3050~60
  
  手術(shù)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(dǎo)體2230~45
  
  計算機房20~3040~70
  
  通訊電纜充氣-10~300~20
  
  食品啤酒發(fā)酵4~850~70
  
  農(nóng)業(yè)良種培育15~4040~75
  
  人工大棚5~4040~100
  
  倉儲水果冷凍-3~580~90
  
  地下菜窖-3~-170~80
  
  文物保管16~1850~55
  
  注:在不同領(lǐng)域的使用范圍(%RH/℃)
  
  4.與傳統(tǒng)測濕方法的關(guān)系
  
  早在18世紀(jì)人類就發(fā)明了干濕球和毛發(fā)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(fā)展起來的。新舊事物的交替與人們的觀念轉(zhuǎn)變很有關(guān)系。由于干濕球、毛發(fā)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(rèn)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(tǒng)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(zhǔn)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(fā)現(xiàn)示值不同,馬上認(rèn)為濕度傳感器不準(zhǔn)。須知干濕球的準(zhǔn)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(fēng)狀態(tài):只有紗布水套、水質(zhì)、風(fēng)速都滿足一定要求時,才能達(dá)到規(guī)定的準(zhǔn)確度。濕度傳感器生產(chǎn)廠在產(chǎn)品出廠前都要采用標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器來逐支標(biāo)定,zui常用分流式標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器來進(jìn)行標(biāo)定。所以希望用戶在需要校準(zhǔn)時也采用相同的方法,避免用準(zhǔn)確度低的器具去校準(zhǔn)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(hù)測量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性,應(yīng)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(huán)境中使用。為正確反映欲測空間的濕度,還應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jìn)行遠(yuǎn)距離信號傳輸時,要注意信號的衰減問題。當(dāng)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(jìn)口或國產(chǎn)的傳感器都需逐支調(diào)試標(biāo)定。大多數(shù)在更換濕敏元件后需要重新調(diào)試標(biāo)定,對于測量精度比較高的濕度傳感器尤其重要。
  
  濕度傳感器的發(fā)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(chǎn)品分類,zui后給出集成濕度傳感器典型產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)。
  
  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。但在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中,濕度是zui難準(zhǔn)確測量的一個參數(shù)。用干濕球濕度計或毛發(fā)濕度計來測量濕度的方法,早已無法滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需要。這是因為測量濕度要比測量溫度復(fù)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(biāo)準(zhǔn)也是一個難題。國外生產(chǎn)的濕度標(biāo)定設(shè)備價格十分昂貴。
  
  近年來,國內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長足進(jìn)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(shù)檢測的方向迅速發(fā)展,為開發(fā)新一代濕度/溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件,也將濕度測量技術(shù)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(dāng)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(fā)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(yōu)點是靈敏度高,主要缺點是線性度和產(chǎn)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(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時,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、容易實現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)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(dāng)相對濕度從0變化到*時,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%,響應(yīng)時間為5s。
  
  除電阻式、電容式濕敏元件之外,還有電解質(zhì)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(huán)境濕度時,濕敏元件要長期暴露在待測環(huán)境中,很容易被污染而影響其測量精度及長期穩(wěn)定性。
  
  2集成濕度傳感器的性能特點及產(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:
  
  2.1線性電壓輸出式集成濕度傳感器
  
  典型產(chǎn)品有HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特點是采用恒壓供電,內(nèi)置放大電路,能輸出與相對濕度呈比例關(guān)系的伏特級電壓信號,響應(yīng)速度快,重復(fù)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(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時的輸出頻率為8750Hz(型值),當(dāng)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(shù)字電路或單片機、價格低等優(yōu)點。
  
  2.3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,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。
  
  3單片智能化溫度/溫度傳感器
  
  2002年Sensiron公司在世界上研制成功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(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)。它們不僅能準(zhǔn)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~*,分辨力達(dá)0.03%RH,zui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(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。SHT11/15的產(chǎn)品互換性好,響應(yīng)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(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)是、狀態(tài)寄存器、循環(huán)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(chǎn)生相對濕度、溫度的信號,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,zui后通過二線串行接口將相對濕度及溫度的數(shù)據(jù)送至μC。鑒于SHT11/15輸出的相對濕度讀數(shù)值與被測相對濕度呈非線性關(guān)系,為獲得相對濕度的準(zhǔn)確數(shù)據(jù),必須利用μC對讀數(shù)值進(jìn)行非線性補償。此外當(dāng)環(huán)境溫度TA≠+25℃時,還需要對相對濕度傳感器進(jìn)行溫度補償。
  
  芯片內(nèi)部有一個加熱器。將狀態(tài)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(xiàn)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(huán)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(shù),它表示在水汽冷卻過程中zui初發(fā)生結(jié)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“SHTxdp.bsx”。利用該程序可以控制內(nèi)部加熱器的通、斷,再根據(jù)所測得的溫度值及相對濕度值計算出露點。在命令響應(yīng)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(yīng)的數(shù)字,即可獲得下述結(jié)果:
  
  輸入數(shù)字“1”時,測量并顯示出攝氏溫度dgC=xx.x;
  
  輸入數(shù)字“2”時,測量并顯示出相對濕度%RH=xx.x;
  
  輸入數(shù)字“3”時,打開加熱器,使傳感器溫度升高5℃;
  
  輸入數(shù)字“4”時,關(guān)閉加熱器,使傳感器降溫;
  
  輸入數(shù)字“5”時,顯示露點溫度dpC=xx.x。
  
  4集成濕度傳感器典型產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)
  
  集成濕度傳感器的測量范圍一般可達(dá)到0~*。但有的廠家為保證精度指標(biāo)而將測量范圍限制為10%~95%。設(shè)計+3.3V低壓供電的濕度/溫度測試系統(tǒng)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(rèn)為休眠模式(SleepMode),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zui低。此外,它們還具有低電壓檢測功能。當(dāng)電源電壓低于+2.45V±0.1V時,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。
  
  有關(guān)濕度傳感器國家標(biāo)準(zhǔn)目錄
  
  GB-T15768-1995電容式濕敏元件與濕度傳感器總規(guī)范
  
  GBT11605-2005濕度測量方法
  
  JJF1012-1987常用濕度計量名詞術(shù)語
  
  JJF1076-2001濕度傳感器校準(zhǔn)規(guī)范
  
  JJF1101-2003環(huán)境試驗設(shè)備溫度濕度校準(zhǔn)規(guī)范
  
  JJG205-2005機械式溫濕度計檢定規(guī)程
  
  JJG499-2004精密露點儀檢定規(guī)程
  
  JJG500-2005電解法濕度儀檢定規(guī)程
  
  JJG826-1993二級標(biāo)準(zhǔn)分流式濕度發(fā)生器
  
  JJG899-1995石油低含水率分析儀檢定方法
 

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