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湿度传感器发展趋势——杭州泽大仪器

2009年11月24日 09:48来源：转载>>进入该公司展台人气：1562

湿度

　　在计量法中规定,湿度定义为“物象状态的量”。日常生活中所指的湿度为相对湿度，％rh表示。总言之，即气体中（通常为空气中）所含水蒸气量（水蒸气压）与其空气相同情况下饱和水蒸气量（饱和水蒸气压）的百分比。

　　湿度测量的历史

　　湿度和温度很久以前就与生活存在着密切的关系,但用数量来进行表示较为困难。湿度计测的历史可以追溯到中国的天秤型（公元前179年）为zui早的湿度计测。（温度计测可追溯到记载的希腊时代的温度计。）

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　　湿度（Absolute humidity）

　　单位体积（1m3）的气体中含有水蒸气的质量（g）。

　　表示∶D=g/m3

　　但是,即使水蒸气量相同,由于温度和压力的变化气体体积也要发生变化,即湿度D发生变化。D为容积基准。

　　相对湿度（Relative humidity）

　　气体中的水蒸气压（e）与其气体的饱和水蒸气压（ｅs）的比／用百分比表示。

　　表示∶rh=e/es×*

　　但是,温度和压力的变化导致饱和水蒸气压的变化,rh也将随之而变化。

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　　饱和水蒸气压（Saturation Vapor Pressure）

　　气体中所含水蒸气的量是有限度的,达到限度的状态即可称之为饱和,此时的水蒸气压即称为饱和水蒸气压。此物理量亦随着温度,压力的变化而变化,并且,0℃以下即使同一湿度,与水共存的饱和水蒸气压（esw）和与冰共存的饱和水蒸气压（esi）的值不同,通常所采用的是与水共存的饱和水蒸气压（esw）。各温度对应的饱和水蒸气压表JIS-Z-8806在卷末记载。

　　露点（Dew Point）

　　温度较高的气体其所含水蒸气也较多,将此气冷却后,其所含水蒸气的量即使不发生变化,相对湿度增加,当达到一定温度时相对rh达到*饱和,此时,继续进行冷却的话,其中一部分的水蒸气将凝聚成露。此时的温度即为露点温度（Dew Point Temperature）。露点在0℃以下结冰时即为霜点（Frost Point）。

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　　不快指数"THI "（temperature humidity index）

　　不快指数这一术语,流行于表示居住环境,始用于1959年美国*。表示为:THI=（乾球温度td＋湿球温度tw）×0.72＋40.6,此数据70～75为半数不快,80以上基本上为全员不快,zui近,市场上有不快指数计在得以销售。

　　实效温度（Effective Temperature）

　　不快指数是人体可感知的指数的简易表示方式,随着zui近空气调和技术的发展,温度,湿度以外,又导入了风速等人间可感知的项目,从而创造了这个术语。与不快指数的差异不大,其变化较为接近。

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　　等价温度（Equivalent-Warmth）

　　包含实效温度的要素（温度,湿度,气流）以及辐射等4要素的术语。

　　混合比"X"（humidity mixing ratio）

　　对于１kg水蒸气以下的空气（干燥空气）,包含Xkg比例的水蒸气,其质量的比例X（kg／kg）为混合比,即使温度压力和体积发生变化,只要水蒸气的量不变,其混合比不变。因此,为了便于计算,在工业上将混合比称为湿度来使用。X为重量标准。

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　　空气线图

　　即表现含有水蒸气的空气（湿气）性质的线图,横轴表示的是热函（I）,纵轴表示的是混合比（X）,图中的1点所有表示的空气的状态称为状态点,知道了这个状态点,其状态下空气的干球温度,湿球温度,ludian温度,混合比,相对湿度,以及热函即可计算出来。

　　※ｴ热函（kcal/kg）…干燥空气的显热和水蒸气的显热+潜热的合计。（即湿气的全热量）。

　　比湿"S"（Specific humidity）

　　即湿气（1kg）中所含的水蒸气（kg）。kg/kg来表示。

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　　比较湿度"φ"（percentage humidity）

　　即1kg干气中所含水蒸气量（湿气的X）和同样温度的1kg干气所含饱和水蒸气量（饱和空气的湿度Xs）的比值的100倍。

　　φ=X/Xs×*或称为饱和度（Saturation degree）即φ=0为干燥空气,φ=100为饱和空气。

　　摩尔比（molar humidity）"λ"

　　即水蒸气压和干气的压力比,即两者的摩尔数的比。

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　　饱差（saturation deficit）

　　即es-e或Ds-D。在论述水的蒸发,干燥时用。

　　标准温湿度状态（JIS-8703）

　　标准湿度状态１级：相对湿度 65±2%rh

　　标准湿度状态２级：相对湿度 65±5%rh

　　标准湿度状态３级：相对湿度 65±20%rh

　　通常３级湿度状态为常湿。

　　标准温湿度状态１类：温度20±1℃　相对湿度 65±2%rh

　　标准温湿度状态２类：温度20±2℃　相对湿度 65±2%rh

　　标准温湿度状态３类：温度20±2℃　相对湿度 65±5%rh

　　常温常湿:温度 20±15℃ 相对湿度 65±20%rh

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　　湿（干）球温度（Wet-bulb temperature）"tw"

　　与外部隔热的系统内气体与液体接触,气体传导给液体一定的热量,其受热液体部分蒸发,气体的温度,湿度以及液温均无变化时的液温（tw℃）为其时的气体状态的湿球温度。即其时的气体温度（t℃）为干球温度（化学工学词典）

　　断热饱和温度（Adiabatic Saturation temperature）"ts"

　　空气在断热的状态下与水接触,称为与水温相同的饱和空气。此时的温度为断热饱和温度。

　　※湿球温度计的湿球感热部的表面的水分进行蒸发夺取潜热,与周围的空气进行热5m/sec以上时即可与断热饱和温度相同。

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　　水分活性（water activity）"Aw"

　　食品中所含的水分,与自由水区别开来,以结晶水的形态自由吸放。以前计算食品水分含水量的方式是将食品进行干燥比较其重量,zui近采用热力学的方法使用自由水和自由度来表示水分活性的观点是比较合理方法,其值为Aw。

　　显热"kcal/kg"

　　随着物体温度的升降,干燥空气1kg所出入的热量/温度相当于○0．24T显热,0．24即为干燥空气的重量比热（kcal/kg℃）。

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　　潜热"kcal/kg"

　　物体的蒸发,凝聚相互变化时,即使出入的热量/温度的升降发生变化,其出入的热量不变。温度T的水蒸气1kg的潜热（597.3+0.44T）。597.3是蒸气的气化潜热。

　　热函

　　即物体的保有热量的总量。

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　　热水分比"μ"

　　不饱和空气从其他物体（例如其他空气,水,水蒸气等）上得到热和水分时,其空气的热函变化量⊿i和湿度的变化量⊿X的比

　　μ=⊿i／⊿X

　　雾气

　　饱和空气中混有水滴的状态。

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　　含雪空气

　　饱和空气中混有雪和冰的状态。

　　比重量"γ" 湿度传感器的发展趋势（转载）

在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。但在常规的环境参数中，湿度是zui难准确测量的一个参数。用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素（大气压强、温度）的影响。此外，湿度的标准也是一个难题。国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。

近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。

1 湿敏元件的特性

湿敏元件是zui简单的湿度传感器。湿敏元件主要电阻式、电容式两大类。

1.1 湿敏电阻

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。湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。

1.2 湿敏电容

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、酷酸醋酸纤维等。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。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。国外生产湿敏电容的主厂家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。以Humirel公司生产的SH1100型湿敏电容为例，其测量范围是（1%～99%）RH，在55%RH时的电容量为180pF（典型值）。当相对湿度从0变化到*时，电容量的变化范围是163pF～202pF。温度系数为0.04pF/℃，湿度滞后量为±1.5%，响应时间为5s。

除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件（利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率）、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。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。

表1 集成湿度传感器的主要技术指标

2 集成湿度传感器的性能特点及产品分类

目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Honeywell公司（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型），Humirel公司（HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型），Sensiron公司（SHT11、SHT15型）。这些产品可分成以下三种类型：

2.1 线性电压输出式集成湿度传感器

典型产品有HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特点是采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。

2.2 线性频率输出集成湿度传感器

典型产品为HF3223型。它采用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器，在55%RH时的输出频率为8750Hz（型值），当上对湿度从10%变化到95%时，输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。这种传感器具有线性度好、抗*力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。

2.3 频率/温度输出式集成湿度传感器

典型产品为HTF3223型。它除具有HF3223的功能以外，还增加了温度信号输出端，利用负温度系数（NTC）热敏电阻作为温度传感器。当环境温度变化时，其电阻值也相应改变并且从NTC端引出，配上二次仪表即可测量出温度值。

3 单片智能化温度/温度传感器

2002年Sensiron公司在世界上研制成功SHT11、SHT15型智能化温度/温度传感器，其外形尺寸仅为7.6（mm）×5（mm）×2.5（mm），体积与火柴头相近。出厂前，每只传感器都在温度室中做过精密标准，标准系数被编成相应的程序存入校准存储器中，在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。它们不仅能准确测量相对温度，还能测量温度和露点。测量相对温度的范围是0～*，分辨力达0.03%RH，zui高精度为±2%RH。测量温度的范围是-40℃～+123.8℃，分辨力为0.01℃。测量露点的精度<±1℃。在测量湿度、温度时A/D转换器的位数分别可达12位、14位。利用降低分辨力的方法可以提高测量速率，减小芯片的功耗。SHT11/15的产品互换性好，响应速度快，抗*力强，不需要外部元件，适配各种单片机，可广泛用于医疗设备及温度/湿度调节系统中。

芯片内部包含相对湿度传感器、温度传感器、放大器、14位A/D转换器、校准存储器（E2PROM）、易失存储器（RAM）是、状态寄存器、循环冗余校验码（CRC）寄存器、二线串行接口、控制单元、加热器及低电压检测电路。其测量原理是首先利用两只传感器分别产生相对湿度、温度的信号，然后经过放大，分别送至A/D转换器进行模/数转换、校准和纠错，zui后通过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至μC。鉴于SHT11/15输出的相对湿度读数值与被测相对湿度呈非线性关系，为获得相对湿度的准确数据，必须利用μC对读数值进行非线性补偿。此外当环境温度TA≠+25℃时，还需要对相对湿度传感器进行温度补偿。

芯片内部有一个加热器。将状态寄存器的第2位置“1”时该加热器接通电源，可使传感器的温度大约升高5℃，电源电流亦增加8mA（采用+5V电源）。使用加热器可实现以下三种功能：①通过比较加热前后测出的相对湿度值及温度值，可确定传感器是否正常工作；②在潮湿环境下使用加热器，可避免传感器凝露；③测量露点时也需要使用加热器。

露点也是湿度测量中的一个重要参数，它表示在水汽冷却过程中zui初发生结露的温度。为了计算露点，Sensirion公司还向用户提供一个测量露点的程序“SHT xdp.bsx”。利用该程序可以控制内部加热器的通、断，再根据所测得的温度值及相对湿度值计算出露点。在命令响应界面上运行此程序时，计算机屏幕上就显示提示符“>”。用户首先从键盘上输入字母“S”，然后输入相应的数字，即可获得下述结果：

输入数字“1”时，测量并显示出摄氏温度dgC=xx.x；

输入数字“2”时，测量并显示出相对湿度%RH=xx.x；

输入数字“3”时，打开加热器，使传感器温度升高5℃；

输入数字“4”时，关闭加热器，使传感器降温；

输入数字“5”时，显示露点温度dpC=xx.x。

4 集成湿度传感器典型产品的技术指标

集成湿度传感器典型产品的主要标详见表1。由表可见，集成湿度传感器的测量范围一般可达到0～*。但有的厂家为保证精度指标而将测量范围限制为10%～95%。设计+3.3V低压供电的湿度/温度测试系统时，可选用SHT11、SHT15传感器。这种传感器在测量阶段的工作电流为550μA，平均工作电流为28μA（12位）或2μA（8位）。上电时默认为休眠模式（Sleep Mode），电源电流仅为0.3μA（典型值）。测量完毕只要没有新的命令，就自动返回休眠模式，能使芯片功耗降至zui低。此外，它们还具有低电压检测功能。当电源电压低于+2.45V±0.1V时，状态寄存器的第6位立即更新，使芯片不工作，从而起到了保护作用。

(来源：转载)

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