濕度測量在十年前還是局限于氣象，科研等少數(shù)領(lǐng)域里討論的技術(shù)，現(xiàn)代電子技術(shù)同樣使?jié)穸葌鞲衅鞒蔀榭萍伎锷铣Ｒ姷男g(shù)語。越來越多的專業(yè)人士關(guān)注并研制出各種新型濕度傳感器。嵌入式技術(shù)、總線技術(shù)同樣在濕度測量領(lǐng)域開出絢麗的花朵。本文僅從多年實踐出發(fā)，討論合理使用濕度傳感器的若干問題。提請同行在研究和使用濕度傳感器時注意，以免影響分析的正確性甚至得出不合理的結(jié)論。

1、濕度測量方法的比較

濕度測量技術(shù)來由已久。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，近代測量技術(shù)也有了飛速的發(fā)展。濕度測量從原理上劃分二、三十種之多。對濕度的表示方法有絕對濕度、相對濕度、露點、濕氣與干氣的比值（重量或體積）等等。但濕度測量始終是世界計量領(lǐng)域中著名的難題之一。一個看似簡單的量值，深究起來，涉及相當(dāng)復(fù)雜的物理—化學(xué)理論分析和計算，初涉者可能會忽略在濕度測量中必需注意的許多因素，因而影響傳感器的合理使用。

常見的濕度測量方法有：動態(tài)法（雙壓法、雙溫法、分流法），靜態(tài)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。

這里雙壓法、雙溫法是基于熱力學(xué)P、V、T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(xiàn)代測控手段，這些設(shè)備可以做得相當(dāng)精密，卻因設(shè)備復(fù)雜，昂貴，運作費時費工，主要作為標(biāo)準(zhǔn)計量之用，其測量精度可達±2%RH -±1.5%RH。

靜態(tài)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(huán)境溫度的穩(wěn)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(nèi)濕度和瓶內(nèi)濕度差值較大時，每次開啟都需要平衡6～8小時。

露點法是測量濕空氣達到飽和時的溫度，是熱力學(xué)的直接結(jié)果，準(zhǔn)確度高，測量范圍寬。計量用的精密露點儀準(zhǔn)確度可達±0.2℃甚至更高。但用現(xiàn)代光—電原理的冷鏡式露點儀價格昂貴，常和標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器配套使用。

干濕球法，這是18世紀(jì)就發(fā)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(fēng)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(zhǔn)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(tài)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。

本文想強調(diào)兩點：第一，由于濕度是溫度的函數(shù)，溫度的變化決定性地影響著濕度的測量結(jié)果。無論那種方法，精確地測量和控制溫度是第一位的。須知即使是一個隔熱良好的恒溫恒濕箱，其工作室內(nèi)的溫度也存在一定的梯度。所以此空間內(nèi)的濕度也難以完全均勻一致。

第二，由于原理和方法差異較大，各種測量方法之間難以直接校準(zhǔn)和認定，大多只能用間接辦法比對。所以在兩種測濕方法之間相互校對全濕程（相對濕度0～100%RH）的測量結(jié)果，或者要在所有溫度范圍內(nèi)校準(zhǔn)各點的測量結(jié)果，是十分困難的事。例如通風(fēng)干濕球濕度計要求有規(guī)定風(fēng)速的流動空氣，而飽和鹽法則要求嚴格密封，兩者無法比對。最好的辦法還是按國家對濕度計量器具檢定系統(tǒng)（標(biāo)準(zhǔn)）規(guī)定的傳遞方式和檢定規(guī)程去逐級認定。


2、濕度傳感器測濕原理的差異

濕度傳感器可分為物性型和結(jié)構(gòu)型。物性型濕度傳感器又分為水分子親和型和非親和型兩類。絕大多數(shù)實用的濕度傳感器屬于前者。水分子親和型的感濕機理主要表現(xiàn)在感濕材料在吸濕后阻值和電容值發(fā)生規(guī)律性變化。具有此類物性的材料很多：有金屬氧化物、高分子、電解質(zhì)、碳—聚合物混合材料。而現(xiàn)有的電子敏感材料的均勻性、一致性尚未達到理想水平，元件制作工藝也參差不齊，所以感濕元件的物性存在分散性。感濕元件的物性與濕度值之間又是一種間接關(guān)系，須經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路將阻值或容值的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流量值。所以不同的原理、不同的材料、不同的結(jié)構(gòu)做出的傳感器反映的濕度值總是存在差異。到目前為止，還沒有一種在測量范圍、測試精度、響應(yīng)時間、使用溫度、穩(wěn)定性各方面都盡善盡美的“全天候”濕度傳感器。

3、影響電子式濕度測量準(zhǔn)確度的因素

1）濕度傳感器的誤差

＊ 敏感元件分散性造成：即元件阻值、容值對濕度響應(yīng)的離散性;

＊ 信號轉(zhuǎn)換產(chǎn)生誤差：即阻值、容值轉(zhuǎn)換為電壓、電流信號時產(chǎn)生;

＊ 溫漂、時漂造成：濕敏元件必需和被測氣體直接接觸，不能象其它電子器件那樣完全密封。故容易被空氣中的酸性、堿性成分及有機溶劑腐蝕、污染，所以濕敏元件難以做到長壽命，需要定期（例如一年）標(biāo)定。壽命較長，穩(wěn)定性好的傳感器標(biāo)定后可繼續(xù)使用，達十年以上。

2）二次儀表中，對信號的處理引入的誤差

＊ 對信號放大、補償、修正后產(chǎn)生的失真;例如有的濕敏元件溫度系數(shù)是個變量，常溫下補償后，高溫時仍有誤差。

＊ 整機電路的零點漂移、溫度漂移產(chǎn)生的誤差。

3）傳感器、變送器在校準(zhǔn)，標(biāo)定時產(chǎn)生的誤差

＊ 標(biāo)定設(shè)備的干燥系統(tǒng)、飽和系統(tǒng)不理想;或者雙壓法、雙溫法設(shè)備的壓力、溫度測量控制不準(zhǔn);在分流法設(shè)備中因質(zhì)量流量計不準(zhǔn);在露點法中，因采樣氣時導(dǎo)管漏氣或?qū)Ч芴L而影響溫度都會產(chǎn)生較大的誤差。

＊ 平衡時間不夠或難以達到平衡產(chǎn)生的誤差。敏感元件周圍有發(fā)熱體（如功率較大的元器件）也會影響測量結(jié)果。

＊ 傳感器在工作室停留位置不同產(chǎn)生的誤差。

4、目前濕度傳感器溫度性能分析比較

和多數(shù)傳感器一樣，濕度傳感器在實用中必需解決溫漂問題。因此對濕度傳感器溫度特性的研究是其實用化中的重要課題。眾所周知，濕度測量始終是計量領(lǐng)域的一個難題，對濕度傳感器溫度特性的研究也十分困難。從各廠家濕度傳感器的產(chǎn)品說明書中可以發(fā)現(xiàn)，國外產(chǎn)品多數(shù)給出了溫度系數(shù)，國內(nèi)產(chǎn)品則多數(shù)沒有給出。實際上給出指標(biāo)的不一定能準(zhǔn)確反映其傳感器的溫度特性：沒有給出指標(biāo)的溫度特性不見得不好，很可能是缺乏數(shù)據(jù)難以給出具體指標(biāo)。本文重點討論一下濕度傳感器的溫度特性，望引起對這一問題更深入的研究。

通常用溫度系數(shù)α或溫度漂移系數(shù)作為描述傳感器溫度特性的參數(shù)。高分子濕度傳感器的溫度系數(shù)的指標(biāo)大約在0.05一0.5%RH/℃。在寬溫區(qū)使用時，這種幅度的溫度漂移已相當(dāng)可觀了。例如氣象探空儀對濕度傳感器的工作溫度范圍要求為-50～+50℃，溫區(qū)跨度達100℃。與常溫基值相比，△T達幾十度，再小的溫度系數(shù)也難以忽略不計。下表列出了國內(nèi)、外典型濕度傳感器的溫度特性。

值得注意的是Vaisala公司濕敏電容元件的溫度特性是按感濕范圍和溫區(qū)分別給出不同溫度系數(shù)的。這里除感濕元件自身的溫漂外，還應(yīng)包括變換電路中其它元件的溫漂，特別是對溫度敏感的二、三級管和集成電路的溫漂。因此多數(shù)探測器、變送器都采取了溫度補償措施以減少溫漂，使傳感器在實際使用中更精確可靠。

JUCSAN九純健公司濕敏元件為電阻式采用無機鹽與有機物合成氯化鋰膜感濕工藝制成，具有的最佳優(yōu)點在于長期穩(wěn)定性極強和使用壽命較長，并采用多片組合式生產(chǎn)工藝從而解決了單片濕敏元件在整個濕度范圍內(nèi)不線性的問題。其溫度系數(shù)為0.3%RH/℃但其傳感器采用自動溫度補償電路，傳感器探頭能在-40-120度環(huán)境下長時間正常測量濕度。經(jīng)過重復(fù)試驗其高溫特性優(yōu)于國外高分子電容傳感器。尤其長時間高溫環(huán)境下，其壽命要遠遠大于高分子電容式濕敏元件。


5、按“需要和可能”合理選擇傳感器

濕度傳感器品種繁多，各有優(yōu)缺點。用戶最好根據(jù)實際需要合理選擇傳感器，不要盲目追求 高指標(biāo)。用現(xiàn)代電子技術(shù)提高一個傳感器及其二次儀表的分辨率并不是很難的事情，但提高一臺儀器儀表的準(zhǔn)確度則不是輕而易舉能辦到的。對濕度傳感器而言，提高一、兩個百分點，實際上是提高一個等級，可能意味著成本和造價的大幅度提高甚至翻番。一般工控條件下使用濕度傳感器，誤差確定在±3%RH-5%RH以內(nèi)就足夠了。如果使用者對濕度測量的精度要求較特殊，比如精度高，使用溫度變化較大，或者主要在低濕段或高濕段使用。最好找權(quán)威的計量部門用二級以上的標(biāo)定設(shè)備予于檢測。否則采用精度低的測試手段只能得出置信度很低的結(jié)論。經(jīng)過測試，全面、準(zhǔn)確地了解濕度傳感器的技術(shù)性能是合理使用這種傳感器的必要前提。



推薦閱讀：

電子行業(yè)事件點評:MEMS傳感器迎來春天
傳感技術(shù)發(fā)展加速物流行業(yè)"智能化、綠色化"進程
全球物聯(lián)網(wǎng)及傳感器產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展趨勢
智能傳感器中由于欠采樣引起的噪聲
利用F-RAM?打造汽車安全氣囊應(yīng)用