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什么是濕度傳感器?濕度傳感器的簡(jiǎn)介_(kāi)測(cè)量_元件_條件

作者:佚名    文章來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)    點(diǎn)擊數(shù):    更新時(shí)間:2024/5/10

人類(lèi)的生存和社會(huì)活動(dòng)與濕度密切相關(guān)。隨著現(xiàn)代化的發(fā)展,很難找出一個(gè)與濕度無(wú)關(guān)的領(lǐng)域來(lái)。由于應(yīng)用領(lǐng)域不同,對(duì)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(biāo)(像精度方面)有很大差異,因而價(jià)格也相差甚遠(yuǎn)。

對(duì)使用者來(lái)說(shuō),選擇濕度傳感器時(shí),首先要搞清楚需要什么樣的傳感器;在自己的財(cái)力允許的情況下選購(gòu)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。

濕度傳感器 

原理:

濕敏元件是最簡(jiǎn)單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類(lèi)。

濕敏電阻的特點(diǎn)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(shí),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(cè)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(shí),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(duì)濕度成正比。

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(cè)濕精度高。

濕敏元件的線(xiàn)性度及抗污染性差,在檢測(cè)環(huán)境濕度時(shí),濕敏元件要長(zhǎng)期暴露在待測(cè)環(huán)境中,很容易被污染而影響其測(cè)量精度及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。這方面沒(méi)有干濕球測(cè)濕方法好。下面對(duì)各種濕度傳感器進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

1、氯化鋰濕度傳感器

(1)電阻式氯化鋰濕度計(jì)

第一個(gè)基于電阻-濕度特性原理的氯化鋰電濕敏元件是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局的F.W.Dunmore研制出來(lái)的。這種元件具有較高的精度,同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉,適用于常溫常濕的測(cè)控等一系列優(yōu)點(diǎn)。

氯化鋰元件的測(cè)量范圍與濕敏層的氯化鋰濃度及其它成分有關(guān)。單個(gè)元件的有效感濕范圍一般在20%RH 以?xún)?nèi)。例如0.05%的濃度對(duì)應(yīng)的感濕范圍約為(80~100)%RH ,0.2%的濃度對(duì)應(yīng)范圍是(60~80)%RH 等。由此可見(jiàn),要測(cè)量較寬的濕度范圍時(shí),必須把不同濃度的元件組合在一起使用。可用于全量程測(cè)量的濕度計(jì)組合的元件數(shù)一般為5個(gè),采用元件組合法的氯化鋰濕度計(jì)可測(cè)范圍通常為(15~100)%RH,國(guó)外有些產(chǎn)品聲稱(chēng)其測(cè)量范圍可達(dá)(2 ~100)%RH 。

(2)露點(diǎn)式氯化鋰濕度計(jì)

露點(diǎn)式氯化鋰濕度計(jì)是由美國(guó)的 Forboro 公司首先研制出來(lái)的,其后我國(guó)和許多國(guó)家都做了大量的研究工作。這種濕度計(jì)和上述電阻式氯化鋰濕度計(jì)形式相似,但工作原理卻完全不同。簡(jiǎn)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(jìn)行工作的。

2、碳濕敏元件

碳濕敏元件是美國(guó)的 E.K.Carver 和 C.W.Breasefield 于1942年首先提出來(lái)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(wú)沖蝕效應(yīng)和滯后環(huán)窄等優(yōu)點(diǎn),因之令人矚目。我國(guó)氣象部門(mén)于70年代初開(kāi)展碳濕敏元件的研制,并取得了積極的成果,其測(cè)量不確定度不超過(guò)±5%RH ,時(shí)間常數(shù)在正溫時(shí)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(jì)

氧化鋁傳感器的突出優(yōu)點(diǎn)是,體積可以非常小(例如用于探空儀的濕敏元件僅90μm厚、12mg重),靈敏度高(測(cè)量下限達(dá)-110℃露點(diǎn)),響應(yīng)速度快(一般在 0.3s 到 3s 之間),測(cè)量信號(hào)直接以電參量的形式輸出,大大簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理程序,等等。另外,它還適用于測(cè)量液體中的水分。如上特點(diǎn)正是工業(yè)和氣象中的某些測(cè)量領(lǐng)域所希望的。因此它被認(rèn)為是進(jìn)行高空大氣探測(cè)可供選擇的幾種合乎要求的傳感器之一。也正是因?yàn)檫@些特點(diǎn)使人們對(duì)這種方法產(chǎn)生濃厚的興趣。然而,遺憾的是盡管許多國(guó)家的專(zhuān)業(yè)人員為改進(jìn)傳感器的性能進(jìn)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(shí)用有關(guān)的重要問(wèn)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(lái),這種方法在工業(yè)中的低霜點(diǎn)測(cè)量方面開(kāi)始嶄露頭角。

4、陶瓷濕度傳感器

在濕度測(cè)量領(lǐng)域中,對(duì)于低濕和高濕及其在低溫和高溫條件下的測(cè)量,到目前為止仍然是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié),而其中又以高溫條件下的濕度測(cè)量技術(shù)最為落后。以往,通風(fēng)干濕球濕度計(jì)幾乎是在這個(gè)溫度條件下可以使用的唯一方法,而該法在實(shí)際使用中亦存在種種問(wèn)題,無(wú)法令人滿(mǎn)意。另一方面,科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展,要求在高溫下測(cè)量濕度的場(chǎng)合越來(lái)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(guò)程的濕度測(cè)量與控制。

因此,自60年代起,許多國(guó)家開(kāi)始竟相研制適用于高溫條件下進(jìn)行測(cè)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(wú)機(jī)物上。實(shí)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(chēng)之為“濕瓷 - Ⅱ型”和“濕瓷 - Ⅲ型”的多功能傳感器。前者可測(cè)控溫度和濕度,主要用于空調(diào),后者可用來(lái)測(cè)量濕度和諸如酒精等多種有機(jī)蒸氣,主要用于食品加工方面。

以上幾種是應(yīng)用較多的幾種類(lèi)型傳感器,另外還有其他根據(jù)不同原理而研制的濕度傳感器,這里就不一一介紹了。

濕度傳感器 

特性:

濕敏元件是最簡(jiǎn)單的濕度傳感器。濕敏元件主要電阻式、電容式兩大類(lèi)。

濕敏電阻

濕敏電阻的特點(diǎn)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(shí),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(cè)量濕度。濕敏電阻的種類(lèi)很多,例如金屬氧化特濕敏電阻、硅濕敏電阻、陶瓷濕敏電阻等。濕敏電阻的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高,主要缺點(diǎn)是線(xiàn)性度和產(chǎn)品的互換性差。

濕敏電容

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、酷酸醋酸纖維等。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí),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(duì)濕度成正比。濕敏電容的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、產(chǎn)品互換性好、響應(yīng)速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實(shí)現(xiàn)小型化和集成化,其精度一般比濕敏電阻要低一些。國(guó)外生產(chǎn)濕敏電容的主廠(chǎng)家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。以Humirel公司生產(chǎn)的SH1100型濕敏電容為例,其測(cè)量范圍是(1%~99%)RH,在55%RH時(shí)的電容量為180pF(典型值)。當(dāng)相對(duì)濕度從0變化到100%時(shí),電容量的變化范圍是163pF~202pF。溫度系數(shù)為0.04pF/℃,濕度滯后量為±1.5%,響應(yīng)時(shí)間為5s。

除電阻式、電容式濕敏元件之外,還有電解質(zhì)離子型濕敏元件、重量型濕敏元件(利用感濕膜重量的變化來(lái)改變振蕩頻率)、光強(qiáng)型濕敏元件、聲表面波濕敏元件等。濕敏元件的線(xiàn)性度及抗污染性差,在檢測(cè)環(huán)境濕度時(shí),濕敏元件要長(zhǎng)期暴露在待測(cè)環(huán)境中,很容易被污染而影響其測(cè)量精度及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

用途:

1、濕度傳感器的用途

濕度傳感器用于濕度測(cè)量,基于濕度定義有很多表示方法,本文將濕度傳感器定義為測(cè)量環(huán)境相對(duì)濕度的電子式敏感元件/器件。

2、濕度傳感器的分類(lèi)

  1. 碳膜濕度傳感器
  2. 金屬氧化物陶瓷式濕度傳感器
  3. 電解質(zhì)濕度傳感器——氯化鋰濕敏電阻
  4. 高分子濕度傳感器——高分子濕敏電阻
  5. 高分子濕度傳感器——高分子濕敏電容(流行)
  6. 紅外濕度傳感器
  7. 微波濕度傳感器
  8. 超聲波濕度傳感器

等等

發(fā)展趨勢(shì):

介紹濕敏元件的特性,重點(diǎn)闡述集成濕度傳感器、單片智能化濕度/溫度傳感器的性能特點(diǎn)及產(chǎn)品分類(lèi),最后給出集成濕度傳感器典型產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)。

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國(guó)防、科研、航天等部門(mén),經(jīng)常需要對(duì)環(huán)境濕度進(jìn)行測(cè)量及控制。但在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中,濕度是最難準(zhǔn)確測(cè)量的一個(gè)參數(shù)。用干濕球濕度計(jì)或毛發(fā)濕度計(jì)來(lái)測(cè)量濕度的方法,早已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代科技發(fā)展的需要。這是因?yàn)闇y(cè)量濕度要比測(cè)量溫度復(fù)雜的多,溫度是個(gè)獨(dú)立的被測(cè)量,而濕度卻受其他因素(大氣壓強(qiáng)、溫度)的影響。此外,濕度的標(biāo)準(zhǔn)也是一個(gè)難題。國(guó)外生產(chǎn)的濕度標(biāo)定設(shè)備價(jià)格十分昂貴。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。濕敏傳感器正從簡(jiǎn)單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測(cè)的方向迅速發(fā)展,為開(kāi)發(fā)新一代濕度/溫度測(cè)控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件,也將濕度測(cè)量技術(shù)提高到新的水平。

Tags:濕敏電阻,濕度傳感器,傳感器  
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