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對溫濕度傳感器的詳盡分析
隨著時代的發(fā)展，科研、農(nóng)業(yè)、暖通、機房、航空航天、電力等工業(yè)部門，越來越需要采用傳感器，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(jiān)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，這對一般用戶來講，仍是一件較為復(fù)雜的技術(shù)問題。
一、 濕度傳感器的分類及感濕特點
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(shù)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：
1、精度和長期穩(wěn)定性
濕度傳感器的精度應(yīng)達到±2%~±5%RH，達不到這個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。在實際使用中，由于塵土、油污及有害氣體的影響，使用時間一長，會產(chǎn)生老化，精度下降，濕度傳感器的精度水平要結(jié)合其長期穩(wěn)定性去判斷，一般說來，長期穩(wěn)定性和使用壽命是影響濕度傳感器質(zhì)量的頭等問題，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(shù)
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(shù)一般在0.2~0.8%RH/℃范圍內(nèi)，而且有的濕敏元件在不同的相對濕度下，其溫度系數(shù)又有差別。溫漂非線性，這需要在電路上加溫度補償式。采用單片機軟件補償，或無溫度補償?shù)臐穸葌鞲衅魇潜ＷC不了全溫范圍的精度的，濕度傳感器溫漂曲線的線性化直接影響到補償?shù)男Ч?，非線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獲得真實的補償效果。濕度傳感器工作的溫度范圍也是重要參數(shù)。多數(shù)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，會導(dǎo)致性能變化，甚至失效，所以這類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互換性差的現(xiàn)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(diào)試增加了困難，有些廠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(biāo)定往往用一根標(biāo)準溫度計作標(biāo)準即可，而濕度的標(biāo)定標(biāo)準較難實現(xiàn)，干濕球溫度計和一些常見的指針式濕度計是不能用來作標(biāo)定的，精度無法保證，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(shè)備時，通常用簡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
在濕度傳感器實際標(biāo)定困難的情況下，可以通過一些簡便的方法進行濕度傳感器性能判斷與檢查。
1、一致性判定，同一類型，同一廠家的濕度傳感器產(chǎn)品最好一次購買兩支以上，越多越說明問題，放在一起通電比較檢測輸出值，在相對穩(wěn)定的條件下，觀察測試的一致性。若進一步檢測，可在24h內(nèi)間隔一段時間記錄，一天內(nèi)一般都有高、中、低3種濕度和溫度情況，可以較全面地觀察產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)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，觀察其靈敏度、重復(fù)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)品作開盒和關(guān)盒兩種情況的測試。比較是否一致，觀察其熱效應(yīng)情況。
4、對產(chǎn)品在高溫狀態(tài)和低溫狀態(tài)（根據(jù)說明書標(biāo)準）進行測試，并恢復(fù)到正常狀態(tài)下檢測和實驗前的記錄作比較，考查產(chǎn)品的溫度適應(yīng)性，并觀察產(chǎn)品的一致性情況。
產(chǎn)品的性能最終要依據(jù)質(zhì)檢部門正規(guī)完備的檢測手段。利用飽和鹽溶液作標(biāo)定，也可使用名牌產(chǎn)品作比對檢測，產(chǎn)品還應(yīng)進行長期使用過程中的長期標(biāo)定才能較全面地判斷濕度傳感器的質(zhì)量。
三、對市場上濕度傳感器產(chǎn)品的幾點分析
國內(nèi)市場上出現(xiàn)了不少國內(nèi)外濕度傳感器產(chǎn)品，電容式濕敏元件較為多見，感濕材料種類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)點在于響應(yīng)速度快、體積小、線性度好、較穩(wěn)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，價格都較昂貴。市場上出售的一些電容式濕敏元件低價產(chǎn)品，往往達不到上述水平，線性度、一致性和重復(fù)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?jié)穸瘸霈F(xiàn)階躍性的跳躍，使精度降低，出現(xiàn)一致性差、線性差的缺點。無論高檔次或低檔次的電容式濕敏元件，長期穩(wěn)定性都不理想，多數(shù)長期使用漂移嚴重，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(shù)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(xiàn)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，但塵埃環(huán)境下，陶瓷細孔被封堵元件就會失效，往往采用通電除塵的方法來處理，但效果不夠理想，且在易燃易爆環(huán)境下不能使用，氧化鋁感濕材料無法克服其表面結(jié)構(gòu)天然老化的弱點，阻抗不穩(wěn)定，金屬氧物陶瓷濕敏電阻也同樣存在長期穩(wěn)定性差的弱點。
氯化鋰濕敏電阻，具有最突出的優(yōu)點是長期穩(wěn)定性極強，因此通過嚴格的工藝制作，制成的和傳感器產(chǎn)品可以達到較高的精度，穩(wěn)定性強是產(chǎn)品具備良好的線性度、精密度及一致性，長期使用壽命的可靠保證。氯化鋰濕敏元件的長期穩(wěn)定性其它感濕材料尚無法取代。
1、氯化鋰濕度傳感器
（1）電阻式氯化鋰濕度計 第一個基于電阻-濕度特性原理的氯化鋰電濕敏元件是美國標(biāo)準局的F.W.Dunmore研制出來的。這種元件具有較高的精度，同時結(jié)構(gòu)簡單、價廉，適用于常溫常濕的測控等一系列優(yōu)點。 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)。單個元件的有效感濕范圍一般在20%RH 以內(nèi)。例如0.05%的濃度對應(yīng)的感濕范圍約為（80～100）%RH ，0.2%的濃度對應(yīng)范圍是（60～80）%RH 等。由此可見，要測量較寬的濕度范圍時，必須把不同濃度的元件組合在一起使用。可用于全量程測量的濕度計組合的元件數(shù)一般為5個，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(yīng)速度快、重復(fù)性好、無沖蝕效應(yīng)和滯后環(huán)窄等優(yōu)點，因之令人矚目。我國氣象部門于70年代初開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±5%RH ，時間常數(shù)在正溫時為2～3s，滯差一般在7%左右，比阻穩(wěn)定性亦較好。
3、氧化鋁濕度計 氧化鋁傳感器的突出優(yōu)點是，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(yīng)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，大大簡化了數(shù)據(jù)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業(yè)人員為改進傳感器的性能進行了不懈的努力，但是在探索生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品的工藝條件，以及提高性能穩(wěn)定性等與實用有關(guān)的重要問題. 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(nèi)使用。近年來，這種方法在工業(yè)中的低霜點測量方面開始嶄露頭角。
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薄弱環(huán)節(jié)，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溫度條件下可以使用的唯一方法，而該法在實際使用中亦存在種種問題，無法令人滿意。另一方面，科學(xué)技術(shù)的進展，要求在高溫下測量濕度的場合越來越多，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)過程的濕度測量與控制。因此，自60年代起，許多國家開始竟相研制適用于高溫條件下進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眼于既具有吸水性又能耐高溫的某些無機物上。實踐已經(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(diào)，后者可用來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。
一、 濕度傳感器的分類及感濕特點
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(shù)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：
1、精度和長期穩(wěn)定性
濕度傳感器的精度應(yīng)達到±2%~±5%RH，達不到這個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。在實際使用中，由于塵土、油污及有害氣體的影響，使用時間一長，會產(chǎn)生老化，精度下降，濕度傳感器的精度水平要結(jié)合其長期穩(wěn)定性去判斷，一般說來，長期穩(wěn)定性和使用壽命是影響濕度傳感器質(zhì)量的頭等問題，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(shù)
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(shù)一般在0.2~0.8%RH/℃范圍內(nèi)，而且有的濕敏元件在不同的相對濕度下，其溫度系數(shù)又有差別。溫漂非線性，這需要在電路上加溫度補償式。采用單片機軟件補償，或無溫度補償?shù)臐穸葌鞲衅魇潜ＷC不了全溫范圍的精度的，濕度傳感器溫漂曲線的線性化直接影響到補償?shù)男Ч?，非線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獲得真實的補償效果。濕度傳感器工作的溫度范圍也是重要參數(shù)。多數(shù)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，會導(dǎo)致性能變化，甚至失效，所以這類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互換性差的現(xiàn)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(diào)試增加了困難，有些廠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(biāo)定往往用一根標(biāo)準溫度計作標(biāo)準即可，而濕度的標(biāo)定標(biāo)準較難實現(xiàn)，干濕球溫度計和一些常見的指針式濕度計是不能用來作標(biāo)定的，精度無法保證，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(shè)備時，通常用簡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
在濕度傳感器實際標(biāo)定困難的情況下，可以通過一些簡便的方法進行濕度傳感器性能判斷與檢查。
1、一致性判定，同一類型，同一廠家的濕度傳感器產(chǎn)品最好一次購買兩支以上，越多越說明問題，放在一起通電比較檢測輸出值，在相對穩(wěn)定的條件下，觀察測試的一致性。若進一步檢測，可在24h內(nèi)間隔一段時間記錄，一天內(nèi)一般都有高、中、低3種濕度和溫度情況，可以較全面地觀察產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)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，觀察其靈敏度、重復(fù)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)品作開盒和關(guān)盒兩種情況的測試。比較是否一致，觀察其熱效應(yīng)情況。
4、對產(chǎn)品在高溫狀態(tài)和低溫狀態(tài)（根據(jù)說明書標(biāo)準）進行測試，并恢復(fù)到正常狀態(tài)下檢測和實驗前的記錄作比較，考查產(chǎn)品的溫度適應(yīng)性，并觀察產(chǎn)品的一致性情況。
產(chǎn)品的性能最終要依據(jù)質(zhì)檢部門正規(guī)完備的檢測手段。利用飽和鹽溶液作標(biāo)定，也可使用名牌產(chǎn)品作比對檢測，產(chǎn)品還應(yīng)進行長期使用過程中的長期標(biāo)定才能較全面地判斷濕度傳感器的質(zhì)量。
三、對市場上濕度傳感器產(chǎn)品的幾點分析
國內(nèi)市場上出現(xiàn)了不少國內(nèi)外濕度傳感器產(chǎn)品，電容式濕敏元件較為多見，感濕材料種類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)點在于響應(yīng)速度快、體積小、線性度好、較穩(wěn)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，價格都較昂貴。市場上出售的一些電容式濕敏元件低價產(chǎn)品，往往達不到上述水平，線性度、一致性和重復(fù)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?jié)穸瘸霈F(xiàn)階躍性的跳躍，使精度降低，出現(xiàn)一致性差、線性差的缺點。無論高檔次或低檔次的電容式濕敏元件，長期穩(wěn)定性都不理想，多數(shù)長期使用漂移嚴重，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(shù)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(xiàn)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，但塵埃環(huán)境下，陶瓷細孔被封堵元件就會失效，往往采用通電除塵的方法來處理，但效果不夠理想，且在易燃易爆環(huán)境下不能使用，氧化鋁感濕材料無法克服其表面結(jié)構(gòu)天然老化的弱點，阻抗不穩(wěn)定，金屬氧物陶瓷濕敏電阻也同樣存在長期穩(wěn)定性差的弱點。
氯化鋰濕敏電阻，具有最突出的優(yōu)點是長期穩(wěn)定性極強，因此通過嚴格的工藝制作，制成的和傳感器產(chǎn)品可以達到較高的精度，穩(wěn)定性強是產(chǎn)品具備良好的線性度、精密度及一致性，長期使用壽命的可靠保證。氯化鋰濕敏元件的長期穩(wěn)定性其它感濕材料尚無法取代。
濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類。
1、氯化鋰濕度傳感器
（1）電阻式氯化鋰濕度計 第一個基于電阻-濕度特性原理的氯化鋰電濕敏元件是美國標(biāo)準局的F.W.Dunmore研制出來的。這種元件具有較高的精度，同時結(jié)構(gòu)簡單、價廉，適用于常溫常濕的測控等一系列優(yōu)點。 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)。單個元件的有效感濕范圍一般在20%RH 以內(nèi)。例如0.05%的濃度對應(yīng)的感濕范圍約為（80～100）%RH ，0.2%的濃度對應(yīng)范圍是（60～80）%RH 等。由此可見，要測量較寬的濕度范圍時，必須把不同濃度的元件組合在一起使用。可用于全量程測量的濕度計組合的元件數(shù)一般為5個，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(yīng)速度快、重復(fù)性好、無沖蝕效應(yīng)和滯后環(huán)窄等優(yōu)點，因之令人矚目。我國氣象部門于70年代初開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±5%RH ，時間常數(shù)在正溫時為2～3s，滯差一般在7%左右，比阻穩(wěn)定性亦較好。
3、氧化鋁濕度計 氧化鋁傳感器的突出優(yōu)點是，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(yīng)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，大大簡化了數(shù)據(jù)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業(yè)人員為改進傳感器的性能進行了不懈的努力，但是在探索生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品的工藝條件，以及提高性能穩(wěn)定性等與實用有關(guān)的重要問題. 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(nèi)使用。近年來，這種方法在工業(yè)中的低霜點測量方面開始嶄露頭角。
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薄弱環(huán)節(jié)，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溫度條件下可以使用的唯一方法，而該法在實際使用中亦存在種種問題，無法令人滿意。另一方面，科學(xué)技術(shù)的進展，要求在高溫下測量濕度的場合越來越多，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)過程的濕度測量與控制。因此，自60年代起，許多國家開始竟相研制適用于高溫條件下進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眼于既具有吸水性又能耐高溫的某些無機物上。實踐已經(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(diào)，后者可用來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。
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