湿度传感器技术

湿度传感器技术 

湿度传感器，英文名称为humidity transducer，是一种能感受气体中水蒸气含量，并转换成可用输出信号的传感器。主要应用于机械工程、传感器、气体及湿度传感器等方面。多数情况下，如果没有精确的控温手段，或者被测空间是非密封的±5%RH的精度就够了。对于要求精确控制恒温、恒湿的局部空间，或者需要随时跟踪记录湿度变化的场合，再选用±3%RH。

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。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。

　　湿敏电容：湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的。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。

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。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。湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要电阻式、电容式两大类。

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。

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），当相对湿度从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、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。

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。

单片智能化湿度/温度传感器

2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT11、SHT15型智能化湿度/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0～100%，分辨力达0.03%RH，最高精度为±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，抗干扰能力强，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，最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最初发生结露的温度。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。

国家标准

GB-T15768-1995电容式湿敏元件与湿度传感器总规范

GBT 11605-2005 湿度测量方法

JJF 1012-1987常用湿度计量名词术语

JJF 1076-2001湿度传感器校准规范

JJF 1101-2003环境试验设备温度湿度校准规范

JJG 205-2005机械式温湿度计检定规程

JJG 499-2004精密露点仪检定规程

JJG 500-2005电解法湿度仪检定规程

JJG 826-1993 二级标准分流式湿度发生器

JJG 899-1995石油低含水率分析仪检定方法