湿度传感器论文.doc

瑞士ROTRONIC湿度传感器在制药业上的应用专业：交通运输0801 姓名：许人义 指导老师：李文超【摘要】针对瑞士ROTRONIC湿度传感器，探讨和分析了此产品的工作原理、产品具体结构及原理以及瑞士ROTRONIC湿度传感器的信号处理电路。并且，借助许多文献资料详细得介绍了瑞士ROTRONIC湿度传感器在农业以及制药业的应用，为以后的湿度传感器技术开发起到了引导作用，同时也从商业领域、工业领域、农业领域介绍了湿度传感器的影响及作用。【关键词】瑞士ROTRONIC、湿度传感器、农业、制药业、湿敏元件【引言】ROTRONIC暖通净化工程用温湿度传感器 ：罗卓尼克公司自1967年开始研发湿度传感器，产品经过多年来的经验积累和技术改进，已经成为全球领先的湿度测量专家。产品具有高精度和高可靠性等特点，具有竞争力的价格及灵活的组合式解决方案，深受诸多用户喜爱，在各种场合得以广泛应用。 ROTRONIC全部产品都在瑞士总部进行研发和制造，工厂拥有一流的校准实验室，ISO9001-2000质量认证。在全球有很多分公司和有丰富经验的代理商。 ROTRONIC自1965年一直致力于温湿度测量产品的研发制造。为了能在多种应用中，以最具竞争力的价格为客户提供更高精度、更灵活的产品，从Hygromer传感器进入市场以来，ROTRONIC从未间断过对它的改进，并一直采用最佳质材料和最先进的生产技术。ROTRONIC全部产品都在瑞士总部研发制造(ISO9001:2000)。ROTRONIC公司具备瑞士国家级校准服务SCS实验室(SCS065)和世界顶级的传感器设计专家和团队。直到今天，在市场上所有可以测量0100 %rh 和 50200C环境的湿度传感器中，Hygromer传感器仍有着最为广泛的应用。作为具有多年经验的湿度测量专家，ROTRONIC为客户提供最佳性能的OEM产品和最高性价比的温湿度解决方案，同时也为客户提供维修和校准服务。同时ROTRONIC正为未来的传感器市场份额奋斗、打拼。【工作原理介绍】一、工作原理湿敏随着时代的发展，科研、农业、暖通、纺织、机房、航空航天、电力等工业部门，越来越需要采用湿度传感器，对产品质量的要求越业越高，对环境温、湿度的控制以及对工业材料水份值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一。湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业。如何使用好湿度传感器，如何判断湿度传感器的性能，这对一般用户来讲，仍是一件较为复杂的技术问题。1 湿度传感器的分类及感湿特点 湿度传感器，分为电阻式和电容式两种，产品的基本形式都为在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。国内外各厂家的湿度传感器产品水平不一，质量价格都相差较大，用户如何选择性能价格比最优的理想产品确有一定难度，需要在这方面作深入的了解。湿度传感器具有如下特点：1.1 精度和长期稳定性 湿度传感器的精度应达到2%5%RH，达不到这个水平很难作为计量器具使用，湿度传感器要达到2%3%RH 的精度是比较困难的，通常产品资料中给出的特性是在常温（2010）和洁净的气体中测量的。在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，长期稳定性和使用寿命是影响湿度传感器质量的头等问题，年漂移量控制在1%RH水平的产品很少，一般都在2%左右，甚至更高。1.2 湿度传感器的温度系数 湿敏元件除对环境湿度敏感外，对温度亦十分敏感，其温度系数一般在0.20.8%RH/ 范围内，而且有的湿敏元件在不同的相对湿度下，其温度系数又有差别。温漂非线性，这需要在电路上加温度补偿式。采用单片机软件补偿，或无温度补偿的湿度传感器是保证不了全温范围的精度的，湿度传感器温漂曲线的线性化直接影响到补偿的效果，非线性的温漂往往补偿不出较好的效果，只有采用硬件温度跟随性补偿才会获得真实的补偿效果。湿度传感器工作的温度范围也是重要参数。多数湿敏元件难以在40以上正常工作。1.3湿度传感器的供电金属氧化物陶瓷，高分子聚合物和氯化锂等湿敏材料施加直流电压时，会导致性能变化，甚至失效，所以这类湿度传感器不能用直流电压或有直流成份的交流电压。必须是交流电供电。1.4 互换性 目前，湿度传感器普遍存在着互换性差的现象，同一型号的传感器不能互换，严重影响了使用效果，给维修、调试增加了困难，有些厂家在这方面作出了种种努力，（但互换性仍很差）取得了较好效果。1.5 湿度校正 校正湿度要比校正温度困难得多。温度标定往往用一根标准温度计作标准即可，而湿度的标定标准较难实现，干湿球温度计和一些常见的指针式湿度计是不能用来作标定的，精度无法保证，因其要求环境条件非常严格，一般情况，（最好在湿度环境适合的条件下）在缺乏完善的检定设备时，通常用简单的饱和盐溶液检定法，并测量其温度。二、对湿度传感器性能作初步判断的几种方法 在湿度传感器实际标定困难的情况下，可以通过一些简便的方法进行湿度传感器性能判断与检查。(1) 一致性判定，同一类型，同一厂家的湿度传感器产品最好一次购买两支以上，越多越说明问题，放在一起通电比较检测输出值，在相对稳定的条件下，观察测试的一致性。若进一步检测，可在24h 内间隔一段时间记录，一天内一般都有高、中、低3 种湿度和温度情况，可以较全面地观察产品的一致性和稳定性，包括温度补偿特性。(2) 用嘴呵气或利用其它加湿手段对传感器加湿，观察其灵敏度、重复性、升湿脱湿性能，以及分辨率，产品的最高量程等。(3) 对产品作开盒和关盒两种情况的测试。比较是否一致，观察其热效应情况。(4) 对产品在高温状态和低温状态（根据说明书标准）进行测试，并恢复到正常状态下检测和实验前的记录作比较，考查产品的温度适应性，并观察产品的一致性情况。产品的性能最终要依据质检部门正规完备的检测手段。利用饱和盐溶液作标定，也可使用名牌产品作比对检测，产品还应进行长期使用过程中的长期标定才能较全面地判断湿度传感器的质量。三、对市场上湿度传感器产品的几点分析 国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品，电容式湿敏元件较为多见，感湿材料种类主要为高分子聚合物，氯化锂和金属氧化物。 电容式湿敏元件的优点在于响应速度快、体积小、线性度好、较稳定，国外有些产品还具备高温工作性能。但是达到上述性能的产品多为国外名牌，价格都较昂贵。市场上出售的一些电容式湿敏元件低价产品，往往达不到上述水平，线性度、一致性和重复性都不甚理想，30%RH以下，80%RH 以上感湿段变形严重。有些产品采用单片机补偿修正，使湿度出现阶跃性的跳跃，使精度降低，出现一致性差、线性差的缺点。无论高档次或低档次的电容式湿敏元件，长期稳定性都不理想，多数长期使用漂移严重，湿敏电容容值变化为pF 级，1%RH 的变化不足0.5pF，容值的漂移改变往往引起几十RH%的误差，大多数电容式湿敏元件不具备40以上温度下工作的性能，往往失效和损坏。 电容式湿敏元件抗腐蚀能力也较欠缺，往往对环境的洁净度要求较高，有的产品还存在光照失效、静电失效等现象，金属氧化物为陶瓷湿敏电阻，具有湿敏电容相同的优点，但尘埃环境下，陶瓷细孔被封堵元件就会失效，往往采用通电除尘的方法来处理，但效果不够理想，且在易燃易爆环境下不能使用，氧化铝感湿材料无法克服其表面结构天然老化的弱点，阻抗不稳定，金属氧物陶瓷湿敏电阻也同样存在长期稳定性差的弱点。氯化锂湿敏电阻，具有最突出的优点是长期稳定性极强，因此通过严格的工艺制作，制成的仪表和传感器产品可以达到较高的精度，稳定性强是产品具备良好的线性度、精密度及一致性，是长期使用寿命的可靠保证。 氯化锂湿敏元件的长期稳定性其它感湿材料尚无法取代。四、用户选用须知 用户选用温湿度传感传感器时，应该对供货单位或供货厂家有所了解，由于湿度传感器一般用户难以进行检测，没有标准的湿度检测设备，所以应考察生产厂家的生产设施和生产许可证，特别是生产厂家无正规的检测设备（一般温湿度检测设备约百万元左右），没有正规检测设备如何能生产出合格的产品？这是购买温湿度传感器应特别注意的地方。总之，人们使用湿度传感器的时间越长，认识就会越深入和全面。同时，也对产品提出新的要求，这给产品带来了新的机遇，推动这项技术不断向新的高度发展。我们相信，湿度传感器产品会在应用领域发挥越来越重要的作用。元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。电子式湿敏传感器的准确度可达2-3%RH，这比干湿球测湿精度高。湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。这方面没有干湿球测湿方法好。下面对典型的电阻式氯化锂湿度传感器进行简单的介绍。电阻式氯化锂湿度计氯化锂湿度传感器第一个基于电阻-湿度特性原理的氯化锂电湿敏元件是美国标准局的F.W.Dunmore研制出来的。这种元件具有较高的精度，同时结构简单、价廉，适用于常温常湿的测控等一系列优点。氯化锂元件的测量范围与湿敏层的氯化锂浓度及其它成分有关。单个元件的有效感湿范围一般在20%RH以内。例如0.05%的浓度对应的感湿范围约为(80100)%RH ，0.2%的浓度对应范围是(6080)%RH等。由此可见，要测量较宽的湿度范围时，必须把不同浓度的元件组合在一起使用。可用于全量程测量的湿度计组合的元件数一般为5个，采用元件组合法的氯化锂湿度计可测范围通常为(15100)%RH，国外有些产品声称其测量范围可达(2100)%RH 。图3、图4分别是工作频率对不同温度时氯化锂元件的影响以及不同工作频率时氯化锂元件的感湿特性曲线：二、产品具体结构及原理ROTRONIC 瑞士罗卓尼克为您提供全系列的温湿度测量产品：变送器、记录器、手持表、指示器、探头、传感器和湿度发生器，用于测量和校准相对湿度、温度、露点、水分活度和各种湿度学参数。 ROTRONIC 瑞士罗卓尼克的温湿度产品广泛应用于暖通（HVAC）、智能管理系统（BMS）、生产和过程控制、气象、食品安全和制药等。 ROTRONIC 瑞士罗卓尼克的产品基于独一无二的 HygroClip 数字技术，代表了最先进的湿度学参数测量技术，以高精度、高稳定性著称于世。 HC2 系列温湿度探头基于AirChip 3000技术，以其独有的高精度在湿度测量方面独树一帜。结合了领先的传感器和集成电路技术，HC2系列探头以高精度、高性能和高可靠性(精度 0.8 %rh / 0.1 K)代表了世界上最先进的技术，将湿度测量技术引领到一个新的高度。 HygroClip2 系列探头品类繁多，应用广泛。HP2系列手持表(配备固定或可换探头) 是需要精确温湿度测量的各种行业的理想选择，如食品和制药、印刷和造纸、商贸、科学测量、气象和气候学、农业等。卓越的性能、显著的优势和优良的美誉使改产品成为您的最佳选择。三、信号处理电路图5。阻抗式湿敏电阻元件应用电路图图6。MC-2电容式湿敏电阻应用电路【技术性能分析】近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。集成湿度传感器的测量范围一般可达到0100%。但有的厂家为保证精度指标而将测量范围限制为10%95%。设计 3.3V低压供电的湿度/温度测试系统时，可选用SHT11、SHT15传感器。这种传感器在测量阶段的工作电流为550A，平均工作电流为28A（12位）或2A（8位）。上电时默认为休眠模式（SleepMode），电源电流仅为0.3A（典型值）。测量完毕只要没有新的命令，就自动返回休眠模式，能使芯片功耗降至最低。此外，它们还具有低电压检测功能。当电源电压低于 2.45V0.1V时，状态寄存器的第6位立即更新，使芯片不工作，从而起到了保护作用。国外生产湿敏电容的主厂家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。以Humirel公司生产的SH通测仪器1100型湿敏电容为例，其测量范围是（1%99%）RH，在55%RH时的电容量为180pF（典型值）。当相对湿度从0变化到100%时，电容量的变化范围是163pF202pF。温度系数为0.04pF/，湿度滞后量为1.5%，响应时间为5s。除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件（利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率）、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Honeywell公司（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型），Humirel公司（HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型），Sensiron公司（SHT11、SHT15型）。这些产品可分成以下三种类型：1、典型产品有HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特点是采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。 2、典型产品为HF3223型。它采用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器，在55%RH时的输出频率为8750Hz（型值），当上对湿度从10%变化到95%时，输出频率就从通测仪器9560Hz减小到8030Hz。这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。3、典型产品为HTF3223型。它除具有HF3223的功能以外，还增加了温度信号输出端，利用负温度系数（NTC）热敏电阻作为温度传感器。当环境温度变化时，其电阻值也相应改变并且从NTC端引出，配上二次仪表即可测量出温度值。【应用案例】瑞士ROTRONIC湿度传感器在制药业上的应用：制药业是湿度测量设备的最大用户之一。大多数药物对湿度和水分含量的变化非常敏感，所以最终产品的质量和性能保证要考虑到对温湿度的监控。应用：稳定性试验快速测试药品，以获得产品稳定性、包装和保质期信息，湿度仪表不仅用来控制（变送器）还要监控（变送器或数据记录器）这些条件。环境试验箱是用来产生加速条件的。适用产品：变送器、记录器应用：生产领域生产领域非常重视环境的变化。由于没有软件生成连续数据的功能，单独的数据采集器尤其是图表记录器成为不必要。温湿度记录设备可以提供实时数据便于使用和降低成本。适用产品：变送器 记录器 手持表应用：监测原材料、成品、粉剂或药片中的相对湿度可以保证产品质量。通常低湿度是粉剂和药片的理