一文讀懂溫濕度傳感器

據(jù)生理學(xué)家研究，人所處環(huán)境的溫濕度高低，會直接影響到人的體溫調(diào)節(jié)功能和熱傳導(dǎo)效應(yīng)。以至于人的體感適應(yīng)度的好壞，反映到思維活動的敏捷和精神狀態(tài)的優(yōu)良，從而影響了我們學(xué)習(xí)、工作的效率。經(jīng)過試驗分析，人體最適宜的室溫度應(yīng)是 18℃，濕度應(yīng)是 40% 至 60%。在人們的生產(chǎn)生活中，有許多不同的場所和環(huán)境對溫濕度都有特定的要求，因此，合理的溫濕度調(diào)控成為了一種必要手段。

溫濕度傳感器

由于溫度與濕度不管是從物理量本身，還是在實際人們的生活中都有著密切的關(guān)系，所以產(chǎn)生了溫濕度一體的傳感器。

溫濕度傳感器是指能將溫度量和濕度量轉(zhuǎn)換成容易被測量處理的電信號的設(shè)備或裝置。市場上的溫濕度傳感器一般是測量溫度量和相對濕度量。

溫度和濕度

先來了解一下溫度和濕度的幾個物理量：

溫度

度量物體冷熱的物理量，是國際單位制中 7 個基本物理量之一。在生產(chǎn)和科學(xué)研究中，許多物理現(xiàn)象和化學(xué)過程都是在一定的溫度下進(jìn)行的，人們的生活也和它密切相關(guān)。

濕度

濕度很久以前就與生活存在著密切的關(guān)系，但用數(shù)量來進(jìn)行表示較為困難。

日常生活中最常用的表示濕度的物理量是空氣的相對濕度。用 % RH 表示。在物理量的導(dǎo)出上相對濕度與溫度有著密切的關(guān)系。一定體積的密閉氣體，其溫度越高相對濕度越低，溫度越低，其相對濕度越高。其中涉及到復(fù)雜的熱力工程學(xué)知識。

有關(guān)濕度的一些定義：

相對濕度

在計量法中規(guī)定，濕度定義為“物象狀態(tài)的量”。日常生活中所指的濕度為相對濕度，用 RH% 表示?？傊?，即氣體中（通常為空氣中）所含水蒸氣量（水蒸氣壓）與其空氣相同情況下飽和水蒸氣量（飽和水蒸汽壓）的百分比。

絕對濕度

指單位容積的空氣里實際所含的水汽量，一般以克為單位。溫度對絕對濕度有著直接影響，一般情況下，溫度越高，水蒸氣發(fā)得越多，絕對濕度就越大；相反，絕對濕度就小。

飽和濕度

在一定溫度下，單位容積，空氣中所能容納的水汽量的最大限度。如果超過這個限度，多余的水蒸氣就會凝結(jié)，變成水滴，此時的空氣濕度變稱為飽和濕度?？諝獾娘柡蜐穸炔皇枪潭ú蛔兊模S著溫度的變化而變化。溫度越高，單位容積空氣中能容納的水蒸氣就越多，飽和濕度就越大。

露點

指含有一定量水蒸氣（絕對濕度）的空氣，當(dāng)溫度下降到一定程度時所含的水蒸氣就會達(dá)到飽和狀態(tài)（飽和濕度）并開始液化成水，這種現(xiàn)象叫做凝露。水蒸氣開始液化成水時的溫度叫做“露點溫度”簡稱“露點”。如果溫度繼續(xù)下降到露點以下，空氣中超飽和的水蒸氣就會在物體表面上凝結(jié)成水滴。此外，風(fēng)與空氣中的溫濕度有密切關(guān)系，也是影響空氣溫濕度變化的重要因素之一。

溫度傳感器的種類

溫度傳感器按檢測方法有接觸與非接觸式

接觸式溫度傳感器

接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸，又稱溫度計。

溫度計通過傳導(dǎo)或?qū)α鬟_(dá)到熱平衡，從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度。

一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內(nèi)，溫度計也可測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對于運動體、小目標(biāo)或熱容量很小的對象則會產(chǎn)生較大的測量誤差，常用的溫度計有雙金屬溫度計、玻璃液體溫度計、壓力式溫度計、電阻溫度計、熱敏電阻和溫差電偶等。

它們廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等部門。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計。

非接觸式溫度傳感器

它的敏感元件與被測對象互不接觸，又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可用來測量運動物體、小目標(biāo)和熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對象的表面溫度，也可用于測量溫度場的溫度分布。

最常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測溫儀表。

輻射測溫法包括亮度法（見光學(xué)高溫計）、輻射法（見輻射高溫計）和比色法（見比色溫度計）。

各類輻射測溫方法只能測出對應(yīng)的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對黑體（吸收全部輻射并不反射光的物體）所測溫度才是真實溫度。如欲測定物體的真實溫度，則必須進(jìn)行材料表面發(fā)射率的修正。而材料表面發(fā)射率不僅取決于溫度和波長，而且還與表面狀態(tài)、涂膜和微觀組織等有關(guān)，因此很難精確測量。

在自動化生產(chǎn)中往往需要利用輻射測溫法來測量或控制某些物體的表面溫度，如冶金中的鋼帶軋制溫度、軋輥溫度、鍛件溫度和各種熔融金屬在冶煉爐或坩堝中的溫度。

非接觸測溫優(yōu)點：測量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，因而對最高可測溫度原則上沒有限制。對于 1800℃以上的高溫，主要采用非接觸測溫方法。隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，輻射測溫 逐漸由可見光向紅外線擴展，700℃以下直至常溫都已采用，且分辨率很高。

按工作原理有下列形式的溫度傳感器：

金屬膨脹原理設(shè)計的傳感器

金屬在環(huán)境溫度變化后會產(chǎn)生一個相應(yīng)的延伸，因此傳感器可以以不同方式對這種反應(yīng)進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換。

雙金屬片式傳感器

雙金屬片由兩片不同膨脹系數(shù)的金屬貼在一起而組成，隨著溫度變化，材料 A 比另外一種金屬膨脹程度要高，引起金屬片彎曲。彎曲的曲率可以轉(zhuǎn)換成一個輸出信號。

雙金屬桿和金屬管傳感器

隨著溫度升高，金屬管（材料 A）長度增加，而不膨脹鋼桿（金屬 B）的長度并不增加，這樣由于位置的改變，金屬管的線性膨脹就可以進(jìn)行傳遞。反過來，這種線性膨脹可以轉(zhuǎn)換成一個輸出信號。

液體和氣體的變形曲線設(shè)計的傳感器

在溫度變化時，液體和氣體同樣會相應(yīng)產(chǎn)生體積的變化。

多種類型的結(jié)構(gòu)可以把這種膨脹的變化轉(zhuǎn)換成位置的變化，這樣產(chǎn)生位置的變化輸出（電位計、感應(yīng)偏差、擋流板等等）。

熱敏電阻溫度傳感器

熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料，大多為負(fù)溫度系數(shù)，即阻值隨溫度增加而降低。

溫度變化會造成大的阻值改變，因此它是最靈敏的溫度傳感器。但熱敏電阻的線性度極差，并且與生產(chǎn)工藝有很大關(guān)系。制造商給不出標(biāo)準(zhǔn)化的熱敏電阻曲線。

熱敏電阻體積非常小，對溫度變化的響應(yīng)也快。但熱敏電阻需要使用電流源，小尺寸也使它對自熱誤差極為敏感。

熱敏電阻在兩條線上測量的是絕對溫度，有較好的精度，但它比熱偶貴，可測溫度范圍也小于熱偶。它非常適合需要進(jìn)行快速和靈敏溫度測量的電流控制應(yīng)用。尺寸小對于有空間要求的應(yīng)用是有利的，但必須注意防止自熱誤差。

熱敏電阻還有其自身的測量技巧。熱敏電阻體積小是優(yōu)點，它能很快穩(wěn)定，不會造成熱負(fù)載。不過也因此很不結(jié)實，大電流會造成自熱。由于熱敏電阻是一種電阻性器件，任何電流源都會在其上因功率而造成發(fā)熱。因此要使用小的電流源。如果熱敏電阻暴露在高熱中，將導(dǎo)致永久性的損壞。

熱電偶溫度傳感器

熱電偶由兩個不同材料的金屬線組成，在末端焊接在一起。當(dāng)熱電偶一端受熱時，熱電偶電路中就有電勢差?？捎脺y量的電勢差來計算溫度。由于它必須有兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體，所以稱之為熱電偶。不同材質(zhì)做出的熱電偶使用于不同的溫度范圍，它們的靈敏度也各不相同。熱電偶的靈敏度是指加熱點溫度變化 1℃時，輸出電位差的變化量。對于大多數(shù)金屬材料支撐的熱電偶而言，這個數(shù)值大約在 5～40 微伏/℃之間。

由于熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細(xì)無關(guān)，用非常細(xì)的材料也能夠做成溫度傳感器。也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細(xì)微的測溫元件有極高的響應(yīng)速度，可以測量快速變化的過程。

熱電偶是溫度測量中最常用的溫度傳感器。其主要好處是寬溫度范圍和適應(yīng)各種大氣環(huán)境，而且結(jié)實、價低，無需供電，也是最便宜的。熱電偶是最簡單和最通用的溫度傳感器，但熱電偶并不適合高精度的的測量和應(yīng)用。

濕度傳感器的種類

濕度傳感器的濕敏元件分為 電阻式 和 電容式 兩種。

濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測量濕度。

濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。

常見的濕度測量方法有：動態(tài)法（雙壓法、雙溫法、分流法），靜態(tài)法（飽和鹽法、硫酸法），露點法，干濕球法和形形色色的電子式傳感器法。

動態(tài)法測量

這里雙壓法、雙溫法是基于熱力學(xué) P、V、T 平衡原理，平衡時間較長，分流法是基于絕對濕氣和絕對干空氣的精確混合。由于采用了現(xiàn)代測控手段，這些設(shè)備可以做得相當(dāng)精密，卻因設(shè)備復(fù)雜，昂貴，運作費時費工，主要作為標(biāo)準(zhǔn)計量之用，其測量精度可達(dá) ±2% RH -±1.5% RH。

靜態(tài)法測量

靜態(tài)法中的飽和鹽法，是濕度測量中最常見的方法，簡單易行。但飽和鹽法對液、氣兩相的平衡要求很嚴(yán)，對環(huán)境溫度的穩(wěn)定要求較高。用起來要求等很長時間去平衡，低濕點要求更長。特別在室內(nèi)濕度和瓶內(nèi)濕度差值較大時，每次開啟都需要平衡 6~8 小時。

露點法測量

露點法是測量濕空氣達(dá)到飽和時的溫度，是熱力學(xué)的直接結(jié)果，準(zhǔn)確度高，測量范圍寬。計量用的精密露點儀準(zhǔn)確度可達(dá) ±0.2℃甚至更高。但用現(xiàn)代光 — 電原理的冷鏡式露點儀價格昂貴，常和標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器配套使用。

干濕法測量

干濕球法，這是 18 世紀(jì)就發(fā)明的測濕方法。歷史悠久，使用最普遍。干濕球法是一種間接方法，它用干濕球方程換算出濕度值，而此方程是有條件的：即在濕球附近的風(fēng)速必需達(dá)到 2.5m / s 以上。普通用的干濕球溫度計將此條件簡化了，所以其準(zhǔn)確度只有 5~7% RH, 明顯低于電子濕度傳感器。顯然干濕球也不屬于靜態(tài)法，不要簡單地認(rèn)為只要提高兩支溫度計的測量精度就等于提高了濕度計的測量精度。

電子式濕敏傳感器

電子式濕敏傳感器的準(zhǔn)確度可達(dá) 2-3% RH，這比干濕球測濕精度高。

濕敏元件的線性度及抗污染性差，在檢測環(huán)境濕度時，濕敏元件要長期暴露在待測環(huán)境中，很容易被污染而影響其測量精度及長期穩(wěn)定性。這方面沒有干濕球測濕方法好。

溫濕度傳感器的選型

選擇溫濕度傳感器有以下注意 的事項：

①選擇測量范圍

和測量重量、溫度一樣，選擇濕度傳感器首先要確定測量范圍。除了氣象、科研部門外，搞溫、濕度測控的一般不需要全濕程 (0-100% RH) 測量。

②選擇測量精度

測量精度是濕度傳感器最重要的指標(biāo)，每提高 — 個百分點，對濕度傳感器來說就是上一個臺階，甚至是上一個檔次。因為要達(dá)到不同的精度，其制造成本相差很大，售價也相差甚遠(yuǎn)。所以使用者一定要量體裁衣，不宜盲目追求“高、精、尖”。如在不同溫度下使用濕度傳感器，其示值還要考慮溫度漂移的影響。

眾所周知，相對濕度是溫度的函數(shù)，溫度嚴(yán)重地影響著指定空間內(nèi)的相對濕度。溫度每變化 0.1℃。將產(chǎn)生 0.5% RH 的濕度變化 (誤差)。使用場合如果難以做到恒溫，則提出過高的測濕精度是不合適的。多數(shù)情況下，如果沒有精確的控溫手段，或者被測空間是非密封的，±5% RH 的精度就足夠了。

對于要求精確控制恒溫、恒濕的局部空間，或者需要隨時跟蹤記錄濕度變化的場合，再選用 ±3% RH 以上精度的濕度傳感器。而精度高于 ±2% RH 的要求恐怕連校準(zhǔn)傳感器的標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器也難以做到，更何況傳感器自身了。相對濕度測量儀表，即使在 20—25℃下，要達(dá)到 2% RH 的準(zhǔn)確度仍是很困難的。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。

③考慮時漂和溫漂

在實際使用中，由于塵土、油污及有害氣體的影響，使用時間一長，電子式濕度傳器會產(chǎn)生老化，精度下降，電子式濕度傳感器年漂移量一般都在 ±2% 左右，甚至更高。一般情況下，生產(chǎn)廠商會標(biāo)明 1 次標(biāo)定的有效使用時間為 1 年或 2 年，到期需重新標(biāo)定。

④其它注意事項

濕度傳感器是非密封性的，為保護(hù)測量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，應(yīng)盡量避免在酸性、堿性及含有機溶劑的氣氛中使用。也避免在粉塵較大的環(huán)境中使用。

為正確反映欲測空間的濕度，還應(yīng)避免將傳感器安放在離墻壁太近或空氣不流通的死角處。如果被測的房間太大，就應(yīng)放置多個傳感器。

有的濕度傳感器對供電電源要求比較高，否則將影響測量精度?；蛘邆鞲衅髦g相互干擾，甚至無法工作。使用時應(yīng)按照技術(shù)要求提供合適的、符合精度要求的供電電源。

傳感器需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號傳輸時，要注意信號的衰減問題。當(dāng)傳輸距離超過 200m 以上時，建議選用電流輸出信號的濕度傳感器。

未來的溫濕度傳感器市場尤其是在消費電子及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域擁有廣闊前景。體積小、功耗小、成本低、集成度高的 IC 半導(dǎo)體溫濕度傳感器的產(chǎn)品，將得到更大的推廣應(yīng)用。