各類濕度感測器的性能特點及分類

   關鍵詞：集成濕度感測器 單片智能濕度/溫度感測器 校準 補償

在工農業生產、氣象、環保、國防、科研、航天等部門，經常需要對環境濕度進行測量及控制。但在常規的環境參數中，濕度是最難準確測量的一個參數。用乾濕球濕度計或毛髮濕度計來測量濕度的方法，早已無法滿足現代科技發展的需要。這是因為測量濕度要比測量溫度複雜的多，溫度是個獨立的被測量，而濕度卻受其他因素（大氣壓強、溫度）的影響。此外，濕度的標準也是一個難題。國外生產的濕度標定設備價格十分昂貴。

近年來，國內外在濕度感測器研發領域取得了長足進步。濕敏感測器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數檢測的方向迅速發展，為開發新一代濕度/溫度測控系統創造了有利條件，也將濕度測量技術提高到新的水平。

1 濕敏元件的特性

濕敏元件是最簡單的濕度感測器。濕敏元件主要電阻式、電容式兩大類。

1.1 濕敏電阻

濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料製成的膜，當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發生變化，利用這一特性即可測量濕度。濕敏電阻的種類很多，例如金屬氧化特濕敏電阻、硅濕敏電阻、陶瓷濕敏電阻等。濕敏電阻的優點是靈敏度高，主要缺點是線性度和產品的互換性差。

1.2 濕敏電容

濕敏電容一般是用高分子薄膜電容製成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚醯亞胺、酷酸醋酸纖維等。當環境濕度發生改變時，濕敏電容的介電常數發生變化，使其電容量也發生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。濕敏電容的主要優點是靈敏度高、產品互換性好、響應速度快、濕度的滯后量小、便於製造、容易實現小型化和集成化，其精度一般比濕敏電阻要低一些。國外生產濕敏電容的主廠家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。以Humirel公司生產的SH1100型濕敏電容為例，其測量範圍是（1%～99%）RH，在55%RH時的電容量為180pF（典型值）。當相對濕度從0變化到100%時，電容量的變化範圍是163pF～202pF。溫度係數為0.04pF/℃，濕度滯后量為±1.5%，響應時間為5s。

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



 

2 集成濕度感測器的性能特點及產品分類

目前，國外生產集成濕度感測器的主要廠家及典型產品分別為Honeywell公司（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型），Humirel公司（HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型），Sensiron公司（SHT11、SHT15型）。這些產品可分成以下三種類型：

2.1 線性電壓輸出式集成濕度感測器

典型產品有HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特點是採用恆壓供電，內置放大電路，能輸出與相對濕度呈比例關係的伏特級電壓信號，響應速度快，重複性好，抗污染能力強。

2.2 線性頻率輸出集成濕度感測器

典型產品為HF3223型。它採用模塊式結構，屬於頻率輸出式集成濕度感測器，在55%RH時的輸出頻率為8750Hz（型值），當上對濕度從10%變化到95%時，輸出頻率就從9560Hz減小到8030Hz。這種感測器具有線性度好、抗干擾能力強、便於配數字電路或單片機、價格低等優點。

2.3 頻率/溫度輸出式集成濕度感測器

典型產品為HTF3223型。它除具有HF3223的功能以外，還增加了溫度信號輸出端，利用負溫度係數（NTC）熱敏電阻作為溫度感測器。當環境溫度變化時，其電阻值也相應改變並且從NTC端引出，配上二次儀錶即可測量出溫度值。

3 單片智能化溫度/溫度感測器

2002年Sensiron公司在世界上率先研製成功SHT11、SHT15型智能化溫度/溫度感測器，其外形尺寸僅為7.6（mm）×5(mm)×2.5（mm），體積與火柴頭相近。出廠前，每隻感測器都在溫度室中做過精密標準，標準係數被編成相應的程序存入校準存儲器中，在測量過程中可對相對濕度進行自動校準。它們不僅能準確測量相對溫度，還能測量溫度和露點。測量相對溫度的範圍是0～100%，分辨力達0.03%RH，最高精度為±2%RH。測量溫度的範圍是-40℃～+123.8℃，分辨力為0.01℃。測量露點的精度<±1℃。在測量濕度、溫度時A/D轉換器的位數分別可達12位、14位。利用降低分辨力的方法可以提高測量速率，減小晶元的功耗。SHT11/15的產品互換性好，響應速度快，抗干擾能力強，不需要外部元件，適配各種單片機，可廣泛用於醫療設備及溫度/濕度調節系統中。

晶元內部包含相對濕度感測器、溫度感測器、放大器、14位A/D轉換器、校準存儲器（E2PROM）、易失存儲器（RAM）是、狀態寄存器、循環冗餘校驗碼（CRC）寄存器、二線串列介面、控制單元、加熱器及低電壓檢測電路。其測量原理是首先利用兩隻感測器分別產生相對濕度、溫度的信號，然後經過放大，分別送至A/D轉換器進行模/數轉換、校準和糾錯，最後通過二線串列介面將相對濕度及溫度的數據送至μC。鑒於SHT11/15輸出的相對濕度讀數值與被測相對濕度呈非線性關係，為獲得相對濕度的準確數據，必須利用μC對讀數值進行非線性補償。此外當環境溫度TA≠+25℃時，還需要對相對濕度感測器進行溫度補償。

晶元內部有一個加熱器。將狀態寄存器的第2位置“1”時該加熱器接通電源，可使感測器的溫度大約升高5℃，電源電流亦增加8mA(採用+5V電源)。使用加熱器可實現以下三種功能：①通過比較加熱前後測出的相對濕度值及溫度值，可確定感測器是否正常工作；②在潮濕環境下使用加熱器，可避免感測器凝露；③測量露點時也需要使用加熱器。

露點也是濕度測量中的一個重要參數，它表示在水汽冷卻過程中最初發生結露的溫度。為了計算露點，Sensirion公司還向用戶提供一個測量露點的程序“SHT xdp.bsx”。利用該程序可以控制內部加熱器的通、斷，再根據所測得的溫度值及相對濕度值計算出露點。在命令響應界面上運行此程序時，計算機屏幕上就顯示提示符“>”。用戶首先從鍵盤上輸入字母“S”，然後輸入相應的數字，即可獲得下述結果：

輸入數字“1”時，測量並顯示出攝氏溫度dgC=xx.x；

輸入數字“2”時，測量並顯示出相對濕度%RH=xx.x；

輸入數字“3”時，打開加熱器，使感測器溫度升高5℃；

輸入數字“4”時，關閉加熱器，使感測器降溫；

輸入數字“5”時，顯示露點溫度dpC=xx.x。

4 集成濕度感測器典型產品的技術指標

集成濕度感測器典型產品的主要標詳見表1。由表可見，集成濕度感測器的測量範圍一般可達到0～100%。但有的廠家為保證精度指標而將測量範圍限制為10%～95%。設計+3.3V低壓供電的濕度/溫度測試系統時，可選用SHT11、SHT15感測器。這種感測器在測量階段的工作電流為550μA，平均工作電流為28μA（12位）或2μA（8位）。上電時默認為休眠模式（Sleep Mode），電源電流僅為0.3μA（典型值）。測量完畢只要沒有新的命令，就自動返回休眠模式，能使晶元功耗降至最低。此外，它們還具有低電壓檢測功能。當電源電壓低於+2.45V±0.1V時，狀態寄存器的第6位立即更新，使晶元不工作，從而起到了保護作用。