在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國(guó)防、科研、航天等部門,經(jīng)常需要對(duì)環(huán)境濕度進(jìn)行測(cè)量及控制。但在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中,濕度是最難準(zhǔn)確測(cè)量的一個(gè)參數(shù)。用干濕球濕度計(jì)或毛發(fā)濕度計(jì)來測(cè)量濕度的方法,早已無法滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需要。這是因?yàn)闇y(cè)量濕度要比測(cè)量溫度復(fù)雜的多,溫度是個(gè)獨(dú)立的被測(cè)量,而濕度卻受其他因素(大氣壓強(qiáng)、溫度)的影響。

此外,濕度的校準(zhǔn)也是一個(gè)難題。國(guó)外生產(chǎn)的濕度標(biāo)定設(shè)備價(jià)格十分昂貴。
　　
近年來,國(guó)內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)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(shù)檢測(cè)的方向迅速發(fā)展,為開發(fā)新一代濕度/溫度測(cè)控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件,也將濕度測(cè)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。

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(dāng)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(cè)量濕度。濕敏電阻的種

類很多,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(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí),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(duì)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(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,其精度一般比濕敏電阻要低一些。國(guó)外生產(chǎn)濕敏電容的主要廠家有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(cè)量范圍是(1%～99%)RH,在55%RH時(shí)的電容量為180pF(典型值)。當(dāng)相對(duì)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(shù)為0.04pF/℃,濕度滯后量為±1.5%,響應(yīng)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改變振蕩頻率)、光強(qiáng)型濕敏元件、聲表面波濕敏元件等。濕敏元件的線性度及抗污染性差,在檢測(cè)環(huán)境濕度時(shí),濕敏元件要長(zhǎng)期暴露在待測(cè)環(huán)境中,很容易被污染而影響其測(cè)量精度及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

集成濕度傳感器的性能特點(diǎn)及產(chǎn)品分類
目前,國(guó)外生產(chǎn)集成濕度傳感器的主要廠家及典型產(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型:

a 線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(nèi)置放大電路,能輸出與相對(duì)濕度呈比例關(guān)系的伏特級(jí)電壓信號(hào),響應(yīng)速度快,重復(fù)性好,抗污染能力強(qiáng)。

b 線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(jié)構(gòu),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(dāng)相對(duì)濕度從10%變化到95%時(shí),輸出頻率就從9560Hz減小到8030Hz。這種傳感器具有線性度好、抗干擾能力強(qiáng)、便于配數(shù)字電路或單片機(jī)、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(hào)輸出端,利用負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻作為溫度傳感器。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí),其電阻值也相應(yīng)改變并且從

NTC端引出,配上二次儀表即可測(cè)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。出廠前,每只傳感器都在濕度室中做過精密校準(zhǔn),校準(zhǔn)系數(shù)被編成相應(yīng)的程序存入校準(zhǔn)存儲(chǔ)器中,在測(cè)量過程中可對(duì)相對(duì)濕度進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)。它們不僅能準(zhǔn)確測(cè)量相對(duì)濕度,還能測(cè)量溫度和露點(diǎn)。測(cè)量相對(duì)濕度的范圍是0～100%,分辨力達(dá)0.03%RH,最高精度為±2%RH。測(cè)量溫度的范圍是-40℃～+123.8℃,分辨力為0.1℃。測(cè)量露點(diǎn)的精度<±1℃。在測(cè)量濕度、溫度時(shí)A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)分別可達(dá)12位、14位。利用降低分辨力的方法可以提高測(cè)量速率,減小芯片的功耗。SHT11/15的產(chǎn)品互換性好,響應(yīng)速度快,抗干擾能力強(qiáng),不需要外部元件,適配各種單片機(jī),可廣泛用于醫(yī)療設(shè)備及溫度/濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。
　　
芯片內(nèi)部包含相對(duì)濕度傳感器、溫度傳感器、放大器、14位A/D轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)存儲(chǔ)器(E2PROM)、易失存儲(chǔ)器(RAM)、狀態(tài)寄存器、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)寄存器、二線串行接口、控制單元、加熱器及低電壓檢測(cè)電路。其測(cè)量原理是首先利用兩只傳感器分別產(chǎn)生相對(duì)濕度、溫度的信號(hào),然后經(jīng)過放大,分別送至A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)和糾錯(cuò),最后通過二線串行接口將相對(duì)濕度及溫度的數(shù)據(jù)送至μC。鑒于SHT11/15輸出的相對(duì)濕度讀數(shù)值與被測(cè)相對(duì)濕度呈非線性關(guān)系,為獲得相對(duì)濕度的準(zhǔn)確數(shù)據(jù),必須利用μC對(duì)讀數(shù)值進(jìn)行非線性補(bǔ)償。此外當(dāng)環(huán)境溫度TA≠+25℃時(shí),還需要對(duì)相對(duì)濕度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

芯片內(nèi)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(xiàn)以下三種功能:

①通過比較加熱前后測(cè)出的相對(duì)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(cè)量露點(diǎn)時(shí)也需要使用加熱器。
　　
露點(diǎn)也是濕度測(cè)量中的一個(gè)重要參數(shù),它表示在水汽冷卻過程中最初發(fā)生結(jié)露的溫度。為了計(jì)算露點(diǎn),Sensirion公司還向用戶提供一個(gè)測(cè)量露點(diǎn)的程序“SHT1xdp.bsx”。利用該程序可以控制內(nèi)部加熱器的通、斷,再根據(jù)所測(cè)得的溫度值及相對(duì)濕度值計(jì)算出露點(diǎn)。在命令響應(yīng)界面上運(yùn)行此程序時(shí),計(jì)算機(jī)屏幕上就顯示提示符“>”。用戶首先從鍵盤上輸入字母“S”,然后輸入相應(yīng)的數(shù)字,即可獲得下述結(jié)果:

輸入數(shù)字“1”時(shí),測(cè)量并顯示出攝氏溫度dgC=xx.x;
　　
輸入數(shù)字“2”時(shí),測(cè)量并顯示出相對(duì)濕度%RH=xx.x;
　　
輸入數(shù)字“3”時(shí),打開加熱器,使傳感器溫度升高5℃;
　　
輸入數(shù)字“4”時(shí),關(guān)閉加熱器,使傳感器降溫;
　　
輸入數(shù)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(biāo)
集成濕度傳感器典型產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)詳見表1。由表可見,集成濕度傳感器的測(cè)量范圍一般可達(dá)到0～100%。但有的廠家為保證精度指標(biāo)而將測(cè)量范圍限制為10%～95%。設(shè)計(jì)+3.3V低壓供電的濕度/溫度測(cè)試系統(tǒng)時(shí),可選用SHT11、SHT15傳感器。這種傳感器在測(cè)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(rèn)為休眠模式(Sleep Mode),電源電流僅為0.3μA(典型值)。測(cè)量完畢只要沒有新的命令,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(cè)功能。當(dāng)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(hù)作用。