傳感器與檢測技術(shù)課件 項目七 測量氣體濃度和濕度任務(wù)7.2 濕度傳感器測量濕度

項目七測量氣體濃度和濕度任務(wù)7.2濕度傳感器測量濕度任何行業(yè)的工作都離不開空氣，而空氣的濕度又與工作、生活、生產(chǎn)有直接聯(lián)系，使?jié)穸鹊谋O(jiān)測與控制越來越顯得重要。天氣測量和預(yù)報對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事及人民生活和科學(xué)實(shí)驗等方面都有重要意義，因而濕度傳感器是必不可少的測濕設(shè)備，如樹脂膨散式濕度傳感器已用于氣象氣球測濕儀器上。現(xiàn)代農(nóng)林畜牧各產(chǎn)業(yè)都有相當(dāng)數(shù)量的溫室，溫室的濕度控制與溫度控制同樣重要，把濕度控制在農(nóng)作物、樹木、畜禽等生長適宜的范圍，是減少病蟲害、提高產(chǎn)量的條件之一。在紡織、電子、精密機(jī)器、陶瓷工業(yè)等部門，空氣濕度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，必須有效地進(jìn)行監(jiān)測調(diào)控。物品儲藏各種物品對環(huán)境均有一定的適應(yīng)性。濕度過高過低均會使物品喪失原有性能。任務(wù)描述任務(wù)描述：如在高濕度地區(qū)，電子產(chǎn)品在倉庫的損害嚴(yán)重，非金屬零件會發(fā)霉變質(zhì)，金屬零件會腐蝕生銹。許多精密儀器、設(shè)備對工作環(huán)境要求較高。環(huán)境濕度必須控制在一定范圍內(nèi)，以保證它們的正常工作，提高工作效率及可靠性。如電話程控交換機(jī)工作濕度在55%±10%較好。溫度過高會影響絕緣性能，過低易產(chǎn)生靜電，影響正常工作。人體有可能因空氣過分干燥而失水，造成皮膚干裂，干渴難忍，也有可能因過分潮濕而引起各種疾病。食品、紙張、煙草、機(jī)器、武器、彈藥、藥品等都有可能因潮濕而霉壞、變質(zhì)或失去原有的性能。因此，人類很早就十分重視濕度的測量和控制。如何通過濕度傳感器來測量濕度呢？知識鏈接：濕度傳感器測量濕度一、濕度的基本概念

濕度是指物質(zhì)中所含水蒸氣的量，目前的濕度傳感器多數(shù)是測量氣體中的水蒸氣含量。通常用絕對濕度、相對濕度和露點(diǎn)（或露點(diǎn)溫度）來表示。

1.相對濕度：在計量法中規(guī)定，濕度定義為“物象狀態(tài)的量”。日常生活中所指的濕度為相對濕度，用RH%表示。總之，即氣體中（通常為空氣中）所含水蒸氣量（水蒸氣壓）與其空氣相同情況下飽和水蒸氣量（飽和水蒸汽壓）的百分比。

2.絕對濕度：指單位容積的空氣里實(shí)際所含的水汽量，一般以克為單位。溫度對絕對濕度有著直接影響，一般情況下，溫度越高，水蒸氣蒸發(fā)得越多，絕對濕度就越大；相反，絕對濕度就小。知識鏈接：濕度傳感器測量濕度

3.飽和濕度：在一定溫度下，單位容積空氣中所能容納的水汽量的最大限度。如果超過這個限度，多余的水蒸氣就會凝結(jié)，變成水滴，此時的空氣濕度變稱為飽和濕度。空氣的飽和濕度不是固定不變的，它隨著溫度的變化而變化。溫度越高，單位容積空氣中能容納的水蒸氣就越多，飽和濕度就越大。

4.露點(diǎn)：指含有一定量水蒸氣（絕對濕度）的空氣，當(dāng)溫度下降到一定程度時所含的水蒸氣就會達(dá)到飽和狀態(tài)（飽和濕度）并開始液化成水，這種現(xiàn)象叫做凝露。水蒸氣開始液化成水時的溫度叫做“露點(diǎn)溫度”，簡稱“露點(diǎn)”。如果溫度繼續(xù)下降到露點(diǎn)以下，空氣中超飽和的水蒸氣就會在物體表面上凝結(jié)成水滴。此外，風(fēng)與空氣中的溫濕度有密切關(guān)系，也是影響空氣溫濕度變化的重要因素之一。知識鏈接：濕度傳感器測量濕度

二、濕度的測量方法1.通過測定露點(diǎn)求濕度如果露點(diǎn)預(yù)先知道，那么從飽和水蒸氣壓表中就能查出該露點(diǎn)下的水蒸汽壓，從而求出絕對濕度或相對濕度。有兩種露點(diǎn)計，一種是冷卻式露點(diǎn)計，另一種是加熱式露點(diǎn)計。冷卻式露點(diǎn)是把壓力保持一定的氣體冷卻，通過檢測是否結(jié)露來求露點(diǎn)的露點(diǎn)計；加熱式露點(diǎn)計是根據(jù)氯化物水溶液的水蒸汽壓與溫度、濃度的關(guān)系來求露點(diǎn)，這種露點(diǎn)計被稱作加熱式露點(diǎn)計。2.絕對測濕法設(shè)法吸收試樣氣體所含水蒸氣，然后再測出水蒸氣的質(zhì)量，從而測量絕對濕度。3.其他測濕法其他測濕法有：毛發(fā)濕度計法、干濕球溫度計法、濕敏元件法。知識鏈接：濕度傳感器測量濕度

毛發(fā)濕度計法：按毛發(fā)伸長來衡量濕度的毛發(fā)濕度計法。人的頭發(fā)有一種特性，它吸收空氣中水汽的多少是隨相對濕度的增大而增加的，而毛發(fā)的長短又和它所含有的水分多少有關(guān)。利用這一變化即可制造毛發(fā)濕度計。用酒精等物將毛發(fā)洗凈除油脂，以毛發(fā)十根為一束裝置在容器中，利用杠桿原理，擴(kuò)大它的伸縮藉指針直接在刻度板上指出濕度。另有一種是將頭發(fā)的一端固定，而另一端掛一小砝碼，為能夠看清楚頭發(fā)長短的變化起見，而將頭發(fā)繞過一個滑輪，同時在滑輪上安一長指針。由于砝碼本身的重量作用，而使頭發(fā)緊緊地壓在滑輪上。當(dāng)頭發(fā)伸長時，滑輪就作順時針方向轉(zhuǎn)動，并帶動指針沿弧形向下偏轉(zhuǎn)，而當(dāng)頭發(fā)縮短時，指針則向上轉(zhuǎn)動。設(shè)空氣完全干燥時，指針?biāo)傅奈恢脼?。空氣中水蒸汽達(dá)到飽和狀態(tài)時，指針?biāo)傅牡胤剿阕?00，再用干濕球濕度計和它相核對，刻出度數(shù)，這樣就可直接測出空氣的相對濕度了。毛發(fā)濕度計的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單，使用方便，唯一的缺點(diǎn)是不夠準(zhǔn)確。知識鏈接：濕度傳感器測量濕度

干濕球溫度計法：利用熱力學(xué)原理的干濕球溫度計的相對濕度測量法；工作原理是干濕球濕度計由兩支規(guī)格完全相同的溫度計組成，一支稱為干球溫度計，其溫泡暴露在空氣中，用以測量環(huán)境溫度；另一支稱為濕球溫度計，其溫泡用特制的紗布包裹起來，并設(shè)法使紗布保持濕潤，紗布中的水分不斷向周圍空氣中蒸發(fā)并帶走熱量，使?jié)袂驕囟认陆?。水分蒸發(fā)速率與周圍空氣含水量有關(guān)，空氣濕度越低，水分蒸發(fā)速率越快，導(dǎo)致濕球溫度越低?？梢?，空氣濕度與干濕球溫差之間存在某種函數(shù)關(guān)系。干濕球濕度計就是利用這一現(xiàn)象，通過測量干球溫度和濕球溫度來確定空氣濕度的。

濕敏元件法：濕敏元件按照工作原理不同主要分為兩大類：水分子親和力型、非水分子親和力型。水分子有較大的偶極矩，因而易于附著并滲入固體表面內(nèi)。利用此現(xiàn)象而制成的濕敏元件稱為水分子親和力型濕敏元件；另一類濕敏元件與水分子親和力毫無關(guān)系，稱為非水分子親和力型濕敏元件。知識鏈接：濕度傳感器測量濕度

三、濕度傳感器的分類

濕度傳感器就是一種能感受外界濕度變化，并通過器件材料的物理或化學(xué)性質(zhì)變化，將環(huán)境濕度變換為電信號的裝置。主要由兩個部分組成：濕敏元件和轉(zhuǎn)換電路，除此之外還包括一些輔助元件，如輔助電源、溫度補(bǔ)償、輸出顯示設(shè)備等，如圖7-13所示為濕度傳感器實(shí)物外形。圖7-13濕度傳感器（土壤濕度傳感器）知識鏈接：濕度傳感器測量濕度

濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類。

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，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，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濕度成正比。圖7-14電容式濕度傳感器外型知識鏈接：濕度傳感器測量濕度1.電阻式濕敏元件（1）氯化鋰濕敏電阻

氯化鋰濕敏電阻是利用物質(zhì)吸收水分子而使導(dǎo)電潮解，離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的測濕元件。在氯化鋰（LiCl）溶液中，Li和Cl均以正負(fù)離子的形式存在，而Li+對水分子的吸引力強(qiáng)，離子水合程度高，溶液中的離子導(dǎo)電能力與濃度成正比。當(dāng)溶液置于一定溫濕場中，若環(huán)境相對濕度高，溶液將吸收水分，使?jié)舛冉档?，因此，其溶液電阻率增高。反之，環(huán)境相對濕度變低時，則溶液濃度升高，其電阻率下降，從而實(shí)現(xiàn)對濕度的測量。圖7-15梳狀氯化鋰電阻圖7-16柱狀氯化鋰電阻

新型氯化鋰濕度傳感器具有長期工作滯后小、穩(wěn)定性好、精度高、響應(yīng)迅速、不受測試環(huán)境風(fēng)速影響等優(yōu)點(diǎn)，但在有結(jié)露時易失效。它特別適合空調(diào)系統(tǒng)使用。知識鏈接：濕度傳感器測量濕度（2）半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻

半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻通常是用兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體，在高溫1300℃下燒結(jié)而成的多孔陶瓷。這些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-Mgo-Cr2O3系、Fe2O3.等，前三種材料的電阻率隨濕度增加而下降，故稱為負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷，簡稱負(fù)特性半導(dǎo)瓷，最后一種的電阻率隨濕度增大而增大，故稱為正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷，但正特性半導(dǎo)瓷的總電阻值的升高沒有負(fù)特性材料的阻值下降得那么明顯。①M(fèi)gCr2O4-TiO2濕敏元件

氧化鎂復(fù)合氧化物一二氧化鈦濕敏材料通常制成多孔陶瓷型“濕—電”轉(zhuǎn)換器件，它是負(fù)特性半導(dǎo)瓷，MgCr2O4為P型半導(dǎo)體，它是性能較好的濕敏材料，它的表面電阻率能在很寬的范圍內(nèi)隨著濕度的變化而變化，而且能在高溫條件下進(jìn)行反復(fù)的熱清洗，性能仍保持不變。知識鏈接：濕度傳感器測量濕度圖7-17去掉外殼的陶瓷濕敏元件②ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏元件ZnO-Cr2O3傳感器能連續(xù)穩(wěn)定地測量濕度，而無需加熱除污裝置，因此功耗低，體積小，成本低，是一種常用測濕傳感器。

陶瓷濕敏傳感器具有較好的熱穩(wěn)定性，較強(qiáng)的抗污能力，能在惡劣、易污染的環(huán)境中測得準(zhǔn)確的濕度數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)；知識鏈接：濕度傳感器測量濕度

另外測濕范圍寬，基本上可以實(shí)現(xiàn)全濕范圍內(nèi)的濕度測量；工作溫度高，常溫濕敏傳感器的工作溫度在150℃以下，而高溫濕敏傳感器的工作溫度可達(dá)800℃；響應(yīng)時間短，精度高，工藝簡單，成本低等。所以在實(shí)際應(yīng)用中占有很重要的位置。

【“青春夢”與“中國夢”】陶瓷濕敏元件在我國有廣闊的市場。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、建筑、輕紡、氣象等方面都需要進(jìn)行濕度測量和控制。但探索提高濕敏電阻的穩(wěn)定性，對進(jìn)一步推廣陶瓷濕敏元件的應(yīng)用具有深遠(yuǎn)的意義。當(dāng)今世界不確定因素迭起，人類正處于大發(fā)展、大變革、大調(diào)整時期。作為新時代的中國青年，要胸懷天下，放眼世界，主動肩負(fù)起時代賦予我們的神圣使命，積極傳承和弘揚(yáng)民族精神，不斷增強(qiáng)業(yè)務(wù)本領(lǐng)，將“青春夢”與“中國夢”“世界夢”緊密相連，力爭成為構(gòu)建人類命運(yùn)共同體的有生力量。知識鏈接：濕度傳感器測量濕度

2.電容式濕敏元件

濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，高分子電容式濕度傳感器基本上是一個電容器，如圖7-18所示，在高分子薄膜上的電極是很薄的金屬微孔蒸發(fā)膜，水分子可通過兩端的電極被高分子薄膜吸附或釋放，隨著水分子被吸附或釋放，高分子薄膜的介電系數(shù)將發(fā)生相應(yīng)的變化。

因為介電系數(shù)隨空氣的相對濕度變化而變化，所以只要測定電容值就可測得相對濕度。圖7-18電容式濕度傳感器基本結(jié)構(gòu)知識鏈接：濕度傳感器測量濕度

常用的高分子材料是醋酸纖維素、尼龍、硝酸纖維素、聚苯乙烯、聚酰亞胺、酷酸醋酸纖維等。

高分子濕敏元件的薄膜做得極薄，一般約5000埃，使元件易于很快的吸濕與脫濕，減少了滯后誤差，響應(yīng)速度快。

濕敏電容的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、線性好、重復(fù)性好、測量范圍寬、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，缺點(diǎn)是不宜用于含有機(jī)溶媒氣體的環(huán)境，元件也不能耐80℃以上的高溫，其精度一般也比濕敏電阻要低一些。它廣泛用于氣象、倉庫、食品、紡織等領(lǐng)域的濕度檢測。知識鏈接：濕度傳感器測量濕度

四、濕度傳感器的應(yīng)用

1.監(jiān)控文物環(huán)境的溫濕度

古文物之所以歷經(jīng)數(shù)百年幾千年而保持完好，是由于其深埋于地下時，處在近乎封閉的環(huán)境中，物理的、化學(xué)的、生物的變化都停留在某種平衡狀。但是隨著它出土它的這種平衡性也會遭到破壞。所以文物出土后我們要采取有效的措施防止它們將逐漸被腐蝕、消耗，終歸化為塵埃。文物在博物館和檔案館中很容易受到空氣腐蝕。所以利用溫濕度傳感器監(jiān)控文物所在環(huán)境的溫濕度是很有必要的。

文物博物館的溫度和濕度要求是非?？量痰?，我們必須利用溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)對溫度、濕度進(jìn)行24小時實(shí)時監(jiān)測，而且這些數(shù)據(jù)必須及時的傳送給監(jiān)控中心。一旦數(shù)值出現(xiàn)超出預(yù)設(shè)溫濕度上下限，監(jiān)測主機(jī)就會立即報警。知識鏈接：濕度傳感器測量濕度

從而文物保護(hù)人員就能及時的采取有效措施來確保文物的良好環(huán)境。靈活的傳感器探頭可直接放置于測量點(diǎn)進(jìn)行使用，無需布線，省時省力。

文物是古代文明的結(jié)晶對于我們了解以前的歷史很有作用，所以保護(hù)文物非常有必要，溫濕度傳感器由于其價格便宜，便宜和監(jiān)控系統(tǒng)相連的優(yōu)點(diǎn)，使得其在保護(hù)文物方面有不可取代的作用，隨著溫濕度傳感器的發(fā)展，用于監(jiān)控文物的溫濕度傳感器也會大大改進(jìn)，使得其精度更高、體積更小、以及靈敏度更加優(yōu)越。這樣才能更好的監(jiān)控文物的環(huán)境。知識鏈接：濕度傳感器測量濕度

2.風(fēng)道管溫濕度傳感器

風(fēng)道管溫濕度傳感器一般采用原裝進(jìn)口的溫濕度傳感模塊，通過高性能單片機(jī)的信號處理，可以輸出各種模擬信號。具有廣泛的應(yīng)用，甚至超過一般壁掛式溫濕度傳感器。

風(fēng)道管溫濕度傳感器采用靈活的管道式安裝，使用方便，輸出標(biāo)準(zhǔn)模擬信號，直接應(yīng)用于各種控制機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)。整機(jī)性能更優(yōu)越，長期穩(wěn)定性更出色。這種溫濕度傳感器一般溫度范圍是-40-120℃，而濕度范圍為0~100%RH。風(fēng)道管溫濕度傳感器輸出信號具有多樣性，一般有4-20ma，0-5V，0-10V等常見模擬信號，有的還帶有485數(shù)字信號輸出，這也是這種傳感器使用范圍很廣的一種原因。風(fēng)道管溫濕度傳感器廣泛應(yīng)用于樓宇自動化、氣候與暖通信號采集、博物館和賓館的氣候站、大棚溫室以及醫(yī)藥行業(yè)等。知識鏈接：濕度傳感器測量濕度

3.糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)

本系統(tǒng)能完成數(shù)據(jù)采集和處理、顯示、串行通信、輸出控制信號等多種功能。由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)調(diào)理、單片機(jī)、控制等4個大的部分組成，系統(tǒng)的組成框圖如圖7-20。該測控系統(tǒng)具有實(shí)時采集（檢測倉庫內(nèi)的溫濕度）、實(shí)時處理（對監(jiān)測到的溫濕度值進(jìn)行比較分析，決定下一步控制進(jìn)程）、實(shí)時控制（根據(jù)處理的結(jié)果發(fā)出控制指令，指揮被控對象動作）的功能。圖7-19糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖知識鏈接：濕度傳感器測量濕度

首先充分考慮氣候、環(huán)境因素對糧食的影響，并根據(jù)糧倉內(nèi)糧食保持正常狀態(tài)所需的溫度和濕度，設(shè)計出溫濕度參考值預(yù)先存儲于單片機(jī)中。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分是將溫濕度傳感器置于倉庫內(nèi)部，測出倉內(nèi)的溫濕度值，經(jīng)過放大、A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量之后送入89C51單片機(jī)中，然后LED顯示出溫濕度測量值。

單片機(jī)將預(yù)設(shè)的參考值與測量值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果作出判斷，經(jīng)過程序分析處理發(fā)送相應(yīng)指令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，接通或關(guān)閉各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的繼電器，進(jìn)而控制干燥機(jī)、空調(diào)和風(fēng)機(jī)等設(shè)備，以此來調(diào)節(jié)倉內(nèi)溫濕度。如此循環(huán)不斷，使溫濕度值與設(shè)定值保持一致。知識鏈接：濕度傳感器測量濕度

當(dāng)溫濕度值超過允許的誤差范圍，系統(tǒng)將發(fā)出聲光報警，如果有必要，倉管人員還可以根據(jù)實(shí)際的情況通過鍵盤或按鈕來人工修改片內(nèi)存儲的預(yù)設(shè)值。通過對整個系統(tǒng)的核心單片機(jī)部分的設(shè)計，達(dá)到優(yōu)化控制溫濕度的目標(biāo)。糧食含水量不同，電導(dǎo)率也不同。

檢測糧食含水量是將兩根金屬探頭插入糧食中，當(dāng)糧食含水量越高時，電導(dǎo)率越大，兩根金屬探頭間的阻值就越??；反之，阻值就越大。通過檢測兩根金屬探頭間阻值的變化，就能測出糧食含水量的大小。由于糧倉環(huán)境潔凈，水分檢測連續(xù)，結(jié)合濕敏傳感器相關(guān)知識，這里選用高分子電容濕敏傳感器作為環(huán)境濕度檢測傳感器。知識鏈接：濕度傳感器測量濕度

4.濕度傳感器應(yīng)用注意事項（1）電源選擇：濕敏電阻必須工作于交流回路中。若用直流供電，會引起多孔陶瓷表面結(jié)構(gòu)改變，濕敏特性變劣。采用交流電源頻率過高，將由于元件的附加容抗而影響測濕靈敏度和準(zhǔn)確性，因此應(yīng)以不產(chǎn)生正、負(fù)離子積聚為原則，使電源頻率盡可能低。對離子導(dǎo)電型濕敏元件，電源頻率應(yīng)大于50Hz，一般以1000Hz為宜。對電子導(dǎo)電型，電源頻率應(yīng)低于50Hz。（2）線性化：一般濕敏元件的特性均為非線性，為便于測量，應(yīng)將其線性化。（3）溫度補(bǔ)償：通常氧化物半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻濕度溫度系數(shù)為0.1～0.3，故在測濕精度要求高的情況下必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。（4）測濕范圍：電阻式濕敏元