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濕度傳感器的發展趨勢
河北科技大學信息學院(050054) 沙占友 薛樹琦 葛家怡 在工農業生產、氣象、環保、國防、科研、航天等部門，經常需要對環境濕度進行測量及控制。但在常規的環境參數中，濕度是難準確測量的一個參數。用干濕球濕度計或毛發濕度計來測量濕度的方法，早已無法滿足現代科技發展的需要。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難題。國外生產的濕度標定設備價格十分昂貴。 近年來，國內外在濕度傳感器研發領域取得了長足進步。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數檢測的方向迅速發展，為開發新一代濕度／溫度測控系統創造了有利條件，也將濕度測量技術提高到新的水平。 １ 濕敏元件的特性 濕敏元件是簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類。 １．１ 濕敏電阻 濕敏電阻的特點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，元件的電阻率和電阻值都發生變化，利用這一特性即可測量濕度。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。濕敏電阻的優點是靈敏度高，主要缺點是線性度和產品的互換性差。 １．２ 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。當環境濕度發生改變時，濕敏電容的介電常數發生變化，使其電容量也發生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。濕敏電容的主要優點是靈敏度高、產品互換性好、響應速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實現小型化和集成化，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公司生產的ＳＨ１１００型濕敏電容為例，其測量范圍是(１％～９９％)ＲＨ，在５５％ＲＨ時的電容量為１８０ｐＦ(典型值)。當相對濕度從０變化到１００％時，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％，響應時間為５ｓ。除電阻式、電容式濕敏元件之外，還有電解質離子型濕敏元件、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，在檢測環境濕度時，濕敏元件要長期暴露在待測環境中，很容易被污染而影響其測量精度及長期穩定性。 ２ 集成濕度傳感器的性能特點及產品分類 目前，國外生產集成濕度傳感器的主要廠家及典型產品分別為Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司(ＨＩＨ－３６０２、ＨＩＨ－３６０５、ＨＩＨ－３６１０型)，Ｈｕｍｉｒｅｌ公司(ＨＭ１５００、ＨＭ１５２０、ＨＦ３２２３、ＨＴＦ３２２３型)，Ｓｅｎｓｉｒｏｎ公司(ＳＨＴ１１、ＳＨＴ１５型)。這些產品可分成以下三種類型： ２．１ 線性電壓輸出式集成濕度傳感器 典型產品有ＨＩＨ３６０５／３６１０、ＨＭ１５００／１５２０。其主要特點是采用恒壓供電，內置放大電路，能輸出與相對濕度呈比例關系的伏特級電壓信號，響應速度快，重復性好，抗污染能力強。 ２．２ 線性頻率輸出式集成濕度傳感器 典型產品為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時的輸出頻率為８７５０Ｈｚ(典型值)，當相對濕度從１０％變化到９５％時，輸出頻率就從９５６０Ｈｚ減小到８０３０Ｈｚ。這種傳感器具有線性度好、抗*力強、便于配數字電路或單片機、價格低等優點。 ２．３ 頻率／溫度輸出式集成濕度傳感器 典型產品為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。當環境溫度變化時，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。 ３ 單片智能化濕度／溫度傳感器 ２００２年Ｓｅｎｓｉｒｏｎ公司在世界上研制成功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，校準系數被編成相應的程序存入校準存儲器中，在測量過程中可對相對濕度進行自動校準。它們不僅能準確測量相對濕度，還能測量溫度和露點。測量相對濕度的范圍是０～１００％，分辨力達０．０３％ＲＨ，GAO精度為±２％ＲＨ。測量溫度的范圍是－４０℃～＋１２３．８℃，分辨力為０．１℃。測量露點的精度＜±１℃。在測量濕度、溫度時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的產品互換性好，響應速度快，抗*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//3b3.org/c.js>