如何選用溫濕度傳感器

隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展，科研、農業(yè)、暖通、機房、航空航天、電力等工業(yè)部門(mén)，越來(lái)越需要采用傳感器，對產(chǎn)品質(zhì)量的要求越業(yè)越高，對環(huán)境溫、濕度的控制以及對工業(yè)材料水份值的監測與分析都已成為比較普遍的技術(shù)條件之一。產(chǎn)品及濕度測量屬于90年代興起的行業(yè)。如何使用好濕度傳感器，如何判斷濕度傳感器的性能，這對一般用戶(hù)來(lái)講，仍是一件較為復雜的技術(shù)問(wèn)題。

一、 濕度傳感器的分類(lèi)及感濕特點(diǎn)

濕度傳感器，分為電阻式和電容式兩種，產(chǎn)品的基本形式都為在基片涂覆感濕材料形成感濕膜?？諝庵械乃羝接诟袧癫牧虾?，元件的阻抗、介質(zhì)常數發(fā)生很大的變化，從而制成濕敏件。

濕度傳感器具有如下特點(diǎn)：

1、精度和長(cháng)期穩定性

濕度傳感器的精度應達到±2%~±5%RH，達不到這個(gè)水平很難作為計量器具使用，濕度傳感器要達到±2%~±3%RH的精度是比較困難的，通常產(chǎn)品資料中給出的特性是在常溫（20℃±10℃）和潔凈的氣體中測量的。在實(shí)際使用中，由于塵土、油污及有害氣體的影響，使用時(shí)間一長(cháng)，會(huì )產(chǎn)生老化，精度下降，濕度傳感器的精度水平要結合其長(cháng)期穩定性去判斷，一般說(shuō)來(lái)，長(cháng)期穩定性和使用壽命是影響濕度傳感器質(zhì)量的頭等問(wèn)題，年漂移量控制在1%RH水平的產(chǎn)品很少，一般都在±2%左右，甚至更高。

2、濕度傳感器的溫度系數

濕敏元件除對環(huán)境濕度敏感外，對溫度亦十分敏感，其溫度系數一般在0.2~0.8%RH/℃范圍內，而且有的濕敏元件在不同的相對濕度下，其溫度系數又有差別。溫漂非線(xiàn)性，這需要在電路上加溫度補償式。采用單片機軟件補償，或無(wú)溫度補償的濕度傳感器是保證不了全溫范圍的精度的，濕度傳感器溫漂曲線(xiàn)的線(xiàn)性化直接影響到補償的效果，非線(xiàn)性的溫漂往往補償不出較好的效果，只有采用硬件溫度跟隨性補償才會(huì )獲得真實(shí)的補償效果。濕度傳感器工作的溫度范圍也是重要參數。多數濕敏元件難以在40℃以上正常工作。

3、濕度傳感器的供電

金屬氧化物陶瓷，高分子聚合物和氯化鋰等濕敏材料施加直流電壓時(shí)，會(huì )導致性能變化，甚至失效，所以這類(lèi)濕度傳感器不能用直流電壓或有直流成份的交流電壓。必須是交流電供電。

4、互換性

目前，濕度傳感器普遍存在著(zhù)互換性差的現象，同一型號的傳感器不能互換，嚴重影響了使用 效果，給維修、調試增加了困難，有些廠(chǎng)家在這方面作出了種種努力，（但互換性仍很差）取得了較好效果。

5、濕度校正

校正濕度要比校正溫度困難得多。溫度標定往往用一根標準溫度計作標準即可，而濕度的標定標準較難實(shí)現，干濕球溫度計和一些常見(jiàn)的指針式濕度計是不能用來(lái)作標定的，精度無(wú)法保證，因其要求環(huán)境條件非常嚴格，一般情況，（最好在濕度環(huán)境適合的條件下）在缺乏完善的檢定設備時(shí)，通常用簡(jiǎn)單的飽和鹽溶液檢定法，并測量其溫度。

二、對濕度傳感器性能作初步判斷的幾種方法

在濕度傳感器實(shí)際標定困難的情況下，可以通過(guò)一些簡(jiǎn)便的方法進(jìn)行濕度傳感器性能判斷與檢查。

1、一致性判定，同一類(lèi)型，同一廠(chǎng)家的濕度傳感器產(chǎn)品最好一次購買(mǎi)兩支以上，越多越說(shuō)明問(wèn)題，放在一起通電比較檢測輸出值，在相對穩定的條件下，觀(guān)察測試的一致性。若進(jìn)一步檢測，可在24h內間隔一段時(shí)間記錄，一天內一般都有高、中、低3種濕度和溫度情況，可以較全面地觀(guān)察產(chǎn)品的一致性和穩定性，包括溫度補償特性。

2、用嘴呵氣或利用其它加濕手段對傳感器加濕，觀(guān)察其靈敏度、重復性、升濕脫濕性能，以及分辨率，產(chǎn)品的最高量程等。

3、對產(chǎn)品作開(kāi)盒和關(guān)盒兩種情況的測試。比較是否一致，觀(guān)察其熱效應情況。

4、對產(chǎn)品在高溫狀態(tài)和低溫狀態(tài)（根據說(shuō)明書(shū)標準）進(jìn)行測試，并恢復到正常狀態(tài)下檢測和實(shí)驗前的記錄作比較，考查產(chǎn)品的溫度適應性，并觀(guān)察產(chǎn)品的一致性情況。

產(chǎn)品的性能最終要依據質(zhì)檢部門(mén)正規完備的檢測手段。利用飽和鹽溶液作標定，也可使用名牌產(chǎn)品作比對檢測，產(chǎn)品還應進(jìn)行長(cháng)期使用過(guò)程中的長(cháng)期標定才能較全面地判斷濕度傳感器的質(zhì)量。

三、對市場(chǎng)上濕度傳感器產(chǎn)品的幾點(diǎn)分析

國內市場(chǎng)上出現了不少?lài)鴥韧鉂穸葌鞲衅鳟a(chǎn)品，電容式濕敏元件較為多見(jiàn)，感濕材料種類(lèi)主要為高分子聚合物，氯化鋰和金屬氧化物。電容式濕敏元件的優(yōu)點(diǎn)在于響應速度快、體積小、線(xiàn)性度好、較穩定，國外有些產(chǎn)品還具備高溫工作性能。但是達到上述性能的產(chǎn)品多為國外名牌，價(jià)格都較昂貴。市場(chǎng)上出售的一些電容式濕敏元件低價(jià)產(chǎn)品，往往達不到上述水平，線(xiàn)性度、一致性和重復性都不甚理想，30%RH以下，80%RH以上感濕段變形嚴重。有些產(chǎn)品采用單片機補償修正，使濕度出現階躍性的跳躍，使精度降低，出現一致性差、線(xiàn)性差的缺點(diǎn)。無(wú)論高檔次或低檔次的電容式濕敏元件，長(cháng)期穩定性都不理想，多數長(cháng)期使用漂移嚴重，濕敏電容容值變化為pF級，1%RH的變化不足0.5pF，容值的漂移改變往往引起幾十RH%的誤差，大多數電容式濕敏元件不具備40℃以上溫度下工作的性能，往往失效和損壞。

電容式濕敏元件抗腐蝕能力也較欠缺，往往對環(huán)境的潔凈度要求較高，有的產(chǎn)品還存在光照失效、靜電失效等現象，金屬氧化物為陶瓷濕敏電阻，具有濕敏電容相同的優(yōu)點(diǎn)，但塵埃環(huán)境下，陶瓷細孔被封堵元件就會(huì )失效，往往采用通電除塵的方法來(lái)處理，但效果不夠理想，且在易燃易爆環(huán)境下不能使用，氧化鋁感濕材料無(wú)法克服其表面結構天然老化的弱點(diǎn)，阻抗不穩定，金屬氧物陶瓷濕敏電阻也同樣存在長(cháng)期穩定性差的弱點(diǎn)。

氯化鋰濕敏電阻，具有最突出的優(yōu)點(diǎn)是長(cháng)期穩定性極強，因此通過(guò)嚴格的工藝制作，制成的和傳感器產(chǎn)品可以達到較高的精度，穩定性強是產(chǎn)品具備良好的線(xiàn)性度、精密度及一致性，長(cháng)期使用壽命的可靠保證。氯化鋰濕敏元件的長(cháng)期穩定性其它感濕材料尚無(wú)法取代。

濕敏元件是最簡(jiǎn)單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類(lèi)。

下面對各種濕度傳感器進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

1、氯化鋰濕度傳感器

（1）電阻式氯化鋰濕度計 第一個(gè)基于電阻-濕度特性原理的氯化鋰電濕敏元件是美國標準局的F.W.Dunmore研制出來(lái)的。這種元件具有較高的精度，同時(shí)結構簡(jiǎn)單、價(jià)廉，適用于常溫常濕的測控等一系列優(yōu)點(diǎn)。 氯化鋰元件的測量范圍與濕敏層的氯化鋰濃度及其它成分有關(guān)。單個(gè)元件的有效感濕范圍一般在20%RH 以?xún)?。例?.05%的濃度對應的感濕范圍約為（80～100）%RH ，0.2%的濃度對應范圍是（60～80）%RH 等。由此可見(jiàn)，要測量較寬的濕度范圍時(shí)，必須把不同濃度的元件組合在一起使用?？捎糜谌砍虦y量的濕度計組合的元件數一般為5個(gè)，采用元件組合法的氯化鋰濕度計可測范圍通常為（15～100）%RH，國外有些產(chǎn)品聲稱(chēng)其測量范圍可達（2 ～100）%RH 。

（2）***式氯化鋰濕度計 ***式氯化鋰濕度計是由美國的 Forboro 公司首先研制出來(lái)的，其后我國和許多國家都做了大量的研究工作。這種濕度計和上述電阻式氯化鋰濕度計形式相似，但工作原理卻完全不同。簡(jiǎn)而言之，它是利用氯化鋰飽和水溶液的飽和水汽壓隨溫度變化而進(jìn)行工作的。

2、碳濕敏元件

碳濕敏元件是美國的 E.K.Carver 和 C.W.Breasefield 于1942年首先提出來(lái)的，與常用的毛發(fā)、腸衣和氯化鋰等探空元件相比，碳濕敏元件具有響應速度快、重復性好、無(wú)沖蝕效應和滯后環(huán)窄等優(yōu)點(diǎn)，因之令人矚目。我國氣象部門(mén)于70年代初開(kāi)展碳濕敏元件的研制，并取得了積極的成果，其測量不確定度不超過(guò)±5%RH ，時(shí)間常數在正溫時(shí)為2～3s，滯差一般在7%左右，比阻穩定性亦較好。

3、氧化鋁濕度計 氧化鋁傳感器的突出優(yōu)點(diǎn)是，體積可以非常?。ɡ缬糜谔娇諆x的濕敏元件僅90μm厚、12mg重），靈敏度高（測量下限達-110℃***），響應速度快（一般在 0.3s 到 3s 之間），測量信號直接以電參量的形式輸出，大大簡(jiǎn)化了數據處理程序，等等。另外，它還適用于測量液體中的水分。如上特點(diǎn)正是工業(yè)和氣象中的某些測量領(lǐng)域所希望的。因此它被認為是進(jìn)行高空大氣探測可供選擇的幾種合乎要求的傳感器之一。也正是因為這些特點(diǎn)使人們對這種方法產(chǎn)生濃厚的興趣。然而，遺憾的是盡管許多國家的專(zhuān)業(yè)人員為改進(jìn)傳感器的性能進(jìn)行了不懈的努力，但是在探索生產(chǎn)質(zhì)量穩定的產(chǎn)品的工藝條件，以及提高性能穩定性等與實(shí)用有關(guān)的重要問(wèn)題. 上始終未能取得重大的突破。因此，到目前為止，傳感器通常只能在特定的條件和有限的范圍內使用。近年來(lái)，這種方法在工業(yè)中的低霜點(diǎn)測量方面開(kāi)始嶄露頭角。

4、陶瓷濕度傳感器 在濕度測量領(lǐng)域中，對于低濕和高濕及其在低溫和高溫條件下的測量，到目前為止仍然是一個(gè)薄弱環(huán)節，而其中又以高溫條件下的濕度測量技術(shù)最為落后。以往，通風(fēng)干濕球濕度計幾乎是在這個(gè)溫度條件下可以使用的唯一方法，而該法在實(shí)際使用中亦存在種種問(wèn)題，無(wú)法令人滿(mǎn)意。另一方面，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展，要求在高溫下測量濕度的場(chǎng)合越來(lái)越多，例如水泥、金屬冶煉、食品加工等涉及工藝條件和質(zhì)量控制的許多工業(yè)過(guò)程的濕度測量與控制。因此，自60年代起，許多國家開(kāi)始竟相研制適用于高溫條件下進(jìn)行測量的濕度傳感器。 考慮到傳感器的使用條件，人們很自然地把探索方向著(zhù)眼于既具有吸水性又能耐高溫的某些無(wú)機物上。實(shí)踐已經(jīng)證明，陶瓷元件不僅具有濕敏特性，而且還可以作為感溫元件和氣敏元件。這些特性使它極有可能成為一種有發(fā)展前途的多功能傳感器。寺日、福島、新田等人在這方面已經(jīng)邁出了頗為成功的一步。他們于 1980 年研制成稱(chēng)之為“濕瓷 - Ⅱ型”和“濕瓷 - Ⅲ型”的多功能傳感器。前者可測控溫度和濕度，主要用于空調，后者可用來(lái)測量濕度和諸如酒精等多種有機蒸氣，主要用于食品加工方面。