湿度传感器调研报告.doc

目录一、湿度传感器原理21、氯化锂湿度传感器22、碳湿敏元件23、氧化铝湿度计34、陶瓷湿度传感器3二、湿度及其表示方法31、绝对湿度32、相对湿度4三、湿度传感器的性能特点及产品分类4四、湿度传感器典型产品的技术指标5五、各类湿度传感器特性曲线6六、湿度传感器的选型71、精度和长期稳定性72、湿度传感器的温度系数73、湿度传感器的供电74、互换性7七、应用场景81、湿度开关82、智能湿度测量仪8八、湿度传感器的展望9湿度传感器调研报告一、湿度传感器原理湿敏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。下面对各种湿度传感器进行简单的介绍。1、氯化锂湿度传感器（1）电阻式氯化锂湿度计第一个基于电阻-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（2 100）%RH 。（2）露点式氯化锂湿度计露点式氯化锂湿度计是由美国的 Forboro 公司首先研制出来的，其后我国和许多国家都做了大量的研究工作。这种湿度计和上述电阻式氯化锂湿度计形式相似，但工作原理却完全不同。简而言之，它是利用氯化锂饱和水溶液的饱和水汽压随温度变化而进行工作的。2、碳湿敏元件碳湿敏元件是美国的 E.K.Carver 和 C.W.Breasefield 于1942年首先提出来的，与常用的毛发、肠衣和氯化锂等探空元件相比，碳湿敏元件具有响应速度快、重复性好、无冲蚀效应和滞后环窄等优点，因之令人瞩目。我国气象部门于70年代初开展碳湿敏元件的研制，并取得了积极的成果，其测量不确定度不超过5%RH ，时间常数在正温时为23s，滞差一般在7%左右，比阻稳定性亦较好。3、氧化铝湿度计氧化铝传感器的突出优点是，体积可以非常小（例如用于探空仪的湿敏元件仅90m厚、12mg重），灵敏度高（测量下限达-110露点），响应速度快（一般在 0.3s 到 3s 之间），测量信号直接以电参量的形式输出，大大简化了数据处理程序，等等。另外，它还适用于测量液体中的水分。如上特点正是工业和气象中的某些测量领域所希望的。因此它被认为是进行高空大气探测可供选择的几种合乎要求的传感器之一。也正是因为这些特点使人们对这种方法产生浓厚的兴趣。然而，遗憾的是尽管许多国家的专业人员为改进传感器的性能进行了不懈的努力，但是在探索生产质量稳定的产品的工艺条件，以及提高性能稳定性等与实用有关的重要问题.上始终未能取得重大的突破。因此，到目前为止，传感器通常只能在特定的条件和有限的范围内使用。近年来，这种方法在工业中的低霜点测量方面开始崭露头角。4、陶瓷湿度传感器在湿度测量领域中，对于低湿和高湿及其在低温和高温条件下的测量，到目前为止仍然是一个薄弱环节，而其中又以高温条件下的湿度测量技术最为落后。以往，通风干湿球湿度计几乎是在这个温度条件下可以使用的唯一方法，而该法在实际使用中亦存在种种问题，无法令人满意。另一方面，科学技术的进展，要求在高温下测量湿度的场合越来越多，例如水泥、金属冶炼、食品加工等涉及工艺条件和质量控制的许多工业过程的湿度测量与控制。因此，自60年代起，许多国家开始竟相研制适用于高温条件下进行测量的湿度传感器。 考虑到传感器的使用条件，人们很自然地把探索方向着眼于既具有吸水性又能耐高温的某些无机物上。实践已经证明，陶瓷元件不仅具有湿敏特性，而且还可以作为感温元件和气敏元件。这些特性使它极有可能成为一种有发展前途的多功能传感器。寺日、福岛、新田等人在这方面已经迈出了颇为成功的一步。他们于 1980 年研制成称之为“湿瓷 - 型”和“湿瓷 - 型”的多功能传感器。前者可测控温度和湿度，主要用于空调，后者可用来测量湿度和诸如酒精等多种有机蒸气，主要用于食品加工方面。二、湿度及其表示方法在自然界中，凡是有水和生物的地方，在其周围的大气里总是含有或多或少的水汽。大气中含有水汽的多少，表示大气的干、湿程度，用湿度来表示，也就是说，湿度是表示大气干湿程度的物理量。大气湿度有两种表示方法：绝对湿度与相对湿度。1、绝对湿度绝对湿度表示单位体积空气里所含水汽的质量，其表达式为式中： 被测空气的绝对湿度 MV一被测空气中水汽的质量 V 被测空气的体积2、相对湿度相对湿度是气体的绝对湿度(V)与在同一温度下，水蒸汽已达到饱和的气体的绝对湿度(W)之比，常表示为RH其表达式为相对湿度= (V /W)100%RH根据道尔顿分压定律，空气中压强PPa十PV(Pa为干空气分压，PV为湿空气气压)和理想状态方程，通过变换又可将相对湿度用分压表示：相对湿度 (PV /PW)100% RH；式中：PV一待测气体的水汽分压；Pw一 同一温度下水蒸汽的饱和水汽压。三、湿度传感器的性能特点及产品分类目前，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：线性电压输出式集成湿度传感器典型产品有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。线性频率输出集成湿度传感器典型产品为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。频率/温度输出式集成湿度传感器典型产品为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。单片智能化温度/温度传感器2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT11、SHT15型智能化湿度/温度传感器，其外形尺寸仅为7.6（mm）5(mm)2.5（mm），体积与火柴头相近。出厂前，每只传感器都在温度室中做过精密标准，标准系数被编成相应的程序存入校准存储器中，在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。它们不仅能准确测量相对温度，还能测量温度和露点。测量相对温度的范围是0100%，分辨力达0.03%RH，最高精度为2%RH。测量温度的范围是-40+123.8，分辨力为0.01。测量露点的精度”。用户首先从键盘上输入字母“S”，然后输入相应的数字，即可获得下述结果：输入数字“1”时，测量并显示出摄氏温度dgC=xx.x；输入数字“2”时，测量并显示出相对湿度%RH=xx.x；输入数字“3”时，打开加热器，使传感器温度升高5；输入数字“4”时，关闭加热器，使传感器降温；输入数字“5”时，显示露点温度dpC=xx.x。四、湿度传感器典型产品的技术指标 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（Sleep Mode），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。五、各类湿度传感器特性曲线 二氧化钛-五氧化二钒湿敏器件的感湿特性曲线 PI电容式湿度传感器湿度特性图 MgCr2O4TiO2 湿敏元件的温度特性 聚酰亚胺湿度传感器湿度特性图 羟乙基纤维素碳湿敏感元件的感湿特性曲线六、湿度传感器的选型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、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。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。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。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，取得了较好效果。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。七、应用场景1、湿度开关简要说明：一、尺寸：32mm X11mm X 20mm 长X宽X高二、主要芯片：LM393、JX-359-043三、工作电压：直流46伏四、特点：1、具有信号输出指示。 2、单路信号输出。 3、输出有效信号为低电平。 4、灵敏度可调（精调）。 5、用于检测湿度的场合输出开关量2、智能湿度测量仪由HM15001520型湿度传感器和单片机构成的智能湿度测量仪电路如图所示。该仪表采用+5V电源，配4只共阴极LED数码管。电路中共使用了3片IC：IC1为HM15001520型湿度传感器，IC2是由美国微芯片(Microchip)公司生产的带10位ADC的单片机PIC16F874，IC3为7达林顿反相驱动器阵列MC1413。PIC16F874是一种高性价比的8位单片机，内含8路逐次逼近式10位AD转换器，最多可对8路湿度信号进行模数转换，现仅用其中一路。JT为4MHz石英晶体，配上振荡器电容C1、C2之后可为单片机提供4MHz时钟频率。PIC16F874的电源电压范围较宽(+25+5V)，适合低压供电，静态电流小于2mA。RA口(RA0RA7)为IO接口，现利用PA0(亦称AIN0)口线来接收湿度传感器所产生的电压信号。PA1PA4输出位扫描信号，经过MC1413获得反相后的位驱动信号。RB口中的RB0RB6输出7段码信号，接LED显示器相应的笔段电极ag。PIC16F874还具有掉电保护功能，MCLR为掉电复位锁存端。当UDD从+5V降至+4V以下时，芯片就进入复位态。一旦电源电压又恢复正常，必须经过72ms的延迟时间才脱离复位状态，转入正常运行状态。在掉电期间RAM中的数据保持不变，绝不会丢失。 八、湿度传感器的展望 目前湿度传感器品牌有宝力马、施奈德、西门子、三菱、松下、德国德国HLP、日本神荣、法国Humirel、韩国Syhitech、美国Honeywell。 在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天