湿度传感器

什么是湿度传感器
测量范围
和测量重量、温度一样,选择湿 度传感器首先要确定测量范围。除了气象、科研部门外,搞温、湿度测 控的一般不需要全湿程(0-100%RH)测量。在当今的信息时代,传感器 技术与计算机技术、自动控 制技术紧密结合着。测量的目的在于控制,测量范 围与控制范围合称使用范围。当然,对不需 要搞测控系统的应用者来说,直接选 择通用型湿度仪就可以了。
测量精度
和测量范围一样,测量精 度同是传感器最重要的指标。每提高—个百分点.对传感 器来说就是上一个台阶,甚至是上一个档次。因为要 达到不同的精度,其制造成本相差很大,售价也相差甚远。例如进口的1只廉价 的湿度传感器只有几美元,而1只供标 定用的全湿程湿度传感器要几百美元,相差近百倍。所以使 用者一定要量体裁衣,不宜盲目追求"高、精、尖"。
生产厂 商往往是分段给出其湿度传感器的精度的。如中、低湿段(0一80%RH)为±2%RH,而高湿段(80—100%RH)为±4%RH。而且此 精度是在某一指定温度下(如25℃)的值。如在不 同温度下使用湿度传感器.其示值 还要考虑温度漂移的影响。众所周知,相对湿 度是温度的函数,温度严 重地影响着指定空间内的相对湿度。温度每变化0.1℃。将产生0.5%RH的湿度变化(误差)。使用场 合如果难以做到恒温,则提出 过高的测湿精度是不合适的。因为湿 度随着温度的变化也漂忽不定的话,奢谈测 湿精度将失去实际意义。所以控 湿首先要控好温,这就是 大量应用的往往是温湿度—体化传 感器而不单纯是湿度传感器的缘故。
多数情况下,如果没 有精确的控温手段,或者被 测空间是非密封的,±5%RH的精度就足够了。对于要 求精确控制恒温、恒湿的局部空间,或者需 要随时跟踪记录湿度变化的场合,再选用±3%RH
以上精 度的湿度传感器。与此相 对应的温度传感器.其测温精度须足±0.3℃以上,起码是±0.5℃的。而精度高于±2%RH的要求 恐怕连校准传感器的标准湿度发生器也难以做到,更何况传感器自身了。国家标 准物质研究中心湿度室的文章认为:"相对湿度测量仪表,即使在20—25℃下,要达到2%RH的准确 度仍是很困难的。"

湿度传感器原理
[1] 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。


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