湿敏电容 传感器 湿敏电阻的工作原理及其用法应用
湿敏电阻的工作原理及其用法应用
湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。工业上流行的湿敏电阻主要有氯化锂湿敏电阻，有机高分子膜湿敏电阻。工业上流行的湿敏电阻主要有1、半导体陶瓷湿敏元件；2、氯化锂湿敏电阻；3、有机高分子膜湿敏电阻 。
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 。
湿敏电阻的工作原理：
湿敏电阻式传感器主要由感湿层3、电极4和具有一定机械强度的绝缘基片2组成，如图1所示。感湿层在吸收了环境中的水分后引起两电极间电阻值的变化，这样就将相对湿度的变化转换成电阻值的变化。
湿敏电阻结构示意图
湿敏电阻只能用交流的，直流会导致湿敏失效，因为直流的电场会导致高分子材料中的带电粒子偏向两极，一定时间以后湿敏电阻就会失效。所以必须用交流维持其动态平衡，这也是为什么测湿敏电阻阻值要用电桥而不能用普通万用表的原因。
水分子是极性分子，在直流电场中会分解为H2及O2，影响测量，并且在湿度传感器中存在导电离子，在高湿情况下，如采用直流电会漂移，造成电导率漂移，影响传感器的使用寿命。可采用RC充放电，计时方式，有些芯片有RFC功能，亦可使用，或用IC直接产生1KHZ方波，叠加在采样电阻与湿度传感器之上，通过AD，在正周期内测量分压亦可。或采用模拟电路，通过对数运算进行R/V转换，再AD采样。
湿敏电阻的应用：
湿敏电阻器广泛应用于洗衣机、空调器、录像机、微波炉等家用电器及工业、农业等方面作湿度检测、湿度控制用。如图所示，是湿度检测器电路原理图。
湿度检测器电路原理图
图2所示电路中，由555时基电路、湿度传感器CH等组成多谐振荡器，在振荡器的输出端接有电容器C2，它将多谐振荡器输出的方波信号变为三角波。当相对湿度变化时，湿度传感器CH的电容量将随着改变，它将使多谐振荡器输出的频率及三角波的幅度都发生相应的变化，输出的信号经VD1，VD2整流和C4滤波后，可从电压表上直接读出与相对湿度相应的指数来。Rp电位器用于仪器的调零。
氯化锂湿敏电阻
多片电阻组合式氯化锂湿敏传感器是利用湿敏元件的电气特性（如电阻值），随湿度的变化而变化的原理进行湿度测量的传感器，湿敏元件一般是在绝缘物上浸渍吸湿性物质，或者通过蒸发、涂覆等工艺制各一层金属、半导体、高分子薄膜和粉末状颗粒而制作的，在湿敏元件的吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的离子H+的传导状态发生变化，从而使元件的电阻值随湿度而变化。
氯化锂湿度传感器具有稳定性、耐温性和使用寿命长多项重要的优点，氯化锂湿敏传感器已有了五十年以上的生产和研究的历史，有着多种多样的产品型式和制作方法，都应用了氯化锂感湿液具备的各种优点尤其是稳定性最强，氯化锂湿敏器件属于电解质感湿性材料，在众多的感湿材料之中，首先被人们所注意并应用于制造湿敏器件，氯化锂电解质感湿液依据当量电导随着溶液浓度的增加而下降。电解质溶解于水中降低水面上的水蒸气压的原理而实现感湿。
氯化锂感湿基片的结构为选用绝缘材料的衬底，在上方制作一对金属电极，涂覆一层电解质溶液感湿膜，氯化锂是典型的离子晶体，属于非亲合型电解质，氯化锂溶液中，Li+对极性水分子的吸引力极强，离子水分程度最高。氯化锂感湿膜由氯化锂和聚乙烯醇混合制作，其主要特性：
（1） 是可在120度高温环境中稳定工作，这一点是其他高分子电容是湿度传感器不可比拟的；
（2）氯化锂湿敏元件线性测湿量程较窄大约在20%RH左右，在该测量范围内，其线性误差小于2%RH。所以，在全范围湿度测量环境中要想达到高精度的湿度测量，目前普遍采用的单片湿敏元件测量方法就很难实现了。
有机高分子膜湿敏电阻
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。
电子式湿敏传感器的准确度可达2-3%RH，这比干湿球测湿精度高。湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。这方面没有干湿球测湿方法好。
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盘点｜气象观测仪器知多少
气象观测是预报服务的基础，观测业务的现代化是气象现代化的重要组成部分。随着气象科技和业务的发展，气象观测越来越趋向于自动化，观测内容越来越丰富。那么，常用的气象观测仪器有哪些？又是如何工作的？科科带您一起盘点。
1
云的观测
激光云高仪：采用激光束照射云体的方法，测量激光发射到接收间的时间，从而计算云中反射点的距离，通过对时间积分的方式确定云量。
微脉冲激光雷达(MPL）：可测量云底、多层云时空分布监测，边界层时空分布监测，气溶胶垂直分布和时空演变。
２
能见度观测
前向散射能见度仪：发射器与接收器在成一定角度和一定距离的两处。接收器接收大气的前向散射光。通过测量散射光强度，得出散射系数，从而估算出消光系数。
透射式能见度仪：通过测量发射器和接收器之间水平空气柱的平均消光系数而算出能见度。
３
天气现象观测
天气现象仪：是一种智能型多变量传感器，由一个散射能见度仪，一个降水监测系统传感器以及温度、湿度、风向、风速等传感器组成。通过对这些数据变量的逻辑分析来判定天气现象。
闪电定位仪：利用闪电辐射的声、光、电磁场特性来遥测闪电放电参数，并把经过预处理的闪电数据实时地通过通讯系统发送到中心数据处理站实时进行交汇处理，可记录雷电发生的时间、位置、强度和极性等指标。
４
气压观测
硅膜盒电容式压力传感器：利用单晶硅薄膜片制成真空膜盒，通过膜盒上下膜片变形，造成电容极板位移而改变电容量，再通过测电容量的变化来测量气压。目前，我国自动气象站普遍使用的气压传感器是智能型全补偿式数字气压传感器，其感应元件是硅电容。气压传感器安装在采集器机箱内，通过静压压力连通管与外界大气相通。
５
温度观测
铂电阻温度传感器：铂电阻的阻值随温度变化而变化，通过测量其电阻值推算出被测物体的温度。常见的Pt100感温元件有陶瓷元件、玻璃元件、云母元件，它们是由铂丝分别绕在陶瓷骨架、玻璃骨架、云母骨架上再经过复杂的工艺加工而成。
气象观测站中的空气温度、草面温度、浅层土壤温度、深层土壤温度都采用此类型传感器。
６
湿度观测
湿敏电容湿度传感器：利用有机高分子膜做介质的一种小型电容器。安装在百叶箱内特制的支架上，位于百叶箱水平面的中心，电缆线由支架底部穿入管内，由管顶取出，传感器固定在横臂的夹子中，头部向下。
在外界相对湿度发生变化时，作为感湿膜的高分子聚合物能吸附和释放水汽分子，其介电常数ε随之变化，促使湿敏电容量发生变化，将电容变化量转化为电压的变化量，输出电压范围为0～1V，测量输出的电压即可得到相对湿度。
７
风的观测
风杯风速传感器：采用三杯式感应器，当风杯转动时，带动同轴的多齿截光盘转动，得到与风杯转速成正比的脉冲信号，由计数器计数换算后就能得出实际风速值。
８
降水观测
翻斗雨量计：敏感部分是两个三角形盛水斗，可以围绕中心轴转动，每转动一次，随之运动的磁铁对干簧管扫描一次，两个电极吸合产生一个电脉冲。根据翻斗翻转的次数记录降雨量。目前，地面气象观测系统多采用翻斗式雨量传感器。
９
农业气象观测设备
农业气象自动观测系统是对农作物及其赖以生存的外界环境（农田、土壤）进行实时观测，根据业务需求主要对农田小气候数据、土壤数据、作物长势参数和图像及实景监控视频进行采集，整套系统可采用农电/太阳能/风能等多种供电方式进行供电，可通过光纤/3G/WiFi/微波等多种通信方式与上位机软件进行数据交互。配套的农业气象观测自动采集及综合处理平台具有观测数据的整理和入库、台站参数设置、设备运行状态监控、日志管理、气象观测数据查询与显示、作物灾害分析与预警、作物长势显示、数据上传等功能。
10
交通气象站
交通气象观测站能够精确、及时地监测道路环境状况，并且能够与交通管理部门的其它监控子系统相结合，实现智能化的交通保障网络系统，能够对雾、路面结冰、积雪等高速公路所需的各种监测要素进行实时监测。
11
新一代C波段多普勒天气雷达
CINRAD/CC型天气雷达是中国气象局用于国内气象业务组网探测的新一代C波段全相参多普勒天气雷达。该雷达能够监测400公里范围内的热带气旋、暴雨等大范围强降水目标，有效监测和识别距离大于200公里的龙卷、雹云、冰雹等中小尺度强天气现象，径向风速测量的范围达到±36米/秒。
来源｜中国气象局气象探测中心
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