湿度传感器结构 【湿度传感器工作原理】你的保湿除湿做对了吗？
【湿度传感器工作原理】你的保湿除湿做对了吗？
湿度就和温度一样，无时无刻不在影响着人们的生产和生活。从畜牧养殖到工业生产，从储藏食品到科学实验，从生活习惯到建筑风格，空气湿度在潜移默化中塑造出了每个地区不同的文化和生活方式。尤其是科学高度现代化的今天，很难找出与湿度毫无关系的领域，因此，能够及时准确的掌握湿度的变化就显得尤为重要，而湿度传感器作为这一切的基础，掌握其工作原理能够帮助我们更好地了解和运用湿度传感器。
首先我们需要知道的是，湿度传感器是一种能够感受气体中水蒸气含量的装置，并且能够将其转换成可以输出的信号。而同样类似于温度计，在不同的场合和地点，我们要根据需要选择不同精度和量程的湿度传感器。一般来说，中、低湿段的传感器精度较高，而高湿段传感器相比精度较低。
对于现代湿度传感器来说，不管是它什么类型，其最简单的结构都是湿敏元件。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。电阻式湿敏元件顾名思义，是通过元件的电阻率和电阻值发生的变化的特性来测量湿度。主要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，元件的电阻便发生变化。电容式湿敏元件一般是用高分子薄膜电容制成的，当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，导致其电容量发生变化，而其电容变化量与相对湿度成正比，最后再将这一变化量转化为输出信号。
此外，在使用湿度传感器时必须要考虑到一个问题便是温度。因为相对湿度本身会随着温度的变化而变化，所以湿度传感器的相对精度都是在一个指定温度下（一般为25℃）。而在温度变化较大且难以控制的场合，湿度也会随之飘忽不定，此时谈论湿度传感器的精度则毫无意义。因此，控温是控湿的一个重要前提。而由于湿度传感器必须直接与空气接触才能起作用，这就决定了湿度传感器的稳定和寿命有限。因此，在使用湿度传感器的时候也必须考虑到传感器本身的使用寿命。
早在十八世纪人们就发明了干湿球和毛发湿度计，而电子湿度传感器在近年来更是发展迅猛，可见随着科技的发展人们对湿度的要求也愈发精益求精，湿度测控技术也将为人们的生产生活提供更多便利。
湿度传感器的类型以及信号调理的原理解析
湿度是空气中水蒸气量的术语。相对湿度（RH）定义为在给定温度下水蒸气的分压（在空气和水蒸气的气体混合物中）与水的饱和蒸气压之比。因此，简单地说，RH是特定温度下空气中水蒸气的量，与在给定温度下空气能够保持而不会冷凝的最大水蒸气相比。它是天气预报中的一个重要指标，因为它是降水，露水或雾的可能性的指标。
湿度传感器的类型
湿度传感器通常是电容式或电阻式。电容式传感器具有比电阻式传感器更线性的响应（这些传感器几乎具有对数响应，但在低湿度下具有高灵敏度）。电容式传感器也可用于0至100%相对湿度的整个范围，其中电阻元件通常限制在约20%至90%的相对湿度。
电容式相对湿度传感器通常使用经过工业验证的热固性聚合物，三层电容结构，铂电极，除高温版本外，其中一些还具有片上硅集成电压输出信号调理功能。这些传感器工作在ΔC或电容随湿度变化。交流激励而不是DC用于防止极化。
电容式传感器信号调理
多电路架构可与电容式湿度传感器配合使用。在这些设计中，在印刷电路板的布局过程中必须格外小心。必须在布局中最小化任何杂散电容，因为任何增加的电容将充当与传感器的并联电容并产生测量误差。
建议对印刷电路板和元件进行仔细的保形涂层，以防止555定时器的FOUT出现意外偏差，特别是在高湿度条件下。
第一个也是最简单的是电容 - 频率转换电路。图1显示了使用霍尼韦尔HCH-1000系列的电路图，霍尼韦尔HCH-1000系列是一种基于聚合物的传感器，具有ΔC形状因子。
图1：使用简单555定时器的电容到频率转换电路。 （霍尼韦尔提供。）
HCH-1000是一个连接到THRES和TRIG引脚的可变电容。 RV是一个可变电阻，可以补偿HCH-1000基本电容的输出频率。外部电容通过R1 +（Rv + R2）充电并通过（Rv + R2）放电。因此，如果占空比接近50%，则可以通过这两个电阻的比率精确地设置占空比。因此，频率与电源电压无关。该方法的精度小于±3.9%RH。
接下来，我们有一个电压输出电路，由两个555定时器产生，图2中的第一个定时器提供一个连续的定时脉冲来触发第二个定时器，它工作在脉冲宽度调制（PWM）模式。第二个定时器频率输出进入低通滤波器（LPF）和由双LM2904运算放大器组成的放大器。该电路方法称为一点校准电压输出。这使得电压输出的精度小于±2.7%RH。
最后，还有ADI公司的AD7147等电容数字转换器，它提供了一种高度集成的方法，可使用电容式湿度传感器将电容转换为数字串行输出直接连接到它的输入。
作为针对特定但广受欢迎的产品领域的最终电容式湿度传感器解决方案，TDK拥有一系列带有NB系列器件的超声波雾化器单元。它们与电子设备完全集成，可随时安装到雾化器产品设计中。
电阻式湿度传感器
电阻式湿度传感器³可选陶瓷或聚合物结构。电阻式湿度传感器通常由吸湿（吸收水分）介质组成，例如导电盐或沉积在非导电基底上的贵金属电极上的聚合物。
当传感器存在水蒸气时，它会被吸收，导致功能性离子基团解离，导致电导率增加。响应时间很慢，范围从10到30秒，步长变化为63%。
大多数电阻式传感器使用交流激励来防止传感器极化。产生的电流被整流并转换成DC，然后可以进行线性化并根据需要进行放大。施加到桥的AC信号范围从30Hz到10kHz。例如，考虑具有电压输出的TDK CHS系列集成电阻式湿度传感器。
电阻式传感器信号调理
如果需要采用分立式设计，可以使用1 kHz AC正弦波来激励包含电阻式湿度传感器的半桥。输出电压与上电阻和电阻传感器建立的分压电压成正比。电阻湿度传感器用AC信号而不是DC电压激励，以防止传感器极化。
通过分压器将DC基座电压施加到反相输入。通过仪表放大器从AC电压中减去该DC电压，并且在输出端出现差电压。 DC电平确保两个输入端的差电压随着电压差的增加而导致输出电压增加。
然后将AC桥式放大器的输出交流耦合，以去除DC内容，到达执行全波整流功能的绝对值电路。然后将整流电压施加到双极低通滤波器的输入端。这消除了大部分1 kHz的纹波。由于湿度传感器通过湿度水平的线性变化产生高度非线性的电阻变化，因此输出电压也是非线性的。可以采用包括对数放大器来帮助改善输出电压与湿度响应。
温度对基于吸收的湿度传感器的影响
所有类型的基于吸收的湿度传感器的输出，无论是电容式，体电阻式，导电薄膜等，都受温度1和相对湿度百分比的影响（ %RH）。因此，温度补偿必须用于需要更高精度或宽工作温度范围环境的应用中。
温度测量装置应尽可能靠近湿度传感器的有效区域，特别是在将RH和温度结合作为测量露点的方法时。大多数工业级湿度和露点仪器在陶瓷传感器基板背面使用1，000Ω铂RTD。
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