溼度傳感器的原理、分類、特點特性、參數及其應用

　　人類的生存和社會活動與溼度密切相關。隨著現代化的發展，很難找出一個與溼度無關的領域來。由於應用領域不同，對溼度傳感器的技術要求也不同。從製造角度看，同是溼度傳感器，材料、結構不同，工藝不同．其性能和技術指標（像精度方面）有很大差異，因而價格也相差甚遠。對使用者來說，選擇溼度傳感器時，首先要搞清楚需要什麼樣的傳感器；在自己的財力允許的情況下選購何種檔次的產品，權衡好「需要與可能」的關係，不至於盲目行事。從我們與用戶的來往來看，覺得有以下幾個問題值得注意。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/365257.htm

　　

　　水分子親和力型溼度傳感器，是利用水分子有較大的偶極矩，因而易於吸附在固體表面並滲透到固體內部的特性（成為水分子親和力）製成的溼度傳感器，其測量原理在於感溼材料吸溼或脫溼過程改變其自身的性能從而構成不同類型的溼度傳感器。

　　非水分子親和力型溼度傳感器，主要的測量原理有：利用潮溼空氣和乾燥空氣的熱傳導之差來測定溼度；利用微波在含水蒸汽的空氣中傳播，水蒸汽吸收微波使其產生一定的能量損耗，傳輸損耗的能量與環境空氣中的溼度有關以此來測定溼度；利用水蒸汽能吸收特定波長的紅外線來測定空氣中的溼度。

　　

　　溼度包括氣體的溼度和固體的溼度。氣體的溼度是指大氣中水蒸氣的含量，度量方法有絕對溼度，即每立方米氣體在標況下（0℃，1大氣壓）所含有的水蒸氣的重量，即水蒸氣密度；相對溼度，即一定體積氣體中實際含有的水蒸氣分壓與相同溫度下該氣體所能包含的最大水蒸氣分壓之比；或含溼量，即每㎏幹空氣中所含水蒸氣的質量。其中相對溼度是最常用的。固體的溼度是物質中所含水分的百分數，即物質中所含水分的質量與其總質量之比。

　　利用水分子有較大的偶極矩，因而易於吸附在固體表面並滲透到固體內部的特性製成的溼度傳感器稱為水分子親和力型溼度傳感器，其測量原理在於感溼材料吸溼或脫溼過程改變其自身的性能從而構成不同類型的溼度傳感器；把與水分子親和力無關的溼度傳感器稱為非水分子親和力型傳感器，其主要的測量原理有：利用潮溼空氣和乾燥空氣的熱傳導之差來測定溼度；利用微波在含水蒸汽的空氣中傳播，水蒸汽吸收微波使其產生一定的能量損耗，傳輸損耗的能量與環境空氣中的溼度有關以此來測定溼度；利用水蒸汽能吸收特定波長的紅外線來測定空氣中的溼度。

　　溼度傳感器的分類與特點

　　根據敏感方案是否基於水分子的極性吸附特性，可以把溼度傳感器分為水分子親和力型和非水分子親和力型。根據溼敏材料的不同可以對水分子親和力型溼度傳感器進一步分類；根據測量原理的不同可以對非水分子親和力型溼度傳感器進一步分類，如表1所示。

　　

　　1.水分子親和力型溼度傳感器

　　根據使用材料的不同，水分子親和力型溼度傳感器分為以下四類

　　（1） 電解質型：以氯化鋰為例，它在絕緣基板上製作一對電極，塗上氯化鋰鹽膠膜。氯化鋰極易潮解，並產生離子導電，隨溼度升高而電阻減小。

　　（2） 陶瓷型：一般以金屬氧化物為原料，通過陶瓷工藝，製成一種多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值對空氣中水蒸氣的敏感特性而製成。

　　（3） 高分子型：先在玻璃等絕緣基板上蒸發梳狀電極，通過浸漬或塗覆，使其在基板上附著一層有機高分子感溼膜。有機高分子的材料種類也很多，工作原理也各不相同。

　　（4） 單晶半導體型：所用材料主要是矽單晶，利用半導體工藝製成。製成二極體溼敏器件和MOSFET溼度敏感器件等。其特點是易於和半導體電路集成在一起。

　　一種典型的水分子親和力型溼度傳感器——氯化鋰電阻溼度傳感器介紹：

　　氯化鋰是一種在大氣中不分解、不揮發，也不變質而具有穩定的離子型無機鹽類。其吸溼量與空氣相對溼度成一定函數關係，隨著空氣相對溼度的增減變化，氯化鋰吸溼量也隨之變化。當氯化鋰溶液吸收水汽後，使導電的離子數增加，因此導致電阻的降低；反之，則使電阻增加。這種將空氣相對溼度轉換為其電阻值的測量方法稱為吸溼法溼度測量。氯化鋰電阻溼度計的傳感器就是根據這一原理工作的。其結構和阻—溼特性分別如圖1，圖2所示。

　　

　　

　　氯化鋰傳感器的測溼範圍與所塗氯化鋰濃度及其它成分有關。採用某一濃度製作的元件在其有效的感溼範圍內，其電阻值隨周圍空氣相對溼度的變化符合指數關係。當溼度低於其有效的感溼範圍時，其阻值迅速增加，趨於無限大；而當高於該範圍時，其阻值變得非常小，乃至趨於零。每一傳感器的測量範圍較窄，故應按照測量範圍的要求，選用相應的量程。為擴大測量範圍，可採用多片組合傳感器。組合式氯化鋰溼度傳感器的結構和阻-溼特性如圖3，圖4所示。

　　

　　

　　2.非水分子親和力型溼度傳感器

　　利用潮溼空氣和乾燥空氣的熱傳導之差來測定溼度，可以製成熱敏電阻式溼度傳感器；利用微波或超聲波在含水蒸汽的空氣中傳播時，傳輸損耗的能量與環境空氣中的溼度的相關性來測定溼度，可以製成微波或超聲波溼度傳感器；利用水蒸汽能吸收特定波長的紅外線來測定空氣中的溼度，可以製成紅外吸收式溼度傳感器。一種典型的紅外吸收式溼度傳感器的結構和工作原理如圖1所示。

　　溼度傳感器的特性參數

　　溼度傳感器的特性參數主要有：溼度量程、靈敏度、溫度係數、響應時間、溼滯回差、感溼特徵量-相對溼度特性曲線等。 ?

　　（1） 溼度量程：它是指溼度傳感器能夠較精確測量的環境溼度的最大範圍。由於各種溼度傳感器所使用的材料及依據的工作原理不同，其特性並不都能適用於0～100%RH的整個相對溼度範圍。

　　（2） 感溼特徵量-相對溼度特性曲線： 溼度傳感器的輸出變量稱為其感溼特徵量， 如電阻、電容等。 溼度傳感器的感溼特徵量隨環境溼度的變化曲線， 稱為傳感器的感溼特徵量-環境溼度特性曲線， 簡稱為感溼特性曲線。 性能良好的溼度敏感器件的感溼特性曲線， 應有寬的線性範圍和適中的靈敏度。

　　（3） 靈敏度：溼度傳感器的靈敏度即其感溼特性曲線的斜率。大多數溼度敏感器件的感溼特性曲線是非線性的， 因此尚無統一的表示方法。 較普遍採用的方法是用器件在不同環境溼度下的感溼特徵量之比來表示。

　　（4） 溼度溫度係數： 它定義為在器件感溼特徵量恆定的條件下，該感溼特徵量值所表示的環境相對溼度隨環境溫度的變化率， 即

　　

　　因此，環境溫度將造成測溼誤差。 例如，α=0.3％RH/℃時， 環境的溫度變化20℃，將引起6％RH的測溼誤差。

　　（5） 響應時間： 它表示當環境溼度發生變化時， 傳感器完成吸溼或脫溼以及動態平衡過程所需時間的特性參數。 響應時間用時間常數τ來定義， 即感溼特徵量由起始值變化到終止值的0.632倍所需的時間。可見， 響應時間是與環境相對溼度的起、止值密切相關。

　　（6） 溼滯回線和溼滯回差：一個溼度傳感器在吸溼和脫溼兩種情況下的感溼特性曲線不相重複，一般可形成為一回線，這種特性稱為溼滯特性； 其曲線稱為溼滯回線。

　　溼度傳感器的應用

　　任何行業的工作都離不開空氣，而空氣的溼度又與工作、生活、生產有直接聯繫，使溼度的監測與控制越來越顯得重要。溼度傳感器的應用主要有如下幾個方面：

　　（1） 氣候監測 天氣測量和預報對工農業生產、軍事及人民生活和科學實驗等方面都有重要意義，因而溼度傳感器是必不可少的測溼設備，如樹脂膨散式溼度傳感器已用於氣象氣球測溼儀器上。

　　（2） 溫室養殖 現代農林畜牧各產業都有相當數量的溫室，溫室的溼度控制與溫度控制同樣重要，把溼度控制在農作物、樹木、畜禽等生長適宜的範圍，是減少病蟲害、提高產量的條件之一。

　　（3） 工業生產　在紡織、電子、精密機器、陶瓷工業等部門，空氣溼度直接影響產品的質量和產量，必須有效地進行監測調控。

　　（4） 物品儲藏　各種物品對環境均有一定的適應性。溼度過高過低均會使物品喪失原有性能。如在高溼度地區，電子產品在倉庫的損害嚴重，非金屬零件會發黴變質，金屬零件會腐蝕生鏽。

　　（5） 精密儀器的使用保護　許多精密儀器、設備對工作環境要求較高。環境溼度必須控制在一定範圍內，以保證它們的正常工作，提高工作效率及可靠性。如電話程控交換機工作溼度在55 % ±10 %較好。溫度過高會影響絕緣性能，過低易產生靜電，影響正常工作。