温湿度传感器主要分为单总线和IIC两种程序。

什么是湿度传感器

 

湿度传感器

 

温度:度量物体冷热的物理量,是国际单位制中 7 个基本物理量之一。在生产和科学研究中,许多物理现象和化学过程都是在一定的温度下进行的,人们的生活也和他密切相关。

 

湿度:湿度很久以前就与生活存在着密切的关系,但用数量来进行表示较为困难。日常生活中很常用的表示湿度的物理量是空气的相对湿度。用%RH 表示。在物理量的导出上相对湿度与温度有着密切的关系。一定体积的密闭气体,其温度越高相对湿度越低,温度越低,其相对湿度越高。其中涉及到复杂的热力工程学知识。

 

有关湿度的一些定义:相对湿度:在计量法中规定,湿度定义为“物象状态的量”。日常生活中所指的湿度为相对湿度,用 RH%表示。总之,即气体中(通常为空气中)所含水蒸气量(水蒸气压)与其空气相同情况下饱和水蒸气量(饱和水蒸汽压)的百分比。绝对湿度:指单位容积的空气里实际所含的水汽量,一般以克为单位。温度对绝对湿度有着直接影响,一般情况下,温度越高,水蒸气发得越多,绝对湿度就越大;相反,绝对湿度就小。

 

饱和湿度:在一定温度下,单位容积,空气中所能容纳的水汽量的很大限度。如果超过这个限度,多余的水蒸气就会凝结,变成水滴,此时的空气湿度变称为饱和湿度。空气的饱和湿度不是固定不变的,它随着温度的变化而变化。温度越高,单位容积空气中能容纳的水蒸气就越多,饱和湿度就越大。

 

露点:指含有一定量水蒸气(绝对湿度)的空气,当温度下降到一定程度时所含的水蒸气就会达到饱和状态(饱和湿度)并开始液化成水,这种现象叫做凝露。水蒸气开始液化成水时的温度叫做“露点温度”简称“露点”。如果温度继续下降到露点以下,空气中超饱和的水蒸气就会在物体表面上凝结成水滴。此外,风与空气中的温湿度有密切关系,也是影响空气温湿度变化的重要因素之一。

 

湿度传感器的工作原理

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(80~100)%RH ,0.2%的浓度对应范围是(60~80)%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(15~100)%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 2~3s,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 90μm 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 - Ⅱ型”和“湿瓷 - Ⅲ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。

 

湿度传感器的作用

多应用于在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门以及经常需要对环境湿度进行测量及控制的机构等。