湿度传感器的原理、分类、特点特性、参数及其应用

　　人类的生存和社会活动与湿度密切相关。随着现代化的发展，很难找出一个与湿度无关的领域来。由于应用领域不同，对湿度传感器的技术要求也不同。从制造角度看，同是湿度传感器，材料、结构不同，工艺不同．其性能和技术指标（像精度方面）有很大差异，因而价格也相差甚远。对使用者来说，选择湿度传感器时，首先要搞清楚需要什么样的传感器；在自己的财力允许的情况下选购何种档次的产品，权衡好“需要与可能”的关系，不至于盲目行事。从我们与用户的来往来看，觉得有以下几个问题值得注意。

　　湿度传感器的原理

　　水分子亲和力型湿度传感器，是利用水分子有较大的偶极矩，因而易于吸附在固体表面并渗透到固体内部的特性（成为水分子亲和力）制成的湿度传感器，其测量原理在于感湿材料吸湿或脱湿过程改变其自身的性能从而构成不同类型的湿度传感器。

　　非水分子亲和力型湿度传感器，主要的测量原理有：利用潮湿空气和干燥空气的热传导之差来测定湿度；利用微波在含水蒸汽的空气中传播，水蒸汽吸收微波使其产生一定的能量损耗，传输损耗的能量与环境空气中的湿度有关以此来测定湿度；利用水蒸汽能吸收特定波长的红外线来测定空气中的湿度。

　　湿度包括气体的湿度和固体的湿度。气体的湿度是指大气中水蒸气的含量，度量方法有绝对湿度，即每立方米气体在标况下（0℃，1大气压）所含有的水蒸气的重量，即水蒸气密度；相对湿度，即一定体积气体中实际含有的水蒸气分压与相同温度下该气体所能包含的最大水蒸气分压之比；或含湿量，即每㎏干空气中所含水蒸气的质量。其中相对湿度是最常用的。固体的湿度是物质中所含水分的百分数，即物质中所含水分的质量与其总质量之比。

　　利用水分子有较大的偶极矩，因而易于吸附在固体表面并渗透到固体内部的特性制成的湿度传感器称为水分子亲和力型湿度传感器，其测量原理在于感湿材料吸湿或脱湿过程改变其自身的性能从而构成不同类型的湿度传感器；把与水分子亲和力无关的湿度传感器称为非水分子亲和力型传感器，其主要的测量原理有：利用潮湿空气和干燥空气的热传导之差来测定湿度；利用微波在含水蒸汽的空气中传播，水蒸汽吸收微波使其产生一定的能量损耗，传输损耗的能量与环境空气中的湿度有关以此来测定湿度；利用水蒸汽能吸收特定波长的红外线来测定空气中的湿度。

　　湿度传感器的分类与特点

　　根据敏感方案是否基于水分子的极性吸附特性，可以把湿度传感器分为水分子亲和力型和非水分子亲和力型。根据湿敏材料的不同可以对水分子亲和力型湿度传感器进一步分类；根据测量原理的不同可以对非水分子亲和力型湿度传感器进一步分类，如表1所示。

　　1.水分子亲和力型湿度传感器

　　根据使用材料的不同，水分子亲和力型湿度传感器分为以下四类

　　（1） 电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小。

　　（2） 陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。

　　（3） 高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极，通过浸渍或涂覆，使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜。有机高分子的材料种类也很多，工作原理也各不相同。

　　（4） 单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成。制成二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。

　　一种典型的水分子亲和力型湿度传感器——氯化锂电阻湿度传感器介绍：

　　氯化锂是一种在大气中不分解、不挥发，也不变质而具有稳定的离子型无机盐类。其吸湿量与空气相对湿度成一定函数关系，随着空气相对湿度的增减变化，氯化锂吸湿量也随之变化。当氯化锂溶液吸收水汽后，使导电的离子数增加，因此导致电阻的降低；反之，则使电阻增加。这种将空气相对湿度转换为其电阻值的测量方法称为吸湿法湿度测量。氯化锂电阻湿度计的传感器就是根据这一原理工作的。其结构和阻—湿特性分别如图1，图2所示。

　　氯化锂传感器的测湿范围与所涂氯化锂浓度及其它成分有关。采用某一浓度制作的元件在其有效的感湿范围内，其电阻值随周围空气相对湿度的变化符合指数关系。当湿度低于其有效的感湿范围时，其阻值迅速增加，趋于无限大；而当高于该范围时，其阻值变得非常小，乃至趋于零。每一传感器的测量范围较窄，故应按照测量范围的要求，选用相应的量程。为扩大测量范围，可采用多片组合传感器。组合式氯化锂湿度传感器的结构和阻-湿特性如图3，图4所示。

　　2.非水分子亲和力型湿度传感器

　　利用潮湿空气和干燥空气的热传导之差来测定湿度，可以制成热敏电阻式湿度传感器；利用微波或超声波在含水蒸汽的空气中传播时，传输损耗的能量与环境空气中的湿度的相关性来测定湿度，可以制成微波或超声波湿度传感器；利用水蒸汽能吸收特定波长的红外线来测定空气中的湿度，可以制成红外吸收式湿度传感器。一种典型的红外吸收式湿度传感器的结构和工作原理如图1所示。

　　湿度传感器的特性参数

　　湿度传感器的特性参数主要有：湿度量程、灵敏度、温度系数、响应时间、湿滞回差、感湿特征量-相对湿度特性曲线等。 ?

　　（1） 湿度量程：它是指湿度传感器能够较精确测量的环境湿度的最大范围。由于各种湿度传感器所使用的材料及依据的工作原理不同，其特性并不都能适用于0～100%RH的整个相对湿度范围。

　　（2） 感湿特征量-相对湿度特性曲线： 湿度传感器的输出变量称为其感湿特征量， 如电阻、电容等。 湿度传感器的感湿特征量随环境湿度的变化曲线， 称为传感器的感湿特征量-环境湿度特性曲线， 简称为感湿特性曲线。 性能良好的湿度敏感器件的感湿特性曲线， 应有宽的线性范围和适中的灵敏度。

　　（3） 灵敏度：湿度传感器的灵敏度即其感湿特性曲线的斜率。大多数湿度敏感器件的感湿特性曲线是非线性的， 因此尚无统一的表示方法。 较普遍采用的方法是用器件在不同环境湿度下的感湿特征量之比来表示。

　　（4） 湿度温度系数： 它定义为在器件感湿特征量恒定的条件下，该感湿特征量值所表示的环境相对湿度随环境温度的变化率， 即

　　因此，环境温度将造成测湿误差。 例如，α=0.3％RH/℃时， 环境的温度变化20℃，将引起6％RH的测湿误差。

　　（5） 响应时间： 它表示当环境湿度发生变化时， 传感器完成吸湿或脱湿以及动态平衡过程所需时间的特性参数。 响应时间用时间常数τ来定义， 即感湿特征量由起始值变化到终止值的0.632倍所需的时间。可见， 响应时间是与环境相对湿度的起、止值密切相关。

　　（6） 湿滞回线和湿滞回差：一个湿度传感器在吸湿和脱湿两种情况下的感湿特性曲线不相重复，一般可形成为一回线，这种特性称为湿滞特性； 其曲线称为湿滞回线。

　　湿度传感器的应用

　　任何行业的工作都离不开空气，而空气的湿度又与工作、生活、生产有直接联系，使湿度的监测与控制越来越显得重要。湿度传感器的应用主要有如下几个方面：

　　（1） 气候监测 天气测量和预报对工农业生产、军事及人民生活和科学实验等方面都有重要意义，因而湿度传感器是必不可少的测湿设备，如树脂膨散式湿度传感器已用于气象气球测湿仪器上。

　　（2） 温室养殖 现代农林畜牧各产业都有相当数量的温室，温室的湿度控制与温度控制同样重要，把湿度控制在农作物、树木、畜禽等生长适宜的范围，是减少病虫害、提高产量的条件之一。

　　（3） 工业生产　在纺织、电子、精密机器、陶瓷工业等部门，空气湿度直接影响产品的质量和产量，必须有效地进行监测调控。

　　（4） 物品储藏　各种物品对环境均有一定的适应性。湿度过高过低均会使物品丧失原有性能。如在高湿度地区，电子产品在仓库的损害严重，非金属零件会发霉变质，金属零件会腐蚀生锈。

　　（5） 精密仪器的使用保护　许多精密仪器、设备对工作环境要求较高。环境湿度必须控制在一定范围内，以保证它们的正常工作，提高工作效率及可靠性。如电话程控交换机工作湿度在55 % ±10 %较好。温度过高会影响绝缘性能，过低易产生静电，影响正常工作。