濕度感測器介紹及選用

一.大氣的濕度及露點
[1].絕對濕度和相對濕度
    地球表面的大氣層是由78%的氮氣、21%的氧氣和一小部分二氧化碳、水汽以及其他一些惰性氣體混合而成的。由於地面上的水和動植物會發生水份蒸發現象，因而地面上不斷地在生成水份，使大氣中含有水汽的量在不停地變化。由於水份的蒸發及凝結的過程總是伴隨著吸熱和放熱，因此大氣中的水汽的多少不但會影響大氣的濕度，而且使空氣出現潮濕或乾燥現象。大氣的乾濕程度，通常是用大氣中水汽的密度來表示的。即每1m3大氣所含水汽的克數來表示，它稱為大氣的絕對濕度。
    要想直接測量出大氣的水汽密度，方法比較複雜。而理論計算表明，在一般的氣溫條件下，大氣的水汽密度，與大氣中水汽的壓強數值十分接近。所以大氣的水汽密度又可以規定為大氣中所含水汽的壓強，又把它稱為大氣的絕對濕度，用符號D表示，常用的單位是mmHg。
    在許多與大氣的濕度有關的現象里，如農作物的生長綿紗的斷頭以及人們的感覺等等，都與大氣的絕對濕度沒有直接的關係，主要與大氣中的水汽離飽和狀態的遠近程度有關。比如，同樣是6mmHg的絕對濕度，如果在炎熱的夏季中午，由於離當時的飽和水汽壓（31.38mmHg）尚遠，使人感到乾燥，如果是在初冬的傍晚，由於水汽壓接近當時的飽和水汽壓（18.05mmHg）而使人感到潮濕。因此通常把大氣的絕對濕度跟當時氣溫下飽和水汽壓的百分偶稱為大氣的相對濕度，即
 
式中H——相對濕度
D——大氣的絕對濕度（mmHg）
Ds——當時氣溫下的飽和水汽壓（mmHg）
    上式表明，若大氣中所含水汽的壓強等於當時氣溫下的飽和水汽壓時，這時大氣的相對濕度等於100%RH。

[2].露點
    降低溫度可以使未飽和水汽變成飽和水汽。露點就是指使大氣中原來所含有的未飽和水汽變成飽和水汽所必須降低的溫度。因此只要能測出露點，就可以通過一些數據表查得當時大氣的絕對濕度。
    當大氣中的未飽和水汽接觸到溫度較低的物體時，就會使大氣中的未飽和水汽達到或接近飽和狀態，在這些物體上凝結成水滴。這種現象被稱為結露。結露對農作物有利，但對電子產品則是有害的。

二.濕敏感測器的分類
    水是一種極強的電解質。水分子有較大的電偶極矩，在氫原子附近有極大的正電場，因而它有很大的電子親和力，使得水分子易吸附在固體表面並滲透到固體內部。利用水分子這一特性製成的濕度感測器稱為水分子親和力型感測器。而把與水分子親和力無關的濕度感測器稱為非水分子親和力型感測器。在現代工業上使用的濕度感測器大多是水分子親和力型感測器，它們將濕度的變化轉換為阻抗或電容值的變化后輸出，圖1是濕度感測器的分類示意圖。
 

如何選用濕度感測器
一、濕度感測器的分類及感濕特點
    濕度感測器，分為電阻式和電容式兩種，產品的基本形式都為在基片塗覆感濕材料形成感濕膜。空氣中的水蒸汽吸附於感濕材料后，元件的阻抗、介質常數發生很大的變化，從而製成濕敏元件。國內外各廠家的濕度感測器產品水平不一，質量價格都相差較大，用戶如何選擇性能價格比最優的理想產品確有一定難度，需要在這方面作深入的了解。濕度感測器具有如下特點：

1. 精度和長期穩定性
   濕度感測器的精度應達到±2%~±5%RH，達不到這個水平很難作為計量器具使用，濕度感測器要達到±2%~±3%RH的精度是比較困難的，通常產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，由於塵土、油污及有害氣體的影響，使用時間一長，會產生老化，精度下降，濕度感測器的精度水平要結合其長期穩定性去判斷，一般說來，長期穩定性和使用壽命是影響濕度感測器質量的頭等問題，年漂移量控制在1%RH水平的產品很少，一般都在±2%左右，甚至更高。
2. 濕度感測器的溫度係數
   濕敏元件除對環境濕度敏感外，對溫度亦十分敏感，其溫度係數一般在0.2~0.8%RH/℃範圍內，而且有的濕敏元件在不同的相對濕度下 ，其溫度係數又有差別。溫漂非線性，這需要在電路上加溫度補償式。採用單片機軟體補償，或無溫度補償的濕度感測器是保證不了全溫範圍的精度的，濕度感測器溫漂曲線的線性化直接影響到補償的效果，非線性的溫漂往往補償不出較好的效果，只有採用硬體溫度跟隨性補償才會獲得真實的補償效果。濕度感測器工作的溫度範圍也是重要參數。多數濕敏元件難以在40℃以上正常工作。
3. 濕度感測器的供電
   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，會導致性能變化，甚至失效，所以這類濕度感測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，濕度感測器普遍存在著互換性差的現象，同一型號的感測器不能互換，嚴重影響了使用效果，給維修、調試增加了困難，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。溫度標定往往用一根標準溫度計作標準即可，而濕度的標定標準較難實現，乾濕球溫度計和一些常見的指針式濕度計是不能用來作標定的，精度無法保證，因其要求環境條件非常嚴格，一般情況，（最好在濕度環境適合的條件下）在缺乏完善的檢定設備時，通常用簡單的飽和鹽溶液檢定法，並測量其溫度。

二、對濕度感測器性能作初步判斷的幾種方法
    在濕度感測器實際標定困難的情況下，可以通過一些簡便的方法進行濕度感測器性能判斷與檢查。

1. 一致性判定，同一類型，同一廠家的濕度感測器產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，在相對穩定的條件下，觀察測試的一致性。若進一步檢測，可在24h內間隔一段時間記錄，一天內一般都有高、中、低3種濕度和溫度情況，可以較全面地觀察產品的一致性和穩定性，包括溫度補償特性。
2. 用嘴呵氣或利用其它加濕手段對感測器加濕，觀察其靈敏度、重複性、升濕脫濕性能，以及解析度，產品的最高量程等。
3. 對產品作開盒和關盒兩種情況的測試。比較是否一致，觀察其熱效應情況。
4. 對產品在高溫狀態和低溫狀態（根據說明書標準）進行測試，並恢復到正常狀態下檢測和實驗前的記錄作比較，考查產品的溫度適應性，並觀察產品的一致性情況。

    產品的性能最終要依據質檢部門正規完備的檢測手段。利用飽和鹽溶液作標定，也可使用名牌產品作比對檢測，產品還應進行長期使用過程中的長期標定才能較全面地判斷濕度感測器的質量。

三、對市場上濕度感測器產品的幾點分析
    國內市場上出現了不少國內外濕度感測器產品，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點在於響應速度快、體積小、線性度好、較穩定，國外有些產品還具備高溫工作性能。但是達到上述性能的產品多為國外名牌，價格都較昂貴。市場上出售的一些電容式濕敏元件低價產品，往往達不到上述水平，線性度、一致性和重複性都不甚理想，30%RH以下，80%RH以上感濕段變形嚴重。有些產品採用單片機補償修正，使濕度出現"階躍"性的跳躍，使精度降低，出現一致性差、線性差的缺點。無論高檔次或低檔次的電容式濕敏元件，長期穩定性都不理想，多數長期使用漂移嚴重，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，往往對環境的潔凈度要求較高，有的產品還存在光照失效、靜電失效等現象，金屬氧化物為陶瓷濕敏電阻，具有濕敏電容相同的優點，但塵埃環境下，陶瓷細孔被封堵元件就會失效，往往採用通電除塵的方法來處理，但效果不夠理想，且在易燃易爆環境下不能使用，氧化鋁感濕材料無法克服其表面結構"天然老化"的弱點，阻抗不穩定，金屬氧物陶瓷濕敏電阻也同樣存在長期穩定性差的弱點。
    氯化鋰濕敏電阻，具有最突出的優點是長期穩定性極強，因此通過嚴格的工藝製作，製成的儀錶和感測器產品可以達到較高的精度，穩定性強是產品具備良好的線性度、精密度及一致性，是長期使用壽命的可靠保證。氯化鋰濕敏元件的長期穩定性其它感濕材料尚無法取代。