濕度傳感器的原理、分類、特點特性、參數(shù)及其應(yīng)用

　　人類的生存和社會活動與濕度密切相關(guān)。隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，很難找出一個與濕度無關(guān)的領(lǐng)域來。由于應(yīng)用領(lǐng)域不同，對濕度傳感器的技術(shù)要求也不同。從制造角度看，同是濕度傳感器，材料、結(jié)構(gòu)不同，工藝不同．其性能和技術(shù)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，選擇濕度傳感器時，首先要搞清楚需要什么樣的傳感器；在自己的財力允許的情況下選購何種檔次的產(chǎn)品，權(quán)衡好“需要與可能”的關(guān)系，不至于盲目行事。從我們與用戶的來往來看，覺得有以下幾個問題值得注意。

　　濕度傳感器的原理

　　水分子親和力型濕度傳感器，是利用水分子有較大的偶極矩，因而易于吸附在固體表面并滲透到固體內(nèi)部的特性（成為水分子親和力）制成的濕度傳感器，其測量原理在于感濕材料吸濕或脫濕過程改變其自身的性能從而構(gòu)成不同類型的濕度傳感器。

　　非水分子親和力型濕度傳感器，主要的測量原理有：利用潮濕空氣和干燥空氣的熱傳導之差來測定濕度；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(chǎn)生一定的能量損耗，傳輸損耗的能量與環(huán)境空氣中的濕度有關(guān)以此來測定濕度；利用水蒸汽能吸收特定波長的紅外線來測定空氣中的濕度。

　　濕度包括氣體的濕度和固體的濕度。氣體的濕度是指大氣中水蒸氣的含量，度量方法有絕對濕度，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；相對濕度，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；或含濕量，即每㎏干空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量。其中相對濕度是最常用的。固體的濕度是物質(zhì)中所含水分的百分數(shù)，即物質(zhì)中所含水分的質(zhì)量與其總質(zhì)量之比。

　　利用水分子有較大的偶極矩，因而易于吸附在固體表面并滲透到固體內(nèi)部的特性制成的濕度傳感器稱為水分子親和力型濕度傳感器，其測量原理在于感濕材料吸濕或脫濕過程改變其自身的性能從而構(gòu)成不同類型的濕度傳感器；把與水分子親和力無關(guān)的濕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：利用潮濕空氣和干燥空氣的熱傳導之差來測定濕度；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(chǎn)生一定的能量損耗，傳輸損耗的能量與環(huán)境空氣中的濕度有關(guān)以此來測定濕度；利用水蒸汽能吸收特定波長的紅外線來測定空氣中的濕度。

　　濕度傳感器的分類與特點

　　根據(jù)敏感方案是否基于水分子的極性吸附特性，可以把濕度傳感器分為水分子親和力型和非水分子親和力型。根據(jù)濕敏材料的不同可以對水分子親和力型濕度傳感器進一步分類；根據(jù)測量原理的不同可以對非水分子親和力型濕度傳感器進一步分類，如表1所示。

　　1.水分子親和力型濕度傳感器

　　根據(jù)使用材料的不同，水分子親和力型濕度傳感器分為以下四類

　?。?） 電解質(zhì)型：以氯化鋰為例，它在絕緣基板上制作一對電極，涂上氯化鋰鹽膠膜。氯化鋰極易潮解，并產(chǎn)生離子導電，隨濕度升高而電阻減小。

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

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

　?。?） 單晶半導體型：所用材料主要是硅單晶，利用半導體工藝制成。制成二極管濕敏器件和MOSFET濕度敏感器件等。其特點是易于和半導體電路集成在一起。

　　一種典型的水分子親和力型濕度傳感器——氯化鋰電阻濕度傳感器介紹：

　　氯化鋰是一種在大氣中不分解、不揮發(fā)，也不變質(zhì)而具有穩(wěn)定的離子型無機鹽類。其吸濕量與空氣相對濕度成一定函數(shù)關(guān)系，隨著空氣相對濕度的增減變化，氯化鋰吸濕量也隨之變化。當氯化鋰溶液吸收水汽后，使導電的離子數(shù)增加，因此導致電阻的降低；反之，則使電阻增加。這種將空氣相對濕度轉(zhuǎn)換為其電阻值的測量方法稱為吸濕法濕度測量。氯化鋰電阻濕度計的傳感器就是根據(jù)這一原理工作的。其結(jié)構(gòu)和阻—濕特性分別如圖1，圖2所示。

　　氯化鋰傳感器的測濕范圍與所涂氯化鋰濃度及其它成分有關(guān)。采用某一濃度制作的元件在其有效的感濕范圍內(nèi)，其電阻值隨周圍空氣相對濕度的變化符合指數(shù)關(guān)系。當濕度低于其有效的感濕范圍時，其阻值迅速增加，趨于無限大；而當高于該范圍時，其阻值變得非常小，乃至趨于零。每一傳感器的測量范圍較窄，故應(yīng)按照測量范圍的要求，選用相應(yīng)的量程。為擴大測量范圍，可采用多片組合傳感器。組合式氯化鋰濕度傳感器的結(jié)構(gòu)和阻-濕特性如圖3，圖4所示。

　　2.非水分子親和力型濕度傳感器

　　利用潮濕空氣和干燥空氣的熱傳導之差來測定濕度，可以制成熱敏電阻式濕度傳感器；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(huán)境空氣中的濕度的相關(guān)性來測定濕度，可以制成微波或超聲波濕度傳感器；利用水蒸汽能吸收特定波長的紅外線來測定空氣中的濕度，可以制成紅外吸收式濕度傳感器。一種典型的紅外吸收式濕度傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示。

　　濕度傳感器的特性參數(shù)

　　濕度傳感器的特性參數(shù)主要有：濕度量程、靈敏度、溫度系數(shù)、響應(yīng)時間、濕滯回差、感濕特征量-相對濕度特性曲線等。 ?

　?。?） 濕度量程：它是指濕度傳感器能夠較精確測量的環(huán)境濕度的最大范圍。由于各種濕度傳感器所使用的材料及依據(jù)的工作原理不同，其特性并不都能適用于0～100%RH的整個相對濕度范圍。

　　（2） 感濕特征量-相對濕度特性曲線： 濕度傳感器的輸出變量稱為其感濕特征量， 如電阻、電容等。 濕度傳感器的感濕特征量隨環(huán)境濕度的變化曲線， 稱為傳感器的感濕特征量-環(huán)境濕度特性曲線， 簡稱為感濕特性曲線。 性能良好的濕度敏感器件的感濕特性曲線， 應(yīng)有寬的線性范圍和適中的靈敏度。

　?。?） 靈敏度：濕度傳感器的靈敏度即其感濕特性曲線的斜率。大多數(shù)濕度敏感器件的感濕特性曲線是非線性的， 因此尚無統(tǒng)一的表示方法。 較普遍采用的方法是用器件在不同環(huán)境濕度下的感濕特征量之比來表示。

　?。?） 濕度溫度系數(shù)： 它定義為在器件感濕特征量恒定的條件下，該感濕特征量值所表示的環(huán)境相對濕度隨環(huán)境溫度的變化率， 即

　　因此，環(huán)境溫度將造成測濕誤差。 例如，α=0.3％RH/℃時， 環(huán)境的溫度變化20℃，將引起6％RH的測濕誤差。

　?。?） 響應(yīng)時間： 它表示當環(huán)境濕度發(fā)生變化時， 傳感器完成吸濕或脫濕以及動態(tài)平衡過程所需時間的特性參數(shù)。 響應(yīng)時間用時間常數(shù)τ來定義， 即感濕特征量由起始值變化到終止值的0.632倍所需的時間?？梢?， 響應(yīng)時間是與環(huán)境相對濕度的起、止值密切相關(guān)。

　?。?） 濕滯回線和濕滯回差：一個濕度傳感器在吸濕和脫濕兩種情況下的感濕特性曲線不相重復，一般可形成為一回線，這種特性稱為濕滯特性； 其曲線稱為濕滯回線。

　　濕度傳感器的應(yīng)用

　　任何行業(yè)的工作都離不開空氣，而空氣的濕度又與工作、生活、生產(chǎn)有直接聯(lián)系，使?jié)穸鹊谋O(jiān)測與控制越來越顯得重要。濕度傳感器的應(yīng)用主要有如下幾個方面：

　?。?） 氣候監(jiān)測 天氣測量和預報對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事及人民生活和科學實驗等方面都有重要意義，因而濕度傳感器是必不可少的測濕設(shè)備，如樹脂膨散式濕度傳感器已用于氣象氣球測濕儀器上。

　?。?） 溫室養(yǎng)殖 現(xiàn)代農(nóng)林畜牧各產(chǎn)業(yè)都有相當數(shù)量的溫室，溫室的濕度控制與溫度控制同樣重要，把濕度控制在農(nóng)作物、樹木、畜禽等生長適宜的范圍，是減少病蟲害、提高產(chǎn)量的條件之一。

　　（3） 工業(yè)生產(chǎn)　在紡織、電子、精密機器、陶瓷工業(yè)等部門，空氣濕度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，必須有效地進行監(jiān)測調(diào)控。

　　（4） 物品儲藏　各種物品對環(huán)境均有一定的適應(yīng)性。濕度過高過低均會使物品喪失原有性能。如在高濕度地區(qū)，電子產(chǎn)品在倉庫的損害嚴重，非金屬零件會發(fā)霉變質(zhì)，金屬零件會腐蝕生銹。

　?。?） 精密儀器的使用保護　許多精密儀器、設(shè)備對工作環(huán)境要求較高。環(huán)境濕度必須控制在一定范圍內(nèi)，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濕度在55 % ±10 %較好。溫度過高會影響絕緣性能，過低易產(chǎn)生靜電，影響正常工作。