湿度传感器的发展趋势

作者：河北科技大学信息学院 沙占友 薛树琦 葛家怡

欢迎访问e展厅 展厅 11 传感器展厅 差压变送器, 压力变送器, 压力传感器, 压力开关, 张力传感器, ... 在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素(大气压强、温度)的影响。此外，湿度的校准也是一个难题。国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。 近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。 1 湿敏元件的特性 湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。 1.1 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。湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化物湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。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。 1.2 湿敏电容 湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。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。国外生产湿敏电容的主要厂家有Hｕｍｉｒel公司、ＰｈｉlｉｐS公司、SｉeｍenS公司等。以Hｕｍｉｒel公司生产的SH1100型湿敏电容为例，其测量范围是(1%～99%)RH，在55%RH时的电容量为180ｐＦ(典型值)。当相对湿度从0变化到100%时，电容量的变化范围是163ｐＦ～202ｐＦ。温度系数为0.04ｐＦ/℃，湿度滞后量为±1.5%，响应时间为5S。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。 2 集成湿度传感器的性能特点及产品分类 目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Honeｙｗell公司(HIH－3602、HIH－3605、HIH－3610型)，Hｕｍｉｒel公司(HM1500、HM1520、HＦ3223、HTＦ3223型)，SenSｉｒon公司(SHT11、SHT15型)。这些产品可分成以下三种类型： 2.1 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。 2.2 线性频率输出式集成湿度传感器 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(典型值)，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。 2.3 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。 3 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，每只传感器都在湿度室中做过精密校准，校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湿度，还能测量温度和露点。测量相对湿度的范围是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0.1℃。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)、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"SHT1ｘｄｐ.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。 4 集成湿度传感器典型产品的技术指标 集成湿度传感器典型产品的主要技术指标详见表1。由表可见，集成湿度传感器的测量范围一般可达到0～100%。但有的厂家为保证精度指标而将测量范围限制为10%～95%。设计＋3.3Ｖ低压供电的湿度/温度测试系统时，可选用SHT11、SHT15传感器。这种传感器在测量阶段的工作电流为550μA，平均工作电流为28μA(12位)或2μA(8位)。上电时默认为休眠模式(Sleeｐ Moｄe)，电源电流仅为0.3μA(典型值)。测量完毕只要没有新的命令，就自动返回休眠模式，能使芯片功耗降至最低。此外，它们还具有低电压检测功能。当电源电压低于＋2.45Ｖ±0.1Ｖ时，状态寄存器的第6位立即更新，使芯片不工作，从而起到了保护作用。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/17/2005)