電容式濕度傳感器
電容式相對(duì)濕度（RH）傳感器（見照(zhào)片1），廣泛應用(yòng)于工業，商業，和(hé)天氣遙測應用(yòng)。
照(zhào)片1。容性相對(duì)濕度傳感器是在大(dà)範圍的(de)式樣，尺寸和(hé)形狀，
包括集成的(de)單片電子元件。這(zhè)裏顯示的(de)傳感器是由不同的(de)制造商。
它們由在其上的(de)聚合物(wù)或金屬氧化(huà)物(wù)的(de)薄膜被沉積在兩個(gè)導電電極之間的(de)襯底。感測表面上塗有多(duō)孔金屬電極，以保護它免受污染和(hé)暴露于冷(lěng)凝。基闆通(tōng)常是玻璃，陶瓷，或矽。在電容式濕度傳感器的(de)介電常數的(de)增量變化(huà)幾乎是成正比的(de)周圍環境的(de)相對(duì)濕度。電容的(de)變化(huà)通(tōng)常是0.2～0.5 pF爲1％的(de)相對(duì)濕度的(de)變化(huà)，而大(dà)容量電容是100和(hé)500 pF的(de)之間，在50％相對(duì)濕度在25℃下(xià) 電容式傳感器的(de)特征在于低的(de)溫度系數，在高(gāo)溫下(xià)發揮作用(yòng)的(de)能力（高(gāo)達200℃），從縮合完全恢複，并且對(duì)化(huà)學蒸氣合理(lǐ)阻力。響應時(shí)間爲30至60秒爲63％RH的(de)階躍變化(huà)。
國家的(de)最先進的(de)技術用(yòng)于生産電容式傳感器采取許多(duō)在半導體制造過程中使用(yòng)，以産生感應器以最小的(de)長(cháng)期漂移和(hé)滞後的(de)原則的(de)優勢。薄膜電容式傳感器可(kě)以包括單片信号調節電路集成到基闆上。最廣泛使用(yòng)的(de)信号調節器采用(yòng)了(le)CMOS定時(shí)器脈沖的(de)傳感器，并産生一個(gè)接近線性的(de)電壓輸出（見圖1）。
圖1.接近線性的(de)響應在25°C。看到這(zhè)個(gè)情節的(de)電容變化(huà)與
濕度的(de)應用(yòng) 術語“大(dà)電容”指的(de)是基值，在0％相對(duì)濕度。
電容式傳感器的(de)典型的(de)不确定性爲±2％RH從5％到95％相對(duì)濕度與2點校準。電容式傳感器是由距離傳感元件可(kě)以位于從信号調理(lǐ)電路中，由于連接電纜的(de)相對(duì)于所述傳感器的(de)相對(duì)小的(de)電容變化(huà)的(de)電容效應的(de)限制。實際上的(de)限制是<10英尺。
直接字段互換性可(kě)以是一個(gè)問題，除非該傳感器是激光(guāng)修整，以減少偏差爲±2％或提供了(le)一種基于計算(suàn)機的(de)校準方法。這(zhè)些校準方案可(kě)以補償傳感器電容100至500 pF的(de)露點。薄膜電容式傳感器提供在低RH離散信号的(de)變化(huà)，保持穩定的(de)長(cháng)期使用(yòng)，并具有最小的(de)漂移，但它們不是線性的(de)下(xià)面幾％相對(duì)濕度。這(zhè)些特征導緻了(le)露點測量系統的(de)發展結合有電容傳感器和(hé)基于微處理(lǐ)器的(de)電路，其存儲在非易失性存儲器的(de)校正數據。這(zhè)種方法減少了(le)顯著在工業HVAC和(hé)天氣遙測應用(yòng)中使用(yòng)的(de)露點濕度計和(hé)發射機的(de)成本。
該傳感器被結合到一個(gè)單片電路，可(kě)提供一個(gè)電壓輸出爲RH的(de)函數。基于計算(suàn)機的(de)系統記錄輸出電壓在20露點值在一個(gè)範圍-40°C至27°C。參考露點被證實與NIST可(kě)追蹤冷(lěng)鏡式濕度計。獲取用(yòng)于将傳感器電壓與露點/霜點值，然後存儲在儀器中的(de)EPROM中。上述微處理(lǐ)器一起同時(shí)幹球溫度的(de)測量來(lái)計算(suàn)的(de)水(shuǐ)蒸汽壓力的(de)線性回歸算(suàn)法使用(yòng)這(zhè)些值。
一旦水(shuǐ)蒸汽壓力是确定的(de)，露點溫度從存儲在EPROM的(de)熱(rè)力學方程計算(suàn)。相關的(de)冷(lěng)凍鏡子比±2°C露點更好地從-40°C至-10°C和(hé)±1°C從-10°C至27°C。該傳感器提供優于1.5°C露點漂移/年的(de)長(cháng)期穩定性。使用(yòng)這(zhè)種方法的(de)露點米已實地測試，并廣泛用(yòng)于在冷(lěng)鏡露點米的(de)成本的(de)一小部分(fēn)了(le)廣泛的(de)應用(yòng)。
電阻式濕度傳感器
電阻式濕度傳感器（參見圖2）測量在吸濕介質，例如導電聚合物(wù)，鹽，或經處理(lǐ)的(de)襯底的(de)電阻抗的(de)變化(huà)。
照(zhào)片2。電阻式傳感器是基于一個(gè)叉指或雙線繞組。吸濕性聚合物(wù)塗層
的(de)沉積後，其電阻随濕度成反比變化(huà)。在鄧莫爾傳感器（右）所示的(de)1/3大(dà)小。
阻抗變化(huà)是典型的(de)逆指數關系到濕度（參見圖2）：
圖2。電阻傳感器的(de)指數響應，這(zhè)裏繪出在25℃下(xià)，通(tōng)過用(yòng)于直接抄表或過程控制信号調節線性化(huà)。
電阻式傳感器通(tōng)常由任一沉積在襯底上通(tōng)過在塑料或玻璃筒光(guāng)緻抗蝕劑技術或繞線電極的(de)貴金屬電極。在基闆上塗布一種鹽或導電性高(gāo)分(fēn)子。當它被溶解或懸浮在液體粘合劑它用(yòng)作車輛以便均勻地塗覆在傳感器。或者，襯底可(kě)以被激活的(de)化(huà)學物(wù)質，如酸處理(lǐ)。傳感器吸收的(de)水(shuǐ)蒸汽和(hé)離子性官能團解離，導緻增加的(de)電導率。的(de)響應時(shí)間最電阻傳感器範圍從10到30秒的(de)63％的(de)階躍變化(huà)。典型的(de)電阻元件的(de)阻抗變化(huà)範圍從1千
到100米。
大(dà)多(duō)數電阻傳感器使用(yòng)對(duì)稱的(de)交流激勵電壓與沒有DC偏置，以防止偏振傳感器。所産生的(de)電流流被轉換并整流成直流電壓信号進行縮放的(de)縮放，放大(dà)，線性化(huà)，或A / DRconversion（參見圖3）。
圖3。電阻式傳感器表現出對(duì)濕度變化(huà)的(de)非線性響應。此反應可(kě)以通(tōng)過模
拟或數字方法進行線性化(huà)處理(lǐ)。典型的(de)可(kě)變電阻的(de)範圍是從幾千歐姆到
100 mV。 額定勵磁頻(pín)率爲30 Hz至10 kHz。
在“電阻”傳感器是不是純電阻在電容的(de)影(yǐng)響>爲10-100μm 作出反應的(de)阻抗測量。的(de)電阻相對(duì)濕度傳感器的(de)一個(gè)顯著(zhe)優點是其可(kě)互換性，通(tōng)常在±2％RH，它允許電子信号調節電路可(kě)以由一個(gè)電阻器在一個(gè)固定的(de)相對(duì)濕度點校準。這(zhè)消除了(le)對(duì)濕度校準标準，所以電阻濕度傳感器通(tōng)常是在現場(chǎng)更換。單個(gè)電阻濕度傳感器的(de)準确度可(kě)以通(tōng)過在RH校準室測試或參考标準的(de)濕度控制的(de)環境中的(de)基于計算(suàn)機的(de)系統的(de)DA來(lái)确認。電阻式傳感器的(de)額定工作溫度範圍爲-40°C至100°C。
在住宅和(hé)商業環境中，這(zhè)些傳感器的(de)壽命是>> 5年。，但接觸化(huà)學氣體和(hé)其他(tā)污染物(wù)，如油霧可(kě)能導緻過早失效。一些電阻傳感器的(de)另一個(gè)缺點是它們傾向于在暴露于縮合如果水(shuǐ)溶性塗層是用(yòng)來(lái)轉移值。當安裝在大(dà)（> 10°F）的(de)溫度波動的(de)環境下(xià)電阻式濕度傳感器具有顯著的(de)溫度依賴性。同時(shí)進行溫度補償結合的(de)準确性。體積小，成本低，互換性強，長(cháng)期穩定性，使這(zhè)些電阻傳感器适用(yòng)于控制和(hé)顯示産品的(de)工業，商業和(hé)住宅應用(yòng)。
其中的(de)第一個(gè)大(dà)規模生産的(de)濕度傳感器是鄧莫爾型，由NIST在1940年制定并沿用(yòng)至今。它包括一個(gè)雙重的(de)塑料圓筒，然後将其塗覆有聚乙烯醇（粘合劑），要麽溴化(huà)锂或氯化(huà)锂的(de)混合物(wù)繞組钯絲。不同的(de)溴化(huà)锂或氯化(huà)锂的(de)結果中，覆蓋20％-40％RH的(de)濕度的(de)跨度非常高(gāo)的(de)分(fēn)辨率的(de)傳感器的(de)濃度。在1％-2％RH範圍内非常低的(de)相對(duì)濕度控制功能，在0.1％的(de)精度就可(kě)以實現。鄧莫爾傳感器被廣泛應用(yòng)于精密空調控制，以保持電腦(nǎo)室的(de)環境和(hé)應用(yòng)于電信監視器加壓傳輸線，天線和(hé)波導。
在電阻式濕度傳感器的(de)最新發展，采用(yòng)了(le)陶瓷塗層，以克服局限在發生結露的(de)環境。該傳感器包括一個(gè)陶瓷基片與沉積光(guāng)緻抗蝕劑工藝的(de)貴金屬電極。在襯底表面上塗覆有導電聚合物(wù)/陶瓷粘合劑混合物(wù)，并且該傳感器帶有灰塵過濾器安裝在一個(gè)塑料保護外殼。
粘結材料是一種陶瓷粉末懸浮在液體中的(de)形式。後的(de)表面上塗覆并在空氣中幹燥，傳感器是熱(rè)處理(lǐ)。這(zhè)個(gè)過程的(de)結果在一個(gè)明(míng)确的(de)非水(shuǐ)溶性的(de)厚膜塗層完全恢複因暴露于凝結（參見圖4）。
圖4。水(shuǐ)浸漬後，在陶瓷塗層的(de)電阻式傳感器到它的(de)預浸漬
的(de)典型恢複時(shí)間，30％的(de)值是5-15分(fēn)鐘(zhōng)，取決于空氣流速。
制造過程中産生具有優于3％RH以上的(de)15％-95％RH範圍内的(de)互換性傳感器。這(zhè)些傳感器的(de)精度被确定爲±2％相對(duì)濕度由一個(gè)基于計算(suàn)機的(de)系統的(de)DA。從全凝結到30％的(de)恢複時(shí)間是幾分(fēn)鐘(zhōng)。當與信号調節器中使用(yòng)時(shí)，傳感器輸出電壓直接正比于環境的(de)相對(duì)濕度。
導熱(rè)性濕度傳感器
這(zhè)些傳感器（參見圖3）通(tōng)過定量的(de)幹燥空氣的(de)熱(rè)導率和(hé)含有水(shuǐ)蒸汽的(de)空氣之間的(de)差測量的(de)絕對(duì)濕度。
照(zhào)片3。用(yòng)于測量絕對(duì)濕度在高(gāo)溫下(xià)，熱(rè)導率傳感器被經常使用(yòng)。他(tā)們
在不同的(de)工作原理(lǐ)由電阻和(hé)電容式傳感器。Avbsolute濕度傳感器是左
和(hé)中心;熱(rè)敏電阻商會是在右邊。
當空氣或氣體是幹燥的(de)，它具有更大(dà)的(de)容量，以“下(xià)沉”熱(rè)量，如在一個(gè)沙漠氣候的(de)例子。沙漠可(kě)以是非常炎熱(rè)的(de)一天，但夜間氣溫迅速下(xià)降，由于幹燥的(de)大(dà)氣條件。相比之下(xià)，潮濕的(de)氣候不降溫如此迅速地在晚上，因爲熱(rè)量是由水(shuǐ)蒸氣在大(dà)氣中留存。
導熱(rè)性濕度傳感器（或絕對(duì)濕度傳感器）由兩個(gè)匹配的(de)負溫度系數的(de)電橋電路（NTC）熱(rè)敏電阻元件; 1被氣密封裝在幹燥的(de)氮氣，另一種是暴露于環境中（參見圖5）。
圖5。在熱(rè)導率傳感器，兩個(gè)匹配的(de)熱(rè)敏電阻被用(yòng)于一DC電橋電路。
一個(gè)傳感器被密封在幹燥的(de)氮氣和(hé)其他(tā)暴露到周圍環境。電橋的(de)輸出
電壓直接正比于絕對(duì)濕度。
當電流通(tōng)過熱(rè)敏電阻通(tōng)過，電阻加熱(rè)提高(gāo)它們的(de)溫度至> 200℃。從密封的(de)熱(rè)敏電阻器散發的(de)熱(rè)量大(dà)于暴露熱(rè)敏電阻由于在水(shuǐ)蒸汽相比，幹燥的(de)氮氣的(de)熱(rè)傳導性的(de)差異。由于熱(rè)耗散收率不同的(de)工作溫度，在該熱(rè)敏電阻的(de)電阻差正比于絕對(duì)濕度（參見圖6）。
圖6。的(de)熱(rè)導率傳感器的(de)輸出信号由操作溫度的(de)影(yǐng)響。最大(dà)輸出功率爲600℃;在200℃産量下(xià)降了(le)70％。
一個(gè)簡單的(de)電阻網絡提供的(de)電壓輸出等于0-130克/米的(de)範圍内3在60°C。校準是通(tōng)過将傳感器在潮濕的(de)空氣或氮氣，并調整輸出到零進行。絕對(duì)濕度傳感器是非常耐用(yòng)的(de)，在溫度高(gāo)達575°F（300℃）操作，并且借助于用(yòng)于其結構，對(duì)于熱(rè)敏電阻，高(gāo)溫，即，玻璃，半導體材料中的(de)惰性材料的(de)化(huà)學蒸氣耐塑料或鋁的(de)熱(rè)導率傳感器的(de)一個(gè)有趣的(de)特點是，它們對(duì)具有熱(rè)特性與幹燥氮氣不同的(de)氣體作出響應，這(zhè)會影(yǐng)響測量結果。絕對(duì)濕度傳感器通(tōng)常用(yòng)于家用(yòng)電器如衣物(wù)幹燥機和(hé)微波和(hé)蒸汽注入爐。工業應用(yòng)包括窯烘幹的(de)木(mù)材，機械烘幹紡織，造紙，化(huà)工等固體;藥品生産，烹饪和(hé)食品脫水(shuǐ)。由于副産物(wù)的(de)燃燒和(hé)燃料電池的(de)操作之一是水(shuǐ)蒸汽，特别感興趣的(de)已被證明(míng)在使用(yòng)絕對(duì)濕度傳感器來(lái)監測這(zhè)些反應的(de)效率。
在一般情況下(xià)，絕對(duì)濕度傳感器提供更高(gāo)的(de)分(fēn)辨率在溫度> 200°F相比做(zuò)電容式和(hé)電阻式傳感器，并且可(kě)在應用(yòng)中，這(zhè)些傳感器将無法生存被使用(yòng)。絕對(duì)濕度傳感器的(de)典型精度爲+3克/米3，這(zhè)轉換爲大(dà)約±5％RH，在40℃和(hé)±0.5％相對(duì)濕度在100℃下(xià)。
總結
在半導體技術的(de)快(kuài)速進步，諸如薄膜沉積，離子濺射，并且陶瓷材料/矽塗層，已成爲可(kě)能，高(gāo)度精确的(de)濕度傳感器具有耐化(huà)學品和(hé)物(wù)理(lǐ)污染物(wù)？在經濟的(de)價格。沒有任何單一的(de)傳感器，但是，能滿足每個(gè)應用(yòng)程序。阻性，容性，和(hé)熱(rè)導率檢測每個(gè)技術提供了(le)明(míng)顯的(de)優勢。電阻式傳感器是可(kě)以互換的(de)，用(yòng)于遠(yuǎn)程位置使用(yòng)，并且具有成本效益。電容傳感器提供寬範圍的(de)相對(duì)濕度和(hé)冷(lěng)凝公差，并且，如果激光(guāng)修整，也(yě)都是可(kě)以互換的(de)。熱(rè)導率傳感器在腐蝕性的(de)環境中，并在高(gāo)溫下(xià)表現良好。對(duì)于大(dà)多(duō)數應用(yòng)，因此，環境條件決定了(le)傳感器的(de)選擇。
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