湿度传感器原理与应用知识
随着时代的发展，科研、农业、暖通、纺织、机房、航空航天、电力等工业部门，越来越需要采用湿度传感器，对产品质量的要求越业越高，对环境温、湿度的控制以及对工业材料水份值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一。湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业。如何使用好湿度传感器，如何判断湿度传感器的性能，这对一般用户来讲，仍是一件较为复杂的技术问题。
一、湿度传感器的分类
湿度传感器，基本形式都为利用湿敏材料对水分子的吸附能力或对水分子产生物理效应的方法测量湿度。有关湿度测量，早在16世纪就有记载。许多古老的测量方法，如干湿球温度计、毛发湿度计和露点计等至今仍被广泛采用。现代工业技术要求高精度、高可靠和连续地测量湿度，因而陆续出现了种类繁多的湿敏元件。
湿敏元件主要分为二大类：水分子亲和力型湿敏元件和非水分子亲和力型湿敏元件。利用水分子有较大的偶极矩，易于附着并渗透入固体表面的特性制成的湿敏元件称为水分子亲和力型湿敏元件。例如，利用水分子附着或浸入某些物质后，其电气性能（电阻值、介电常数等）发生变化的特性可制成电阻式湿敏元件、电容式湿敏元件；利用水分子附着后引起材料长度变化，可制成尺寸变化式湿敏元件，如毛发湿度计。金属氧化物是离子型结合物质，有较强的吸水性能，不仅有物理吸附，而且有化学吸附，可制成金属氧化物湿敏元件。这类元件在应用时附着或浸入被测的水蒸气分子，与材料发生化学反应生成氢氧化物，或一经浸入就有一部分残留在元件上而难以全部脱出，使重复使用时元件的特性不稳定，测量时有较大的滞后误差和较慢的反应速度。目前应用较多的均属于这类湿敏元件。另一类非亲和力型湿敏元件利用其与水分子接触产生的物理效应来测量湿度。例如，利用热力学方法测量的热敏电阻式湿度传感器，利用水蒸气能吸收某波长段的红外线的特性制成的红外线吸收式湿度传感器等。
1、电解质湿敏元件
利用潮解性盐类受潮后电阻发生变化制成的湿敏元件。最常用的是电解质氯化锂（LiCl）。从1938年顿蒙发明这种元件以来，在较长的使用实践中，对氯化锂的载体及元件尺寸作了许多改进，提高了响应速度和扩大测湿范围。氯化锂湿敏元件的工作原理是基于湿度变化能引起电介质离子导电状态的改变，使电阻值发生变化。结构形式有顿蒙式和含浸式。顿蒙式氯化锂湿敏元件是在聚苯乙烯圆筒上平行地绕上钯丝电极，然后把皂化聚乙烯醋酸酯与氯化锂水溶液混合液均匀地涂在圆筒表面上制成，测湿范围约为相对湿度30%。含浸式氯化锂湿敏元件是由天然树皮基板用氯化锂水溶液浸泡制成的。植物的髓脉具有细密的网状结构，有利于水分子的吸入和放出。70年代研制成功玻璃基板含浸式湿敏元件，采用两种不同浓度的氯化锂水溶液浸泡多孔无碱玻璃基板（孔径平均500埃），可制成测湿范围为相对湿度20～80%的元件。
氯化锂元件具有滞后误差较小，不受测试环境的风速影响，不影响和破坏被测湿度环境等优点，但因其基本原理是利用潮解盐的湿敏特性，经反复吸湿、脱湿后，会引起电解质膜变形和性能变劣，尤其遇到高湿及结露环境时，会造成电解质潮解而流失，导致元件损坏。
2、高分子材料湿敏元件
利用有机高分子材料的吸湿性能与膨润性能制成的湿敏元件。吸湿后，介电常数发生明显变化的高分子电介质，可做成电容式湿敏元件。吸湿后电阻值改变的高分子材料，可做成电阻变化式湿敏元件。常用的高分子材料是醋酸纤维素、尼龙和硝酸纤维素等。高分子湿敏元件的薄膜做得极薄，一般约5000埃，使元件易于很快的吸湿与脱湿,减少了滞后误差，响应速度快。这种湿敏元件的缺点是不宜用于含有机溶媒气体的环境，元件也不能耐80℃以上的高温。
3、金属氧化物膜湿敏元件
许多金属氧化物如氧化铝、四氧化三铁、钽氧化物等都有较强的吸脱水性能，将它们制成烧结薄膜或涂布薄膜可制作多种湿敏元件。把铝基片置于草酸、硫酸或铬酸电解槽中进行阳极氧化，形成氧化铝多孔薄膜，通过真空蒸发或溅射工艺，在薄膜上形成透气性电极。这种多孔质的氧化铝湿敏元件互换性好，低湿范围测湿的时间响应速度较快，滞后误差小，常用于高空气球上测湿。四氧化三铁胶体的优点是固有电阻低，长期置于大气环境表面状态不会变化，胶体粒子间相互吸引粘结紧密等。它是一种价廉物美，较早投入批量生产的湿敏元件，在湿度测量和湿度控制方面都有大量应用。
4、金属氧化物陶瓷湿敏元件
将极其微细的金属氧化物颗粒在高温1300℃下烧结，可制成多孔体的金属氧化物陶瓷，在这种多孔体表面加上电极，引出接线端子就可做成陶瓷湿敏元件。湿敏元件使用时必须裸露于测试环境中，故油垢、尘土和有害于元件的物质（气、固体）都会使其物理吸附和化学吸附性能发生变化，引起元件特性变坏。而金属氧化物陶瓷湿敏元件的陶瓷烧结体物理和化学状态稳定，可以用加热去污方法恢复元件的湿敏特性，而且烧结体的表面结构极大地扩展元件表面与水蒸气的接触面积，使水蒸气易于吸着和脱去，还可通过控制元件的细微构造使物理性吸附占主导地位，获得最佳的湿敏特性。因此陶瓷湿敏元件的使用寿命长、元件特性稳定，是目前最有可能成为工程应用的主要湿敏元件之一。陶瓷湿敏元件的使用温度为0～160℃。
在诸多的金属氧化物陶瓷材料中，由铬酸镁－二氧化钛固溶体组成的多孔性半导体陶瓷是性能较好的湿敏材料，它的表面电阻率能在很宽的范围内随着湿度的变化而变化，而且能在高温条件下进行反复的热清洗，性能仍保持不变。
5、热敏电阻式湿度传感器
利用热敏电阻作湿敏元件。传感器中有组成桥式电路的珠状热敏电阻R1和R2,电源供给的电流使R1、R2保持在200℃左右的温度。其中R2装在密封的金属盒内，内部封装着干燥空气，R1置于与大气相接触的开孔金属盒内。将R1先置于干燥空气中，调节电桥平衡，使输出端A、B间电压为零，当R1接触待测含湿空气时，含湿空气与干燥空气产生热传导差，使R1受冷却，电阻值增高，A、B间产生输出电压，其值与湿度变化有关。热敏电阻式湿敏传感器的输出电压与绝对湿度成比例，因而可用于测量大气的绝对湿度。传感器是利用湿度与大气导热率之间的关系作为测量原理的，当大气中混入其他特种气体或气压变化时，测量结果会有程度不同的影响。此外，热敏电阻的位置对测量也有很大影响。但这种传感器从可靠性、稳定性和不必特殊维护等方面来看，很有特色，现已用于空调机湿度控制，或制成便携式绝对湿度表、直读式露点计、相对湿度计、水分计等。
6、红外线吸收式湿度传感器
利用水蒸气能吸收某波段的红外线制成的湿度传感器。60年代中期，美国气象局以波长为1.37微米和1.25微米的红外光分别作敏感光束和参考光束，研制成红外线吸收式湿度传感器。这种传感器采用装有λ0滤光片和λ 滤光片的旋转滤光片，当光源通过旋转滤光片时，轮流地选择波长为λ0和λ 的红外光束,两条光束通过被测湿度的样气抵达光敏元件,由于波长为λ0的光束不被水蒸气吸收，其光强仍为I0，波长为λ的光束被水蒸气部分吸收，光强衰减为I。采用朗伯－贝尔法测量：
式中I0为光源光强度，I为光敏元件处的光强度，ε为吸收系数,c为待测含水蒸气的浓度,l为光路长度。根据光强度的变化，将光敏元件上的信号处理后可获得正比于水蒸气浓度 c的电信号。红外线吸收式湿度传感器属非水分子亲和力型湿敏元件，测量精度和灵敏度较高，能够测量高温或密封场所的气体湿度，也能解决其他湿度传感器不能解决的大风速或通风孔道环境中的湿度测量问题。缺点是结构复杂，光路系统存在温度漂移现象。
7、微波式湿度传感器
利用微波电介质共振系统的品质因数随湿度变化的机理制成的传感器。微波共振器采用氧化镁-氧化钙-二氧化钛陶瓷体，共振器与耦合环构成共振系统，含水蒸气的气体进入传感器腔体后改变原共振系统的品质因数，其微波损失量与湿度成线性关系。这种传感器的测湿范围为相对湿度40～95%，在温度0～50℃时，精度可达±2%。微波式湿度传感器具有非水分子亲和力型湿敏元件的优点，又由于采用陶瓷材料作共振系统，故可加热清洗，且坚固耐用。缺点是对微波电路稳定性要求甚高。
8、超声波式湿度传感器
超声波在空气中的传播速度与温度、湿度有关，利用这一特性可制成超声波式湿度传感器。传感器由超声波气温计和铂丝电阻测温计组成，前者的测量数据与湿度有关，后者的测量数据只与温度有关，按照超声波在干燥空气和含湿空气中的传播速度可计算出空气的绝对湿度。超声波湿度传感器有很多优点，它的测湿数据比较准确，响应速度快，可以测出某一极小范围的绝对湿度而不受辐射热的影响。这种传感器尚处于研制阶段。
二、湿度传感器的选型
国内外各厂家的湿度传感器产品水平不一，质量价格都相差较大，用户如何选择性能价格比最优的理想产品确有一定难度，需要在这方面作深入的了解。湿度传感器具有如下特点：
1、精度和长期稳定性
湿度传感器的精度应达到±2%~±5%RH，达不到这个水平很难作为计量器具使用，湿度传感器要达到±2%~±3%RH的精度是比较困难的，通常产品资料中给出的特性是在常温（20℃±10℃）和洁净的气体中测量的。在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，长期稳定性和使用寿命是影响湿度传感器质量的头等问题，年漂移量控制在1%RH水平的产品很少，一般都在±2%左右，甚至更高。
2、湿度传感器的温度系数
湿敏元件除对环境湿度敏感外，对温度亦十分敏感，其温度系数一般在0.2~0.8%RH/℃范围内，而且有的湿敏元件在不同的相对湿度下，其温度系数又有差别。温漂非线性，这需要在电路上加温度补偿式。采用单片机软件补偿，或无温度补偿的湿度传感器是保证不了全温范围的精度的，湿度传感器温漂曲线的线性化直接影响到补偿的效果，非线性的温漂往往补偿不出较好的效果，只有采用硬件温度跟随性补偿才会获得真实的补偿效果。湿度传感器工作的温度范围也是重要参数。多数湿敏元件难以在40℃以上正常工作。
3、湿度传感器的供电
金属氧化物陶瓷，高分子聚合物和氯化锂等湿敏材料施加直流电压时，会导致性能变化，甚至失效，所以这类湿度传感器不能用直流电压或有直流成份的交流电压。必须是交流电供电。
4、互换性
目前，湿度传感器普遍存在着互换性差的现象，同一型号的传感器不能互换，严重影响了使用效果，给维修、调试增加了困难，有些厂家在这方面作出了种种努力，取得了较好效果。
5、湿度校正
校正湿度要比校正温度困难得多。温度标定往往用一根标准温度计作标准即可，而湿度的标定标准较难实现，干湿球温度计和一些常见的指针式湿度计是不能用来作标定的，精度无法保证，因其要求环境条件非常严格，一般情况，（最好在湿度环境适合的条件下）在缺乏完善的检定设备时，通常用简单的饱和盐溶液检定法，并测量其温度。
