湿度传感器原理

过去的温湿度传感器都比较简单，而随着技术的成熟，科技的进步，如今温湿度传感器发展也是越来越好。由于温度与湿度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系，所以温湿度一体的传感器就会相应产生。 温湿度传感器是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装置。 市场上的温湿度传感器一般是测量温度量和相对湿度量。结合目前市场上的传感器类型，即使是温湿度传感器，这一类型的传感器，还会分为很多种类，有很多的类型。当然它们的应用领域也是千差万别的。下面具体来看下湿度传感器的种类都有哪些?温湿度传感器按监测方法分有接触式和非接触式两种接触式： 接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。非接触式： 它的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速(瞬变)对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法(见光学高温计)、辐射法(见辐射高温计)和比色法(见比色温度计)。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。温湿度传感器也分分体式和一体式两种，上面介绍了一体式，下面介绍分体式。分体式又温度传感器和湿度传感器组成。温度传感器通过感温元件来分类可以大致分成铂热电阻温度传感器、热电偶温度传感器、热敏电阻温度传感器三大类。1：铂热电阻温度传感器铂热电阻是利用铂丝的电阻值随着温度的变化而变化这一基本原理设计和制作的，按0℃时的电阻值R（℃）的大小分为10欧姆（分度号为Pt10）和100欧姆（分度号为Pt100）等，测温范围均为-200~850℃。利用PT100铂热电阻作为感温元件的型号有铠装式、装配式、插座式、端面热电阻。主要应用了需要温度误差小的行业或者是精密仪器仪表。2：热电偶温度传感器热电偶是温度测量中常用的温度传感器。其主要好处是宽温度范围和适应各种大气环境，而且结实、价低，无需供电，也是便宜的。热电偶由在一端连接的两条不同金属线(金属A和金属B)构成，当热电偶一端受热时，热电偶电路中就有电势差。通过电势的变化来得出相应的温度变化。热电偶是简单和通用的温度传感器，但热电偶并不适合高精度的的测量和应用。3：热敏电阻由金属氧化物陶瓷组成，是低成本、灵敏度高的温度传感器。热敏电阻是用半导体材料， 大多为负温度系数，即阻值随温度增加而降低。温度变化会造成大的阻值改变，因此它是灵敏的温度传感器。但热敏电阻的线性度极差，并且与生产工艺有很大关系。热敏电阻在两条线上测量的是温度， 有较好的精度，但它比热偶贵， 可测温度范围也小于热偶。一种常用热敏电阻在25℃时的阻值为5kΩ，每1℃的温度改变造成200Ω的电阻变化。注意10Ω的引线电阻仅造成可忽略的 0.05℃误差。它非常适合需要进行快速和灵敏温度测量的电流控制应用。尺寸小对于有空间要求的应用是有利的，但必须注意防止自热误差。湿度传感器的湿敏元件分为电阻式和电容式 两种。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。常见的湿度测量方法有：动态法(双压法、双温法、分流法)，静态法(饱和盐法、硫酸法)，露点法，干湿球法和形形色色的电子式传感器法。

■从1996至2001，德图湿度传感器5年全球验证 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。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。但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。湿度测量始终是世界计量领域中著名的难题之一。这是因为测量湿度要比测量温度复杂得多，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。一个看似简单的量值，深究起来，涉及相当复杂的物理&mdash 化学理论分析和计算。 从1996至2001，testo的湿度传感器历时5年，走过世界9大国家权威实验室，接收不同的方式的检测，精度都优于1%RH。德图湿度传感器的环球之旅给各地用户以一流的长期稳定性及卓越的品质保障。高品质温湿度变送器的核心在于高品质的传感器。无论是高湿、腐蚀介质、还是常规的净化室环境，testo都能应对挑战，提供卓越的温湿度解决方案。 ●挑战高湿度&mdash &mdash 为探头创造稳定微环境 在高湿度环境下，此时传统传感器的响应速度会明显变慢，且高湿环境通常会包含一些腐蚀性介质，这些腐蚀性介质危及传感器的使用寿命及稳定性。高湿度环境的测量工作是对测量技术的一个挑战。 针对这个情况，德图提供了一个独特的解决方案：testo 6614。通过加热，可创造一个高度稳定的微环境，从而确保了较快的响应速度，高精度的测量结果及良好的防腐蚀性能。外加一个用来测量实际温度的温度探头，经由微处理器计算，便可得出正确的湿度值。在此之前。高湿环境的长期稳定性与高度精确性二者一直是无法兼得的。 ●挑战腐蚀性介质&mdash &mdash 预警系统和自检测预防式维护 如今，专业的温湿度测量变送器已成为湿度调整链上可靠的连接。Testo的贡献是源于稳定的防结露的testo湿度传感器。然而，如果制程中有腐蚀性介质，传感器不久就会失效，伴随而来的是昂贵的退货（最终产品质量缺陷）和系统停工。 Testo针对以上情况开发出来了testo&ldquo 早期预警湿度探头&rdquo testo 6617。可以连续监测testo湿度传感器受到腐蚀的早期征兆。这样工作人员就可以及早得到警示。在测量错误或中断发生前就及时响应，避免损失。 由于使用了早期预警，系统管理员可以及时处理预警，及早进行探头替换，无需中断测量系统。专家都明白，与&ldquo 早期预警&rdquo 所节省的费用相比，其投资仅是很小的一部分，它确保了系统的长期可用性。 ●挑战漂移&mdash &mdash 完整信号链的全方位校准 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，电子式湿度传感器会产生老化，精度下降，电子式湿度传感器年漂移量一般都在± 2%左右，甚至更高。一般情况下，生产厂商会标明1次标定的有效使用时间为1年或2年，到期需重新标定。 德图有着完整信号链的全方位校准，探头校准方式灵活多变，除了现场校准外，因为有数字接口，我们也可对探头进行单独校准。除了单点校准（偏移量）和两点校准（借助于盐瓶或湿度发生器）以外，P2A软件支持各个模拟输出通道的调整。使用高精度的数字万用表，整个测量链路（含数模转换器）可以进行调整。

9月19日，国家科技部重大科学仪器设备开发专项——“面向复杂工况的激光高温湿度传感器研制及产业化”项目启动仪式在北京召开。该项目牵头单位——北京航天易联科技发展有限公司项目负责人在启动仪式上宣布：将用两年时间，突破包括湿度大动态范围自适应测量技术在内的4项关键技术、成功研制工作温度在20℃~350℃的激光高温湿度传感器并最终实现产品化和工业化推广应用。p style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/b65a533d-af10-4879-9e93-fcc6b8f4c5f8.jpg" title="1_副本.jpg"//pp style="text-align: center "项目启动会现场/pp　　“激光高温湿度传感器研制及产业化”项目的主要任务是研发面向复杂工况条件的激光高温湿度传感器。该类激光湿度传感器基于TDLAS技术(可调谐半导体激光吸收光谱技术的简称)实现湿度的测量。19日上午举行的启动仪式上，该项目专家组负责人、我国著名激光和非线性光学专家、中科院院士姚建铨言简意赅地介绍了TDLAS技术的基本原理：即基于每种气体存在吸收特定波长光的现象，通过特殊波长的激光光源照射气体，气体吸收使之强度变弱，判断变弱程度计算气体浓度。相比于传统测量方式，在高温环境下使用该技术进行湿度测量，具有无交叉干扰、测量范围大、精度高、实时测量等优势，可实现高温湿度实时监测。该传感器一旦研制成功，可提升我国高温湿度监测水平，提高环保排放测算准确性、工业过程节能减排。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/129a5385-e382-4fc9-9137-e4a0196ea234.jpg" title="2_副本.jpg"//pp style="text-align: center "中科院院士姚建铨担任该项目技术专家组组长/pp　　启动仪式上，来自科技部、航天科技集团、北京经济技术开发区、中国航天空气动力技术研究院的相关领导参加了该活动。科技部高技术研究发展中心的专家介绍了项目研制及产业化相关政策并同时表示，开展该仪器专项研制就是要解决我国环保、工业过程控制等多个领域高温湿度准确测量的难题。“高温环境下湿度测量，其准确性直接影响环保领域计算排放总量或工业生产领域过程控制效率。以环保领域为例，工业锅炉排放的污染物浓度测算需要测量烟气湿度。因此，烟气含湿量测量的准确性直接影响排放总量，影响国家环保指标考核。” 高温湿度测量如此重要，但其技术实现的难度却非常大，正因为如此，该项目于今年8月获批科技部重大科学仪器设备开发专项申请。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/1b8a8bca-d7e5-4b8a-9dae-a47cb33ad7d1.jpg" title="3_副本.jpg"//pp style="text-align: center "项目组负责人、北京航天易联科技发展有限公司总经理李刚在汇报项目实施方案/pp　　根据国家重大专项研发的相关要求，此次启动仪式一项重要议题就是由项目牵头单位——北京航天易联科技发展有限公司向技术专家组和用户委员会汇报项目具体实施方案。此前，航天易联已经开展四年 TDLAS技术研发，具备相关基础，并于2016年6月开展高精度TDLAS湿度测量技术的成果评价，技术水平达到国际先进。该公司负责人李刚在汇报中对研究背景、目标、研究内容、技术路线、科研团队及研究基础、预期成果、项目研究周期等做了详尽汇报。据他介绍，项目组将围绕测量环境湿度大、工况干扰因素多(腐蚀气、静电、烟尘、液滴等)、缺乏高温高湿标定技术及恶劣工况下器件可靠性等关键问题，突破湿度大动态范围自适应测量技术、复杂工况多波长测量控制技术及激光器温度电流控制技术，研制工作温度20℃~350℃的激光高温湿度传感器，开展示范应用改进优化，达到烟道气、废气、锅炉汽等高温湿度实时测量的目的，实现最终传感器产品化、产业化。/pp　　来自环境监测、无线电、仪表仪器等相关领域的技术专家组和由电力、环保、航天、石化等行业用户组成的用户委员听取了项目组汇报，审阅论证材料并进行质询，同时针对产品示范应用阶段提出了相关建议。经过项目组答疑，专家组和用户委员会讨论后认为：方案目标准确，内容翔实，技术路线可行，一致同意该方案通过评审，建议尽快组织实施，围绕典型代表性工况开展更具针对性的设计开发、示范应用。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/e5c3f041-6316-4495-ae98-f28eafd252ed.jpg" title="4_副本.jpg"//pp style="text-align: center "与会嘉宾了解TDLAS产品/pp　　据了解，该项目研发是航天易联与中科院半导体研究所、中科院电工研究所、武汉市天虹仪表有限责任公司的强强联合。北京航天易联科技发展有限公司是航天科技集团公司第十一研究院控股公司，具有四年TDLAS技术研发基础，拥有三款具有自主知识产权产品，承担项目传感器研制和产业化工作 中科院半导体研究所在半导体激光器研发领域一直处于我国领先行列，为本项目研制小型化半导体激光器 中科院电工研究所长期从事电力电子控制研究，擅长信号处理、仪器设计，为本项目开发核心算法和测量技术 武汉市天虹仪表有限责任公司在环保仪器设备领域有近二十年的科研开发经验，为本项目现场测试、示范应用推广提供有力支撑。/pp　　在项目实施方案中，研发团队提出：将在两年时间内，将本项目开发的激光高温湿度传感器应用在便携式烟道气参数测量仪、烟气排放连续监测系统和工业过程气湿度分析仪器中，开展5项示范应用，解决我国环保、工业过程控制等多个领域高温湿度准确测量难题。同时，形成自主知识产权，申请发明专利3项，文章1~3篇，标准1项。完成传感器质量体系文件，技术就绪度达到9级，开展产业化推广，项目完成后三年内实现年销售500套，年销售额2500万。/p