在工農業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研、航天等部門(mén),經(jīng)常需要對環(huán)境濕度進(jìn)行測量及控制。但在常規的環(huán)境參數中,濕度是最難準確測量的一個(gè)參數。用干濕球濕度計或毛發(fā)濕度計來(lái)測量濕度的方法,早已無(wú)法滿(mǎn)足現代科技發(fā)展的需要。這是因為測量濕度要比測量溫度復雜的多,溫度是個(gè)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,濕度的校準也是一個(gè)難題。國外生產(chǎn)的濕度標定設備價(jià)格十分昂貴。
　　
近年來(lái),國內外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長(cháng)足進(jìn)步。濕敏傳感器正從簡(jiǎn)單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數檢測的方向迅速發(fā)展,為開(kāi)發(fā)新一代濕度/溫度測控系統創(chuàng )造了有利條件,也將濕度測量技術(shù)提高到新的水平。

濕敏元件的特性
濕敏元件是最簡(jiǎn)單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類(lèi)。

a 濕敏電阻
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,當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí),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。濕敏電阻的種

類(lèi)很多,例如金屬氧化物濕敏電阻、硅濕敏電阻、陶瓷濕敏電阻等。濕敏電阻的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高,主要缺點(diǎn)是線(xiàn)性度和產(chǎn)品的互換性差。

b 濕敏電容
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。當環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí),濕敏電容的介電常數發(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。濕敏電容的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、產(chǎn)品互換性好、響應速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實(shí)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(chǎn)濕敏電容的主要廠(chǎng)家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。以Humirel公司生產(chǎn)的SH1100型濕敏電容為例,其測量范圍是(1%～99%)RH,在55%RH時(shí)的電容量為180pF(典型值)。當相對濕度從0變化到100%時(shí),電容量的變化范圍是163pF～202pF。溫度系數為0.04pF/℃,濕度滯后量為±1.5%,響應時(shí)間為5s。
　　
除電阻式、電容式濕敏元件之外,還有電解質(zhì)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(lái)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(xiàn)性度及抗污染性差,在檢測環(huán)境濕度時(shí),濕敏元件要長(cháng)期暴露在待測環(huán)境中,很容易被污染而影響其測量精度及長(cháng)期穩定性。

集成濕度傳感器的性能特點(diǎn)及產(chǎn)品分類(lèi)
目前,國外生產(chǎn)集成濕度傳感器的主要廠(chǎng)家及典型產(chǎn)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(chǎn)品可分成以下三種類(lèi)型:

a 線(xiàn)性電壓輸出式集成濕度傳感器
典型產(chǎn)品有HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特點(diǎn)是采用恒壓供電,內置放大電路,能輸出與相對濕度呈比例關(guān)系的伏特級電壓信號,響應速度快,重復性好,抗污染能力強。

b 線(xiàn)性頻率輸出式集成濕度傳感器
典型產(chǎn)品為HF3223型。它采用模塊式結構,屬于頻率輸出式集成濕度傳感器,在55%RH時(shí)的輸出頻率為8750Hz(典型值),當相對濕度從10%變化到95%時(shí),輸出頻率就從9560Hz減小到8030Hz。這種傳感器具有線(xiàn)性度好、抗干擾能力強、便于配數字電路或單片機、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。

c  頻率/溫度輸出式集成濕度傳感器
典型產(chǎn)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,利用負溫度系數(NTC)熱敏電阻作為溫度傳感器。當環(huán)境溫度變化時(shí),其電阻值也相應改變并且從

NTC端引出,配上二次儀表即可測量出溫度值。

單片智能化濕度/溫度傳感器
2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT11、SHT15型智能化濕度/溫度傳感器,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(chǎng)前,每只傳感器都在濕度室中做過(guò)精密校準,校準系數被編成相應的程序存入校準存儲器中,在測量過(guò)程中可對相對濕度進(jìn)行自動(dòng)校準。它們不僅能準確測量相對濕度,還能測量溫度和露點(diǎn)。測量相對濕度的范圍是0～100%,分辨力達0.03%RH,最高精度為±2%RH。測量溫度的范圍是-40℃～+123.8℃,分辨力為0.1℃。測量露點(diǎn)的精度<±1℃。在測量濕度、溫度時(shí)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,減小芯片的功耗。SHT11/15的產(chǎn)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,可廣泛用于醫療設備及溫度/濕度調節系統中。
　　
芯片內部包含相對濕度傳感器、溫度傳感器、放大器、14位A/D轉換器、校準存儲器(E2PROM)、易失存儲器(RAM)、狀態(tài)寄存器、循環(huán)冗余校驗碼(CRC)寄存器、二線(xiàn)串行接口、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只傳感器分別產(chǎn)生相對濕度、溫度的信號,然后經(jīng)過(guò)放大,分別送至A/D轉換器進(jìn)行模/數轉換、校準和糾錯,最后通過(guò)二線(xiàn)串行接口將相對濕度及溫度的數據送至μC。鑒于SHT11/15輸出的相對濕度讀數值與被測相對濕度呈非線(xiàn)性關(guān)系,為獲得相對濕度的準確數據,必須利用μC對讀數值進(jìn)行非線(xiàn)性補償。此外當環(huán)境溫度TA≠+25℃時(shí),還需要對相對濕度傳感器進(jìn)行溫度補償。

芯片內部有一個(gè)加熱器。將狀態(tài)寄存器的第2位置“1”時(shí)該加熱器接通電源,可使傳感器的溫度大約升高5℃,電源電流亦增加8mA(采用+5V電源)。使用加熱器可實(shí)現以下三種功能:

①通過(guò)比較加熱前后測出的相對濕度值及溫度值,可確定傳感器是否正常工作;②在潮濕環(huán)境下使用加熱器,可避免傳感器凝露;③測量露點(diǎn)時(shí)也需要使用加熱器。
　　
露點(diǎn)也是濕度測量中的一個(gè)重要參數,它表示在水汽冷卻過(guò)程中最初發(fā)生結露的溫度。為了計算露點(diǎn),Sensirion公司還向用戶(hù)提供一個(gè)測量露點(diǎn)的程序“SHT1xdp.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(diǎn)。在命令響應界面上運行此程序時(shí),計算機屏幕上就顯示提示符“>”。用戶(hù)首先從鍵盤(pán)上輸入字母“S”,然后輸入相應的數字,即可獲得下述結果:

輸入數字“1”時(shí),測量并顯示出攝氏溫度dgC=xx.x;
　　
輸入數字“2”時(shí),測量并顯示出相對濕度%RH=xx.x;
　　
輸入數字“3”時(shí),打開(kāi)加熱器,使傳感器溫度升高5℃;
　　
輸入數字“4”時(shí),關(guān)閉加熱器,使傳感器降溫;
　　
輸入數字“5”時(shí),顯示露點(diǎn)溫度dpC=xx.x。

集成濕度傳感器典型產(chǎn)品的技術(shù)指標
集成濕度傳感器典型產(chǎn)品的主要技術(shù)指標詳見(jiàn)表1。由表可見(jiàn),集成濕度傳感器的測量范圍一般可達到0～100%。但有的廠(chǎng)家為保證精度指標而將測量范圍限制為10%～95%。設計+3.3V低壓供電的濕度/溫度測試系統時(shí),可選用SHT11、SHT15傳感器。這種傳感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(shí)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(méi)有新的命令,就自動(dòng)返回休眠模式,能使芯片功耗降至最低。此外,它們還具有低電壓檢測功能。當電源電壓低于+2.45V±0.1V時(shí),狀態(tài)寄存器的第6位立即更新,使芯片不工作,從而起到了保護作用。