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02月22日 2020

一文讀懂溫濕度傳感器

發布者:虹潤集團

據生理學家研究,人所處環境的溫濕度高低,會直接影響到人的體溫調節功能和熱傳導效應。以至于人的體感適應度的好壞,反映到思維活動的敏捷和精神狀態的優良,從而影響了我們學習、工作的效率。經過試驗分析,人體最適宜的室溫度應是18℃,濕度應是40%60%。在人們的生產生活中,有許多不同的場所和環境對溫濕度都有特定的要求,因此,合理的溫濕度調控成為了一種必要手段。

溫濕度傳感器

由于溫度與濕度不管是從物理量本身,還是在實際人們的生活中都有著密切的關系,所以產生了溫濕度一體的傳感器。

溫濕度傳感器是指能將溫度量和濕度量轉換成容易被測量處理的電信號的設備或裝置。 市場上的溫濕度傳感器一般是測量溫度量和相對濕度量。

溫度和濕度

先來了解一下溫度和濕度的幾個物理量:

溫度

度量物體冷熱的物理量,是國際單位制中7個基本物理量之一。在生產和科學研究中,許多物理現象和化學過程都是在一定的溫度下進行的,人們的生活也和它密切相關。

濕度

濕度很久以前就與生活存在著密切的關系,但用數量來進行表示較為困難。

日常生活中最常用的表示濕度的物理量是空氣的相對濕度。用%RH表示。在物理量的導出上相對濕度與溫度有著密切的關系。一定體積的密閉氣體,其溫度越高相對濕度越低,溫度越低,其相對濕度越高。其中涉及到復雜的熱力工程學知識。

有關濕度的一些定義:

相對濕度

在計量法中規定,濕度定義為“物象狀態的量。日常生活中所指的濕度為相對濕度,用RH%表示。總之,即氣體中(通常為空氣中)所含水蒸氣量(水蒸氣壓)與其空氣相同情況下飽和水蒸氣量(飽和水蒸汽壓)的百分比。

絕對濕度

指單位容積的空氣里實際所含的水汽量,一般以克為單位。溫度對絕對濕度有著直接影響,一般情況下,溫度越高,水蒸氣發得越多,絕對濕度就越大;相反,絕對濕度就小。

飽和濕度

在一定溫度下,單位容積,空氣中所能容納的水汽量的最大限度。如果超過這個限度,多余的水蒸氣就會凝結,變成水滴,此時的空氣濕度變稱為飽和濕度。空氣的飽和濕度不是固定不變的,它隨著溫度的變化而變化。溫度越高,單位容積空氣中能容納的水蒸氣就越多,飽和濕度就越大。

露點

指含有一定量水蒸氣(絕對濕度)的空氣,當溫度下降到一定程度時所含的水蒸氣就會達到飽和狀態(飽和濕度)并開始液化成水,這種現象叫做凝露。水蒸氣開始液化成水時的溫度叫做“露點溫度簡稱露點。如果溫度繼續下降到露點以下,空氣中超飽和的水蒸氣就會在物體表面上凝結成水滴。此外,風與空氣中的溫濕度有密切關系,也是影響空氣溫濕度變化的重要因素之一。

 

溫度傳感器的種類

溫度傳感器按檢測方法有接觸與非接觸式

接觸式溫度傳感器

接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸,又稱溫度計。

                                         

溫度計通過傳導或對流達到熱平衡,從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度。

一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內,溫度計也可測量物體內部的溫度分布。但對于運動體、小目標或熱容量很小的對象則會產生較大的測量誤差,常用的溫度計有雙金屬溫度計、玻璃液體溫度計、壓力式溫度計、電阻溫度計、熱敏電阻和溫差電偶等。

它們廣泛應用于工業、農業、商業等部門。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計。

 

非接觸式溫度傳感器

它的敏感元件與被測對象互不接觸,又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可用來測量運動物體、小目標和熱容量小或溫度變化迅速(瞬變)對象的表面溫度,也可用于測量溫度場的溫度分布。

最常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律,稱為輻射測溫儀表。

輻射測溫法包括亮度法(見光學高溫計)、輻射法(見輻射高溫計)和比色法(見比色溫度計)。


 

各類輻射測溫方法只能測出對應的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對黑體(吸收全部輻射并不反射光的物體)所測溫度才是真實溫度。如欲測定物體的真實溫度,則必須進行材料表面發射率的修正。而材料表面發射率不僅取決于溫度和波長,而且還與表面狀態、涂膜和微觀組織等有關,因此很難精確測量。

在自動化生產中往往需要利用輻射測溫法來測量或控制某些物體的表面溫度,如冶金中的鋼帶軋制溫度、軋輥溫度、鍛件溫度和各種熔融金屬在冶煉爐或坩堝中的溫度。 

非接觸測溫優點:測量上限不受感溫元件耐溫程度的限制,因而對最高可測溫度原則上沒有限制。對于1800℃以上的高溫,主要采用非接觸測溫方法。隨著紅外技術的發展,輻射測溫 逐漸由可見光向紅外線擴展,700℃以下直至常溫都已采用,且分辨率很高。


按工作原理有下列形式的溫度傳感器:

金屬膨脹原理設計的傳感器

金屬在環境溫度變化后會產生一個相應的延伸,因此傳感器可以以不同方式對這種反應進行信號轉換。

雙金屬片式傳感器

雙金屬片由兩片不同膨脹系數的金屬貼在一起而組成,隨著溫度變化,材料A比另外一種金屬膨脹程度要高,引起金屬片彎曲。彎曲的曲率可以轉換成一個輸出信號。

雙金屬桿和金屬管傳感器

隨著溫度升高,金屬管(材料A)長度增加,而不膨脹鋼桿(金屬B)的長度并不增加,這樣由于位置的改變,金屬管的線性膨脹就可以進行傳遞。反過來,這種線性膨脹可以轉換成一個輸出信號。

液體和氣體的變形曲線設計的傳感器

在溫度變化時,液體和氣體同樣會相應產生體積的變化。

多種類型的結構可以把這種膨脹的變化轉換成位置的變化,這樣產生位置的變化輸出(電位計、感應偏差、擋流板等等)。

熱敏電阻溫度傳感器

熱敏電阻是用半導體材料, 大多為負溫度系數,即阻值隨溫度增加而降低。

                                      

溫度變化會造成大的阻值改變,因此它是最靈敏的溫度傳感器。但熱敏電阻的線性度極差,并且與生產工藝有很大關系。制造商給不出標準化的熱敏電阻曲線。

熱敏電阻體積非常小,對溫度變化的響應也快。但熱敏電阻需要使用電流源,小尺寸也使它對自熱誤差極為敏感。

熱敏電阻在兩條線上測量的是絕對溫度, 有較好的精度,但它比熱偶貴, 可測溫度范圍也小于熱偶。它非常適合需要進行快速和靈敏溫度測量的電流控制應用。尺寸小對于有空間要求的應用是有利的,但必須注意防止自熱誤差。

熱敏電阻還有其自身的測量技巧。熱敏電阻體積小是優點,它能很快穩定,不會造成熱負載。不過也因此很不結實,大電流會造成自熱。由于熱敏電阻是一種電阻性器件,任何電流源都會在其上因功率而造成發熱。因此要使用小的電流源。如果熱敏電阻暴露在高熱中,將導致永久性的損壞。

 

熱電偶溫度傳感器

熱電偶由兩個不同材料的金屬線組成,在末端焊接在一起。當熱電偶一端受熱時,熱電偶電路中就有電勢差。可用測量的電勢差來計算溫度。由于它必須有兩種不同材質的導體,所以稱之為熱電偶。不同材質做出的熱電偶使用于不同的溫度范圍,它們的靈敏度也各不相同。熱電偶的靈敏度是指加熱點溫度變化1℃時,輸出電位差的變化量。對于大多數金屬材料支撐的熱電偶而言,這個數值大約在540微伏/℃之間。

                         

由于熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細無關,用非常細的材料也能夠做成溫度傳感器。也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性,這種細微的測溫元件有極高的響應速度,可以測量快速變化的過程。

熱電偶是溫度測量中最常用的溫度傳感器。其主要好處是寬溫度范圍和適應各種大氣環境,而且結實、價低,無需供電,也是最便宜的。熱電偶是最簡單和最通用的溫度傳感器,但熱電偶并不適合高精度的的測量和應用。

濕度傳感器的種類

濕度傳感器的濕敏元件分為 電阻式 和 電容式 兩種。

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。

常見的濕度測量方法有:動態法(雙壓法、雙溫法、分流法),靜態法(飽和鹽法、硫酸法),露點法,干濕球法和形形色色的電子式傳感器法。 

動態法測量

這里雙壓法、雙溫法是基于熱力學PVT平衡原理,平衡時間較長,分流法是基于絕對濕氣和絕對干空氣的精確混合。由于采用了現代測控手段,這些設備可以做得相當精密,卻因設備復雜,昂貴,運作費時費工,主要作為標準計量之用,其測量精度可達±2%RH -±1.5%RH

靜態法測量

靜態法中的飽和鹽法,是濕度測量中最常見的方法,簡單易行。但飽和鹽法對液、氣兩相的平衡要求很嚴,對環境溫度的穩定要求較高。用起來要求等很長時間去平衡,低濕點要求更長。特別在室內濕度和瓶內濕度差值較大時,每次開啟都需要平衡6~8小時。

露點法測量

露點法是測量濕空氣達到飽和時的溫度,是熱力學的直接結果,準確度高,測量范圍寬。計量用的精密露點儀準確度可達±0.2℃甚至更高。但用現代光電原理的冷鏡式露點儀價格昂貴,常和標準濕度發生器配套使用。

干濕法測量

干濕球法,這是18世紀就發明的測濕方法。歷史悠久,使用最普遍。干濕球法是一種間接方法,它用干濕球方程換算出濕度值,而此方程是有條件的:即在濕球附近的風速必需達到2.5m/s以上。普通用的干濕球溫度計將此條件簡化了,所以其準確度只有5~7%RH,明顯低于電子濕度傳感器。顯然干濕球也不屬于靜態法,不要簡單地認為只要提高兩支溫度計的測量精度就等于提高了濕度計的測量精度。

電子式濕敏傳感器

電子式濕敏傳感器的準確度可達2-3%RH,這比干濕球測濕精度高。

 

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。這方面沒有干濕球測濕方法好。

溫濕度傳感器的選型

選擇溫濕度傳感器有以下注意 的事項:

選擇測量范圍

和測量重量、溫度一樣,選擇濕度傳感器首先要確定測量范圍。除了氣象、科研部門外,搞溫、濕度測控的一般不需要全濕程(0-100%RH)測量。

選擇測量精度

測量精度是濕度傳感器最重要的指標,每提高—個百分點,對濕度傳感器來說就是上一個臺階,甚至是上一個檔次。因為要達到不同的精度,其制造成本相差很大,售價也相差甚遠。所以使用者一定要量體裁衣,不宜盲目追求高、精、尖。如在不同溫度下使用濕度傳感器,其示值還要考慮溫度漂移的影響。

眾所周知,相對濕度是溫度的函數,溫度嚴重地影響著指定空間內的相對濕度。溫度每變化0.1℃。將產生0.5%RH的濕度變化(誤差)。使用場合如果難以做到恒溫,則提出過高的測濕精度是不合適的。多數情況下,如果沒有精確的控溫手段,或者被測空間是非密封的,±5%RH的精度就足夠了。

對于要求精確控制恒溫、恒濕的局部空間,或者需要隨時跟蹤記錄濕度變化的場合,再選用±3%RH以上精度的濕度傳感器。而精度高于±2%RH的要求恐怕連校準傳感器的標準濕度發生器也難以做到,更何況傳感器自身了。相對濕度測量儀表,即使在20—25℃下,要達到2%RH的準確度仍是很困難的。通常產品資料中給出的特性是在常溫(20℃±10℃)和潔凈的氣體中測量的。

考慮時漂和溫漂

在實際使用中,由于塵土、油污及有害氣體的影響,使用時間一長,電子式濕度傳器會產生老化,精度下降,電子式濕度傳感器年漂移量一般都在±2%左右,甚至更高。一般情況下,生產廠商會標明1次標定的有效使用時間為1年或2年,到期需重新標定。

其它注意事項

濕度傳感器是非密封性的,為保護測量的準確度和穩定性,應盡量避免在酸性、堿性及含有機溶劑的氣氛中使用。也避免在粉塵較大的環境中使用。

為正確反映欲測空間的濕度,還應避免將傳感器安放在離墻壁太近或空氣不流通的死角處。如果被測的房間太大,就應放置多個傳感器。

有的濕度傳感器對供電電源要求比較高,否則將影響測量精度。或者傳感器之間相互干擾,甚至無法工作。使用時應按照技術要求提供合適的、符合精度要求的供電電源。

傳感器需要進行遠距離信號傳輸時,要注意信號的衰減問題。當傳輸距離超過200m以上時,建議選用電流輸出信號的濕度傳感器。  

未來的溫濕度傳感器市場尤其是在消費電子及物聯網等領域擁有廣闊前景。體積小、功耗小、成本低、集成度高的IC半導體溫濕度傳感器的產品,將得到更大的推廣應用。    

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