湿度传感器原理:在环境监控设备研发中,GXHT30温湿度传感器的基本应用及原理

2021/11/07 02:25 · 传感器知识资讯 ·  · 湿度传感器原理:在环境监控设备研发中,GXHT30温湿度传感器的基本应用及原理已关闭评论
摘要:

湿度传感器原理:在环境监控设备研发中,GXHT30温湿度传感器的基本应用及原理最近,笔者在进行环境监控设备的研发工作。环境监控设备是基于最新的无线传感器技术来对环境中的温度、湿度、光感度等环境参数进行实时监测的。该设备在大棚

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湿度传感器原理:在环境监控设备研发中,GXHT30温湿度传感器的基本应用及原理

最近,笔者在进行环境监控设备的研发工作。环境监控设备是基于最新的无线传感器技术来对环境中的温度、湿度、光感度等环境参数进行实时监测的。该设备在大棚农业种植、公共场所环境优化、畜牧业养殖环境监测等不同的领域都可以很好的使用。
降低了人工监测的时间和成本,管理者从云端后台就可以实时可视化的了解到需要监测的环境中的所有重要参数,并根据参数来进行调整,保证正常的生产生活。温湿度传感器是环境监控设备中的一个重要部件,也是设备的主要功能体现。那么我们产品中温湿度传感器的基本应用及原理是什么呢?相信很多产品研发的小伙伴很想了解,下面笔者就来进行详细的阐述:
温湿度传感采用的IIC接口
GXHT30基本IO(SCL/SDA/INT)配置
void GXHT30GpioInit(void)
{
//传感器中断配置
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
//中断引脚PA1 初始化
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(GXHT30_INT_RCC, ENABLE);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GXHT30_INT_Pin;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;
GPIO_Init(GXHT30_INT_Port, &GPIO_InitStructure);
GPIO_EXTILineConfig(GXHT30_GPIO_PortSource, GXHT30_GPIO_PinSource);
EXTI_InitStructure.EXTI_Line=GXHT30_EXTI_LINE;
EXTI_InitStructure.EXTI_Mode=EXTI_Mode_Interrupt;
EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger=EXTI_Trigger_Rising;
EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd=ENABLE;
EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel =GXHT30_NVIC_IRQChannel;
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3;
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority=1;
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd =ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);
EXTI_ClearITPendingBit(GXHT30_EXTI_LINE);
//SCL和SDA初始化
RCC_APB2PeriphClockCmd( GXHT30_SDA_RCC, ENABLE );
RCC_APB2PeriphClockCmd( GXHT30_SCL_RCC, ENABLE );
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP ;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
//GXHT30 SDA
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GXHT30_SDA_Pin;
GPIO_Init(GXHT30_SDA_Port, &GPIO_InitStructure);
//GXHT30 SCL
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GXHT30_SCL_Pin;
GPIO_Init(GXHT30_SCL_Port, &GPIO_InitStructure);
GPIO_SetBits(GXHT30_SDA_Port,GXHT30_SDA_Pin);
GPIO_SetBits(GXHT30_SCL_Port,GXHT30_SCL_Pin);
delay_ms(50);
GXTH30_CycMode();
}
读取单次转换模式中温湿度数据
在传感器完成温湿度测量之后,上位机可以通过发送 START 信 号+I2C 读取数据头来 读取温湿度数据,如果温湿度数据已经准备好,那么芯片会向上位机发送 ACK 信号,并随后发送 2 字节的温度数据加 1 字节的 CRC 校验数据,然后再发送 2 字节的湿度数据加 1 字节的 CRC 校验数据。上位机需要对接收到的每个字节数据发送 ACK,否则芯片会停止发送数据。微处理器在收到湿度数据的 CRC 字节后应该发送一个 NACK 和一个 STOP 信号来结束本次数据传输
void GXHT30_Read_Onece(GXHT30Info_t *GXHT30Info)
{
uint16_t Tem_MSB,Tem_LSB,Hum_MSB,Hum_LSB;
uint16_t Tem,Hum;
GXHT30_IIC_Start();
GXHT30_IIC_Send_Byte(GXHT30_IIC_Address);
if(!GXHT30_IIC_Wait_Ack())
GXHT30_IIC_Send_Byte(0x2c); //0x24 关闭Clock strestching
if(!GXHT30_IIC_Wait_Ack())
GXHT30_IIC_Send_Byte(0x06);
if(!GXHT30_IIC_Wait_Ack())
GXHT30_IIC_Stop();
delay_ms(20);
GXHT30_IIC_Start();
GXHT30_IIC_Send_Byte(GXHT30_IIC_Address+1);
//数据转换完成,IIC发送ACK应答
if(GXHT30_IIC_Wait_Ack()==0)
{
GXHT30_IIC_SCL_L;
Tem_MSB=GXHT30_IIC_Read_Byte(1);
Tem_LSB=GXHT30_IIC_Read_Byte(1);
GXHT30_IIC_Read_Byte(1);
Hum_MSB=GXHT30_IIC_Read_Byte(1);
Hum_LSB=GXHT30_IIC_Read_Byte(1);
GXHT30_IIC_Read_Byte(0);
GXHT30_IIC_Stop();
}
Tem=Tem_MSB<<8|Tem_LSB; Hum=Hum_MSB<<8|Hum_LSB; GXHT30Info->Temprature=175*(float)Tem/-45;
GXHT30Info->Humidity=100*(float)Hum/;
}
//连续转换频率配置
void GXTH30_CycMode(void)
{
GXHT30_IIC_Start();
GXHT30_IIC_Send_Byte(GXHT30_IIC_Address);
GXHT30_IIC_Wait_Ack();
GXHT30_IIC_Send_Byte(0x21); //0x21 1S/次
GXHT30_IIC_Wait_Ack();
GXHT30_IIC_Send_Byte(0x30); //0x21 1S/次
GXHT30_IIC_Wait_Ack();
GXHT30_IIC_Stop();
delay_ms(250);
}
void GXHT30_Read_data(GXHT30Info_t *GXHT30Info)
{
uint16_t Tem_MSB,Tem_LSB,Hum_MSB,Hum_LSB;
uint16_t Tem,Hum;
GXHT30_IIC_Start();
GXHT30_IIC_Send_Byte(GXHT30_IIC_Address);
GXHT30_IIC_Wait_Ack();
GXHT30_IIC_Send_Byte(0xE0); //0x21 1S/次
GXHT30_IIC_Wait_Ack();
GXHT30_IIC_Send_Byte(0x00); //0x21 1S/次
GXHT30_IIC_Wait_Ack();
GXHT30_IIC_Start();
GXHT30_IIC_Send_Byte(GXHT30_IIC_Address+1);
delay_ms(20);
if(GXHT30_IIC_Wait_Ack()==0)
{
Tem_MSB=GXHT30_IIC_Read_Byte(1);
Tem_LSB=GXHT30_IIC_Read_Byte(1);
GXHT30_IIC_Read_Byte(1);
Hum_MSB=GXHT30_IIC_Read_Byte(1);
Hum_LSB=GXHT30_IIC_Read_Byte(1);
GXHT30_IIC_Read_Byte(0);
GXHT30_IIC_Stop();
}
GXHT30_IIC_Stop();
Tem=Tem_MSB<<8|Tem_LSB; Hum=Hum_MSB<<8|Hum_LSB; GXHT30Info->Temprature=175*(float)Tem/-45;
GXHT30Info->Humidity=100*(float)Hum/;
}
IIC底层驱动参考原子IIC底层驱动即可。
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湿度传感器原理:温湿度传感器的原理与特点

温湿度传感器是传感器其中的一种,是把空气中的温湿度通过一定检测装置,测量到温湿度后,按一定的规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出,用以满足用户需求。
由于温度与湿度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系,所以温湿度一体的传感器就会相应产生。 温湿度传感器是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装置。 市场上的温湿度传感器一般是测量温度量和相对湿度量。
现代温温度传感器在原理与结构上千差万别,如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用温湿度传感器,是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当温湿度传感器确定之后,与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败,在很大程度上取决于温湿度传感器的选用是否合理。
1、频率响应特性:
温湿度传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围,必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件,实际上传感器的响应总有—定延迟,希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高,可测的信号频率范围就宽,而由于受到结构特性的影响,机械系统的惯性较大,因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中,应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性,以免产误差。
2、线性范围:
温湿度传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲,在此范围内,灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽,则其量程越大,并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时,当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。
3、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型:
要进行—个具体的测量工作,首先要考虑采用何种原理的温湿度传感器,这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为,即使是测量同一物理量,也有多种原理的传感器可供选用,哪一种原理的传感器更为合适,则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题:量程的大小;被测位置对传感器体积的要求;测量方式为接触式还是非接触式;信号的引出方法,有线或是非接触测量;传感器的来源,国产还是进口,价格能否承受,还是自行研制。
4、灵敏度的选择:
通常,在温湿度传感器的线性范围内,希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时,与被测量变化对应的输出信号的值才比较大,有利于信号处理。但要注意的是,传感器的灵敏度高,与被测量无关的外界噪声也容易混入,也会被放大系统放大,影响测量精度。因此,要求传感器本身应具有较高的信噪比,尽员减少从外界引入的厂扰信号。
6、稳定性:
温湿度传感器使用一段时间后,其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外,主要是传感器的使用环境。在选择传感器之前,应对其使用环境进行调查,并根据具体的使用环境选择合适的传感器,或采取适当的措施,减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标,在超过使用期后,在使用前应重新进行标定,以确定传感器的性能是否发生变化。

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湿度传感器
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人类的生存和社会活动与湿度密切相关。随着现代化的发展,很难找出一个与湿度无关的领域来。由于应用领域不同,对湿度传感器的技术要求也不同。从制造角度看,同是湿度传感器,材料、结构不同,工艺不同.其性能和技术指标(像精度方面)有很大差异,因而价格也相差甚远。对使用者来说,选择湿度传感器时,首先要搞清楚需要什么样的传感器;在自己的财力允许的情况下选购何种档次的产品,权衡好“需要与可能”的关系,不至于盲目行事。从我们与用户的来往来看,觉得有以下几个问题值得注意。
中文名
湿度传感器
外文名
humidity sensor
测量分段
低湿段、中湿段、高湿段
测量范围
0-100%RH
目录
1
选型
?
测量范围
?
测量精度
2
原理
?
时漂和温漂
?
与传统测湿方法的关系
3
注意事项
4
发展趋势
5
特性
?
湿敏电阻
?
湿敏电容
6
特点
7
技术指标
8
封装方法
9
国家标准
10
安装方法
11
用途
12
产品品牌
13
市场前景
14
市场分析
湿度传感器选型
语音
湿度传感器测量范围
和测量重量、温度一样,选择湿度传感器首先要确定测量范围。除了气象、科研部门外,搞温、湿度测控的一般不需要全湿程(0-100%RH)测量。在当今的信息时代,传感器技术与计算机技术、自动控制技术紧密结合着。测量的目的在于控制,测量范围与控制范围合称使用范围。当然,对不需要搞测控系统的应用者来说,直接选择通用型湿度仪就可以了。
湿度传感器测量精度
和测量范围一样,测量精度同是传感器最重要的指标。每提高—个百分点.对传感器来说就是上一个台阶,甚至是上一个档次。因为要达到不同的精度,其制造成本相差很大,售价也相差甚远。例如进口的1只廉价的湿度传感器只有几美元,而1只供标定用的全湿程湿度传感器要几百美元,相差近百倍。所以使用者一定要量体裁衣,不宜盲目追求“高、精、尖”。生产厂商往往是分段给出其湿度传感器的精度的。如中、低湿段(0一80%RH)为±2%RH,而高湿段(80—100%RH)为±4%RH。而且此精度是在某一指定温度下(如25℃)的值。如在不同温度下使用湿度传感器.其示值还要考虑温度漂移的影响。众所周知,相对湿度是温度的函数,温度严重地影响着指定空间内的相对湿度。温度每变化0.1℃。将产生0.5%RH的湿度变化(误差)。使用场合如果难以做到恒温,则提出过高的测湿精度是不合适的。因为湿度随着温度的变化也漂忽不定的话,奢谈测湿精度将失去实际意义。所以控湿首先要控好温,这就是大量应用的往往是温湿度—体化传感器而不单纯是湿度传感器的缘故。多数情况下,如果没有精确的控温手段,或者被测空间是非密封的,±5%RH的精度就足够了。对于要求精确控制恒温、恒湿的局部空间,或者需要随时跟踪记录湿度变化的场合,再选用±3%RH以上精度的湿度传感器。与此相对应的温度传感器.其测温精度须足±0.3℃以上,起码是±0.5℃的。而精度高于±2%RH的要求恐怕连校准传感器的标准湿度发生器也难以做到,更何况传感器自身了。国家标准物质研究中心湿度室的文章认为:“相对湿度测量仪表,即使在20—25℃下,要达到2%RH的准确度仍是很困难的。”
湿度传感器原理
语音
[1]
湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。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。下面对各种湿度传感器进行简单的介绍。1、氯化锂湿度传感器(1)电阻式氯化锂湿度计第一个基于电阻-湿度特性原理的氯化锂电湿敏元件是美国标准局的F.W.Dunmore研制出来的。这种元件具有较高的精度,同时结构简单、价廉,适用于常温常湿的测控等一系列优点。氯化锂元件的测量范围与湿敏层的氯化锂浓度及其它成分有关。单个元件的有效感湿范围一般在20%RH 以内。例如0.05%的浓度对应的感湿范围约为(80~100)%RH ,0.2%的浓度对应范围是(60~80)%RH 等。由此可见,要测量较宽的湿度范围时,必须把不同浓度的元件组合在一起使用。可用于全量程测量的湿度计组合的元件数一般为5个,采用元件组合法的氯化锂湿度计可测范围通常为(15~100)%RH,国外有些产品声称其测量范围可达(2 ~100)%RH 。(2)露点式氯化锂湿度计露点式氯化锂湿度计是由美国的 Forboro 公司首先研制出来的,其后我国和许多国家都做了大量的研究工作。这种湿度计和上述电阻式氯化锂湿度计形式相似,但工作原理却完全不同。简而言之,它是利用氯化锂饱和水溶液的饱和水汽压随温度变化而进行工作的。2、碳湿敏元件碳湿敏元件是美国的 E.K.Carver 和 C.W.Breasefield 于1942年首先提出来的,与常用的毛发、肠衣和氯化锂等探空元件相比,碳湿敏元件具有响应速度快、重复性好、无冲蚀效应和滞后环窄等优点,因之令人瞩目。我国气象部门于70年代初开展碳湿敏元件的研制,并取得了积极的成果,其测量不确定度不超过±5%RH ,时间常数在正温时为2~3s,滞差一般在7%左右,比阻稳定性亦较好。3、氧化铝湿度计氧化铝传感器的突出优点是,体积可以非常小(例如用于探空仪的湿敏元件仅90μm厚、12mg重),灵敏度高(测量下限达-110℃露点),响应速度快(一般在 0.3s 到 3s 之间),测量信号直接以电参量的形式输出,大大简化了数据处理程序,等等。另外,它还适用于测量液体中的水分。如上特点正是工业和气象中的某些测量领域所希望的。因此它被认为是进行高空大气探测可供选择的几种合乎要求的传感器之一。也正是因为这些特点使人们对这种方法产生浓厚的兴趣。然而,遗憾的是尽管许多国家的专业人员为改进传感器的性能进行了不懈的努力,但是在探索生产质量稳定的产品的工艺条件,以及提高性能稳定性等与实用有关的重要问题.上始终未能取得重大的突破。因此,到目前为止,传感器通常只能在特定的条件和有限的范围内使用。近年来,这种方法在工业中的低霜点测量方面开始崭露头角。4、陶瓷湿度传感器在湿度测量领域中,对于低湿和高湿及其在低温和高温条件下的测量,到目前为止仍然是一个薄弱环节,而其中又以高温条件下的湿度测量技术最为落后。以往,通风干湿球湿度计几乎是在这个温度条件下可以使用的唯一方法,而该法在实际使用中亦存在种种问题,无法令人满意。另一方面,科学技术的进展,要求在高温下测量湿度的场合越来越多,例如水泥、金属冶炼、食品加工等涉及工艺条件和质量控制的许多工业过程的湿度测量与控制。因此,自60年代起,许多国家开始竟相研制适用于高温条件下进行测量的湿度传感器。 考虑到传感器的使用条件,人们很自然地把探索方向着眼于既具有吸水性又能耐高温的某些无机物上。实践已经证明,陶瓷元件不仅具有湿敏特性,而且还可以作为感温元件和气敏元件。这些特性使它极有可能成为一种有发展前途的多功能传感器。寺日、福岛、新田等人在这方面已经迈出了颇为成功的一步。他们于 1980 年研制成称之为“湿瓷 - Ⅱ型”和“湿瓷 - Ⅲ型”的多功能传感器。前者可测控温度和湿度,主要用于空调,后者可用来测量湿度和诸如酒精等多种有机蒸气,主要用于食品加工方面。以上几种是应用较多的几种类型传感器,另外还有其他根据不同原理而研制的湿度传感器,这里就不一一介绍了。
湿度传感器时漂和温漂
几乎所有的传感器都存在时漂和温漂。由于湿度传感器必须和大气中的水汽相接触,所以不能密封。这就决定了它的稳定性和寿命是有限的。一般情况下,生产厂商会标明1次标定的有效使用时间为1年或2年,到期负责重新标定。请使用者在选择传感器时考虑好日后重新标定的渠道,不要贪图便宜或迷信洋货而忽略了售后服务问属。温漂在上1节已经提到。选择湿度传感器要考虑应用场合的温度变化范围,看所选传感器在指定温度下能否正常工作,温漂是否超出设计指标。要提醒使用者注意的是:电容式湿度传感器的温度系数α是个变量,它随使用温度、湿度范围而异。这是因为水和高分子聚合物的介电系数随温度的改变是不同步的,而温度系数α又主要取决于水和感湿材料的介电系数,所以电容式湿敏元件的温度系数并非常数。电容式湿度传感器在常温、中湿段的温度系数最小,5-25℃时,中低湿段的温漂可忽略不计。但在高温高湿区或负温高湿区使用时,就一定要考虑温漂的影响,进行必要的补偿或修正。领域 部门 温度(℃) 湿度(%RH)纺织 纺纱厂 23 60织布厂 18 85医药 制药厂 10~ 30 50~60手术室 23~ 26 50~60轻工 印刷厂 23~ 27 49~51卷烟厂 21~ 24 55~65火柴厂 18~22 50电子 半导体 22 30~45计算机房 20~30 40~70通 讯 电缆充气 -10~30 0~20食 品 啤酒发酵 4~8 50~70农业 良种培育 15~40 40~75人工大棚 5~40 40~100仓储 水果冷冻 -3~5 80~90地下菜窖 -3~ -1 70~ 80文物保管 16~18 50~55注:在不同领域的使用范围(%RH/℃)
湿度传感器与传统测湿方法的关系
早在18世纪人类就发明了干湿球和毛发湿度计,而电子式湿度传感器是近几十年.特别是近20年才迅速发展起来的。新旧事物的交替与人们的观念转变很有关系。由于干湿球、毛发湿度计的价格仍明显低于湿度传感器,造成一部分人对电子湿度传感器价格的不认可。正好像用惯了扫帚的人改用吸尘器时,总觉得花几百元钱买一台吸尘器有些不上算,不如花几元钱买把扫帚那样心理容易平衡。由于传统测湿方法在人们的脑海中印象太深了,一些人形成了只有干湿球湿度计才是准确的固有概念。有些用户拿干湿球湿度计来对比刚购得的湿度传感器,如发现示值不同,马上认为湿度传感器不准。须知干湿球的准确度只有5%一7%RH,不但低于电子湿度传感器,而且还取决于干球、湿球两支温度计本身的精度;湿度计必须处于通风状态:只有纱布水套、水质、风速都满足一定要求时,才能达到规定的准确度。湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发生器来逐支标定,最常用分流式标准湿度发生器来进行标定。所以希望用户在需要校准时也采用相同的方法,避免用准确度低的器具去校准或比对精度高的传感器。
湿度传感器注意事项
语音
湿度传感器是非密封性的,为保护测量的准确度和稳定性,应尽量避免在酸性、碱性及含有机溶剂的气氛中使用。也避免在粉尘较大的环境中使用。为正确反映欲测空间的湿度,还应避免将传感器安放在离墙壁太近或空气不流通的死角处。如果被测的房间太大,就应放置多个传感器。有的湿度传感器对供电电源要求比较高,否则将影响测量精度.或者传感器之间相互干扰,甚至无法工作。使用时应技要求提供合适的、符合精度要求的供电电源。传感器需要进行远距离信号传输时,要注意信号的衰减问题。当传输距离超过200m以上时,建议选用频率输出信号的湿度传感器。由于湿敏元件都存在一定的分散性,无论进口或国产的传感器都需逐支调试标定。大多数在更换湿敏元件后需要重新调试标定,对于测量精度比较高的湿度传感器尤其重要。湿度传感器现在正在被广泛应用,湿度传感器能够很好的监控环境中湿度,在食品保护,环境检测等方面有着重要的应用,我们在使用湿度传感器的时候应该充分了解湿度传感器的结构已经在使用过程中的一些注意事项。湿度传感器的形式不是很多,但是不管是什么样的湿度传感器在使用过程中还是要注意以上几个细节问题,不仅仅是湿度传感器所有的传感器在使用过程中都有它的注意事项,我们在使用的时候应该首先阅读使用说明书已经和厂家咨询相关的问题,才能更好的使用。
湿度传感器发展趋势
语音
介绍湿敏元件的特性,重点阐述集成湿度传感器、单片智能化湿度/温度传感器的性能特点及产品分类,最后给出集成湿度传感器典型产品的技术指标。在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门,经常需要对环境湿度进行测量及控制。但在常规的环境参数中,湿度是最难准确测量的一个参数。用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法,早已无法满足现代科技发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多,温度是个独立的被测量,而湿度却受其他因素(大气压强、温度)的影响。此外,湿度的标准也是一个难题。国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。近年来,国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展,为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件,也将湿度测量技术提高到新的水平。
湿度传感器特性
语音
湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要电阻式、电容式两大类。
湿度传感器湿敏电阻
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。湿敏电阻的种类很多,例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵敏度高,主要缺点是线性度和产品的互换性差。
湿度传感器湿敏电容
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、酷酸醋酸纤维等。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。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化,其精度一般比湿敏电阻要低一些。国外生产湿敏电容的主厂家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。以Humirel公司生产的SH1100型湿敏电容为例,其测量范围是(1%~99%)RH,在55%RH时的电容量为180pF(典型值)。当相对湿度从0变化到100%时,电容量的变化范围是163pF~202pF。温度系数为0.04pF/℃,湿度滞后量为±1.5%,响应时间为5s。除电阻式、电容式湿敏元件之外,还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件(利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率)、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。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。
湿度传感器特点
语音
目前,国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Honeywell公司(HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型),Humirel公司(HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型),Sensiron公司(SHT11、SHT15型)。这些产品可分成以下三种类型:线性电压输出式集成湿度传感器典型产品有HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特点是采用恒压供电,内置放大电路,能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号,响应速度快,重复性好,抗污染能力强。线性频率输出集成湿度传感器典型产品为HF3223型。它采用模块式结构,属于频率输出式集成湿度传感器,在55%RH时的输出频率为8750Hz(型值),当相对湿度从10%变化到95%时,输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。频率/温度输出式集成湿度传感器典型产品为HTF3223型。它除具有HF3223的功能以外,还增加了温度信号输出端,利用负温度系数(NTC)热敏电阻作为温度传感器。当环境温度变化时,其电阻值也相应改变并且从NTC端引出,配上二次仪表即可测量出温度值。单片智能化湿度/温度传感器2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT11、SHT15型智能化湿度/温度传感器,其外形尺寸仅为7.6(mm)×5(mm)×2.5(mm),体积与火柴头相近。出厂前,每只传感器都在温度室中做过精密标准,标准系数被编成相应的程序存入校准存储器中,在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。它们不仅能准确测量相对温度,还能测量温度和露点。测量相对温度的范围是0~100%,分辨力达0.03%RH,最高精度为±2%RH。测量温度的范围是-40℃~+123.8℃,分辨力为0.01℃。测量露点的精度<±1℃。在测量湿度、温度时A/D转换器的位数分别可达12位、14位。利用降低分辨力的方法可以提高测量速率,减小芯片的功耗。SHT11/15的产品互换性好,响应速度快,抗干扰能力强,不需要外部元件,适配各种单片机,可广泛用于医疗设备及温度/湿度调节系统中。芯片内部包含相对湿度传感器、温度传感器、放大器、14位A/D转换器、校准存储器(E2PROM)、易失存储器(RAM)是、状态寄存器、循环冗余校验码(CRC)寄存器、二线串行接口、控制单元、加热器及低电压检测电路。其测量原理是首先利用两只传感器分别产生相对湿度、温度的信号,然后经过放大,分别送至A/D转换器进行模/数转换、校准和纠错,最后通过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至μC。鉴于SHT11/15输出的相对湿度读数值与被测相对湿度呈非线性关系,为获得相对湿度的准确数据,必须利用μC对读数值进行非线性补偿。此外当环境温度TA≠+25℃时,还需要对相对湿度传感器进行温度补偿。芯片内部有一个加热器。将状态寄存器的第2位置“1”时该加热器接通电源,可使传感器的温度大约升高5℃,电源电流亦增加8mA(采用+5V电源)。使用加热器可实现以下三种功能:①通过比较加热前后测出的相对湿度值及温度值,可确定传感器是否正常工作;②在潮湿环境下使用加热器,可避免传感器凝露;③测量露点时也需要使用加热器。露点也是湿度测量中的一个重要参数,它表示在水汽冷却过程中最初发生结露的温度。为了计算露点,Sensirion公司还向用户提供一个测量露点的程序“SHT xdp.bsx”。利用该程序可以控制内部加热器的通、断,再根据所测得的温度值及相对湿度值计算出露点。在命令响应界面上运行此程序时,计算机屏幕上就显示提示符“>”。用户首先从键盘上输入字母“S”,然后输入相应的数字,即可获得下述结果:输入数字“1”时,测量并显示出摄氏温度dgC=xx.x;输入数字“2”时,测量并显示出相对湿度%RH=xx.x;输入数字“3”时,打开加热器,使传感器温度升高5℃;输入数字“4”时,关闭加热器,使传感器降温;输入数字“5”时,显示露点温度dpC=xx.x。
湿度传感器技术指标
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集成湿度传感器的测量范围一般可达到0~100%。但有的厂家为保证精度指标而将测量范围限制为10%~95%。设计+3.3V低压供电的湿度/温度测试系统时,可选用SHT11、SHT15传感器。这种传感器在测量阶段的工作电流为550μA,平均工作电流为28μA(12位)或2μA(8位)。上电时默认为休眠模式(Sleep Mode),电源电流仅为0.3μA(典型值)。测量完毕只要没有新的命令,就自动返回休眠模式,能使芯片功耗降至最低。此外,它们还具有低电压检测功能。当电源电压低于+2.45V±0.1V时,状态寄存器的第6位立即更新,使芯片不工作,从而起到了保护作用。
湿度传感器封装方法
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湿度传感器由于其工作原理的限制,必须采取非密封封装形式,即要求封装管壳留有和外界连通的接触孔或者接触窗,让湿敏芯片感湿部分和空气中的湿汽能够很好的接触。同时,为了防止湿敏芯片被空气中的灰尘或杂质污染,需要采取一些保护措施。目前,主要手段是使用金属防尘罩或者聚合物多孔膜进行保护。下面介绍几种湿度传感器的不同封装形式
[2]
。1.晶体管外壳(TO)封装封装结构示意图见图1[1];目前,用TO型封装技术封装湿敏元件是一种比较常见的方法。TO型封装技术有金属封装和塑料封装两种。金属封装先将湿敏芯片固定在外壳底座的中心,可以采用环氧树脂粘接固化法;然后在湿敏芯片的焊区与接线柱用热压焊机或者超声焊机将Au丝或其他金属丝连接起来;最后将管帽套在底座周围的凸缘上,利用电阻熔焊法或环形平行焊法将管帽与底座边缘焊牢。金属管帽的顶端或者侧面开有小孔或小窗,以便湿敏芯片和空气能够接触。根据不同湿敏芯片和性能要求,可以考虑加一层金属防尘罩,以延长湿度传感器的使用寿命
[2]
。2.单列直插封装(SIP)封装单列直插封装(SIP)也常用来封装湿度传感器。湿敏芯片的输出引脚数一般只有数个[1],因而可以将基板上的I/O引脚引向一边,用镀Ni、镀Ag或者镀Pb-Sn的“卡式”引线(基材多为Kovar合金)卡在基板的I/O焊区上,将卡式引线浸入熔化的Pb-Sn槽中进行再流焊,将焊点焊牢。根据需要,卡式引线的节距有2.54 mm和1.27 mm两种,平时引线均连成带状,焊接后再剪成单个卡式引线。通常还要对组装好元器件的基板进行涂覆保护,最简单的是浸渍一层环氧树脂,然后固化。最后塑封保护,整修毛刺,完成封装
[2]
。单列直插封装的插座占基板面积小,插取自如,SIP工艺简便易行,适于多品种,小批量生产,且便于逐个引线的更换和返修
[2]
。3.小外形封装(SOP)小外形封装(SOP)法是另一种封装湿度传感器的方法。SOP是从双列直插封装(DIP)变形发展而来的,它将DIP的直插引脚向外弯曲成90°,变成了适于表面组装技术(SMT)的封装。SOP基本全部是塑料封装,其封装工艺为:先将湿敏芯片用导电胶或环氧树脂粘接在引线框架上,经树脂固化,使湿敏芯片固定,再将湿敏芯片上的焊区与引线框架引脚的键合区用引线键合法连接。然后放入塑料模具中进行膜塑封装,出模后经切筋整修,去除塑封毛刺,对框架外引脚打弯成型。塑料外壳表面开有与空气接触的小窗,并贴上空气过滤薄膜,阻挡灰尘等杂质,从而保护湿敏芯片。相较于TO和SIP两种封装形式,SOP封装外形尺寸要小的多,重量比较轻。SOP封装的湿度传感器长期稳定性很好,漂移小,成本低,容易使用。同时适合SMT,是一种比较优良的封装方法
[2]
。4.其它封装形式外部支撑框架是由高分子化合物形成,用预先设计的模子浇铸而成,其设计充分考虑了空间结构,保证湿敏芯片和空气能充分接触。湿敏芯片沿着滑道直接插入外框架,然后固定。从外框架另一端插入外引线,与湿敏芯片的焊区相接(也可以悬空),然后用导电胶热固法将湿敏芯片和外引线连接起来。最后,外框架的正反两面都贴上空气过滤薄膜。过滤薄膜由聚四氟乙烯制成的多孔膜,能够允许空气渗透进入传感器而能阻挡灰尘和水滴
[2]
。这种湿度传感器的封装有别于传统的湿度传感器封装,它不采用传统的引线键合的方法连接外引线和湿敏芯片,而是直接将湿敏芯片外引线连接,从而避免了因为内引线的原因而导致的失效问题。同时,它的封装体积较小,传感器性能稳定,能够长时间工作。不过,它对外框架制作要求较高,工艺相对比较复杂
[2]
。5.湿度传感器和其它传感器混合封装很多时候,湿度传感器并不是单独封装的,而是和温度传感器、风速传感器或压力传感器等其它传感器以及后端处理电路集成混合封装,以满足相应的功能需求。其封装工艺为:先将湿敏芯片用导电胶或环氧树脂粘接在基板上,经树脂固化,使湿敏芯片固定。再将湿敏芯片上的焊区与基板键合区用引线键合法连接。然后封盖外壳(材料可选择水晶聚合物)。外壳的表面开有与空气接触的小窗,使湿度敏感元件和温度敏感元件芯片和空气充分接触,而其他部分与空气隔离,密封保护。小窗贴有空气过滤薄膜,以防止杂质的沾污
[2]
。LCC封装由于没有引脚,所以寄生电容和寄生电感均较小。同时它还具有电性能和热性能优良,封装体积小,适合SMT等优点
[2]

湿度传感器国家标准
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GB-T-1995电容式湿敏元件与湿度传感器总规范GBT -2005 湿度测量方法JJF 1012-1987常用湿度计量名词术语JJF 1076-2001湿度传感器校准规范JJF 1101-2003环境试验设备温度湿度校准规范JJG 205-2005机械式温湿度计检定规程JJG 499-2004精密露点仪检定规程JJG 500-2005电解法湿度仪检定规程JJG 826-1993 二级标准分流式湿度发生器JJG 899-1995石油低含水率分析仪检定方法
湿度传感器安装方法
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1.壁挂式安装方式1
2.壁挂式安装方式2
风道式安装方式1
3.风道式安装方式14.风道式安装方式25.风道式安装方式36.三通式管道安装方式1
7.三通式管道安装方式2湿度传感器性能判断方法在湿度传感器实际标定困难的情况下,可以通过一些简便的方法进行湿度传感器性能判断与检查。1、一致性判定,同一类型,同一厂家的湿度传感器产品最好一次购买两支以上,越多越说明问题,放在一起通电比较检测输出值,在相对稳定的条件下,观察测试的一致性。若进一步检测,可在24h内间隔一段时间记录,一天内一般都有高、中、低3种湿度和温度情况,可以较全面地观察产品的一致性和稳定性,包括温度补偿特性。2、用嘴呵气或利用其它加湿手段对传感器加湿,观察其灵敏度、重复性、升湿脱湿性能,以及分辨率,产品的最高量程等。3、对产品作开盒和关盒两种情况的测试。比较是否一致,观察其热效应情况。4、对产品在高温状态和低温状态(根据说明书标准)进行测试,并恢复到正常状态下检测和实验前的记录作比较,考查产品的温度适应性,并观察产品的一致性情况。产品的性能最终要依据质检部门正规完备的检测手段。利用饱和盐溶液作标定,也可使用名牌产品作比对检测,产品还应进行长期使用过程中的长期标定才能较全面地判断湿度传感器的质量。
[3]
湿度传感器用途
语音
1、湿度传感器的用途湿度传感器用于湿度测量,基于湿度定义有很多表示方法,本文将湿度传感器定义为测量环境相对湿度的电子式敏感元件/器件。
[4]
2、湿度传感器的分类碳膜湿度传感器金属氧化物陶瓷式湿度传感器电解质湿度传感器——氯化锂湿敏电阻高分子湿度传感器——高分子湿敏电阻高分子湿度传感器——高分子湿敏电容(流行)红外湿度传感器微波湿度传感器超声波湿度传感器等等
湿度传感器产品品牌
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宝力马、施奈德、西门子、三菱、松下、德国德国HLP、日本神荣、法国Humirel、韩国Syhitech、美国Honeywell
湿度传感器市场前景
语音
咨询公司INTECHNOCONSULTING的传感器市场报告显示,2008年全球传感器市场容量为506亿美元,预计2010年全球传感器市场可达600亿美元以上。调查显示,东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区,而美国、德国、日本依旧是传感器市场分布最大的地区。就世界范围而言,传感器市场上增长最快的依旧是汽车市场,占第二位的是过程控制市场,看好通讯市场前景。一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征。流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大,分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems,微机电系统)传感器、生物传感器等新兴传感器。其中,无线传感器在2007-2010年复合年增长率预计会超过25%。目前,全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出,传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高,各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化,竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场,比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。
湿度传感器市场分析
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国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品,电容式湿敏元件较为多见,感湿材料种类主要为高分子聚合物,氯化锂和金属氧化物。 电容式湿敏元件的优点在于响应速度快、体积小、线性度好、较稳定,国外有些产品还具备高温工作性能。但是达到上述性能的产品多为国外名牌,价格都较昂贵。市场上出售的一些电容式湿敏元件低价产品,往往达不到上述水平,线性度、一致性和重复性都不甚理想,30%RH以下,80%RH以上感湿段变形严重。有些产品采用单片机补偿修正,使湿度出现"阶跃"性的跳跃,使精度降低,出现一致性差、线性差的缺点。无论高档次或低档次的电容式湿敏元件,长期稳定性都不理想,多数长期使用漂移严重,湿敏电容容值变化为pF级,1%RH的变化不足0.5pF,容值的漂移改变往往引起几十RH%的误差,大多数电容式湿敏元件不具备40℃以上温度下工作的性能,往往失效和损坏。
[5]
电容式湿敏元件抗腐蚀能力也较欠缺,往往对环境的洁净度要求较高,有的产品还存在光照失效、静电失效等现象,金属氧化物为陶瓷湿敏电阻,具有湿敏电容相同的优点,但尘埃环境下,陶瓷细孔被封堵元件就会失效,往往采用通电除尘的方法来处理,但效果不够理想,且在易燃易爆环境下不能使用,氧化铝感湿材料无法克服其表面结构"天然老化"的弱点,阻抗不稳定,金属氧物陶瓷湿敏电阻也同样存在长期稳定性差的弱点。 氯化锂湿敏电阻,具有最突出的优点是长期稳定性极强,因此通过严格的工艺制作,制成的仪表和传感器产品可以达到较高的精度,稳定性强是产品具备良好的线性度、精密度及一致性,是长期使用寿命的可靠保证。氯化锂湿敏元件的长期稳定性其它感湿材料尚无法取代。
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参考资料
1.

谈谈湿度传感器的工作原理
.传感器[引用日期2012-12-21]
2.

湿度传感器封装的研究进展
.中国知网[引用日期2015-02-24]
3.

湿度传感器性能判断方法
4.

湿度传感器在选用方面的知识
.传感器交易网[引用日期2012-11-16]
5.

如何选用湿度传感器
.传感器交易网[引用日期2012-11-08]
湿度传感器原理:在环境监控设备研发中,GXHT30温湿度传感器的基本应用及原理  第2张

湿度传感器原理:申矽凌推出新一代数字温湿度传感器CHT8315:高精度、超低功耗、宽电压

背景介绍
据麦姆斯咨询报道,近期申矽凌(Sensylink)在上一代产品的基础上,推出了新一代高精度数字温湿度传感器芯片产品CHT8315,其温度分辨率可达0.℃,具有±0.5℃的精度,湿度分辨率可达0.02%RH,精度为±5.0%RH。可覆盖宽电压范围1.35V - 5.5V的应用,在3.3V电源下每秒采集一次温湿度数据时,平均工作电流仅为1.0uA (Typ.);在待机模式下,电流消耗为35nA (Typ.)。在数字接口上,兼容I2C/SMBus协议,支持PEC功能,提升与主机通讯的鲁棒性与可靠性,同时支持time-out功能,速度支持最快达3.4MHz(HSM, high-speed mode),最多支持4种从地址设置,进一步提升了对复杂系统的适应性以及灵活性。在芯片功能上可灵活设置温湿度上下限报警值,提供系统唤醒,无需微控制器连续监控。具有报警加速检测功能,适用于电池供电的超低功耗系统。
产品简介
CHT8315提供独特的FAST功能(设置Focus bit=1),在此模式下,传感器芯片以超低功耗主动连续采集温湿度(每120s采集一次),允许MCU进入深度睡眠,并且与预设温湿度高/低阈值(THIGH, TLOW, HHIGH, HLOW,)实时比较,一旦超过/低于阈值,传感器芯片自动进入高速连续测量模式,并通过ALERT PIN唤醒MCU。
CHT8315在用户使用时无需再次校准,即可保证0~100℃ 温度范围内小于±0.5℃的误差,-40 ~ 125℃温度范围内小于±1℃的误差,20 ~ 80%RH湿度范围内小于±5.0%RH的误差。超低的工作电流,带有报警灵敏度可调的温湿度比较功能,配合灵活的温湿度门限逻辑,使得它非常适合环境监测。3.0mm x 3.0mm x 1.0mm小尺寸,以及超低的功耗,可广泛用于家电、智能家居设备、智能恒温恒湿计、HVAC系统和喷墨打印机等领域。
CHT8315实物解剖图
CHT8315的典型应用电路
Shutdown Current vs. Vcc
Average Current vs. Vcc
Temperature Error vs. Ambient Temperature
Humidity Error vs. Ambient Humidity
Temperature Error vs.Vcc (RH=50%)
Humidity Error vs. Vcc (T=25℃)
产品特性
- 工作电压范围:1.35V-5.5V
- 平均工作电流(每秒一次转换)1.0uA (Typ.)@3.3V
- Shutdown电流:35nA (Typ.)
- 温湿度精度:
±0.5℃ (Max.) from 0℃ to 100℃
±1.0℃ (Max.) from -40℃ to 125℃
±5.0%RH (Max.) from 20%RH to 80%RH
- 温度分辨率:14 bit ADC, 0.℃
- 湿度分辨率:16 bit ADC, 0.02%RH
- I2C/SMBus兼容的接口协议:
支持PEC功能,增加通讯的鲁棒性以及可靠性
支持time-out功能,防止通讯异常·
速度最快支持到3.4MHz
最多支持4种从地址设置
- 可编程的温湿度高、低门限值设置
- 测量使用范围:-40℃~125℃, 0%RH ~100%RH
- 封装形式:DFN3x3-6 (3.0mm x 3.0mm x 1.0mm)
优势解读
- 精度
1. 不校准情况下,CHT8315规格支持0 ~ 100℃,±0.5℃的温度精度。
2. 供电电压1.35 ~ 5.5V范围内,温度变化小于0.04℃/V, 湿度变化小于0.5%RH/V。
- ALERT功能
ALERT实时主动监控和唤醒功能,报警加速检测功能。
- 技术支持
1. 提供南区(深圳)FAE技术支持。
2. 提供北区(北京)FAE技术支持。
3. 提供原厂(上海)FAE、AE技术支持。
产品应用
下图展示了CHT8315 的测试Demo和相关数据。
关于申矽凌(Sensylink)
上海申矽凌微电子科技有限公司(简称:申矽凌)是设计、制造和销售环境传感器芯片以及模拟&混合信号芯片供应商,环境传感器芯片包括温度传感器芯片、温湿度传感器芯片。申矽凌致力于把创新的传感器技术与成熟的集成电路工艺技术相结合,设计出高集成度、高精度、微体积,以及低功耗的传感器芯片产品。申矽凌立足中国、服务全球,为客户提供更高性价比的产品和服务。

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