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温湿度传感器工作原理及应用行业

发布时间:2017年08月14日

温湿度传感器、湿度、传感器

温湿度传感器的工作原理及应用行业是什么?湿度测量从原理上划分二、三十种之多。对湿度的表示方法有绝对湿度、相对湿度、露点、湿气与干气的比值(重量或体积)等等。温湿度传感器可应用于食品行业、档案管理、温室大棚、动物养殖、药品储存等行业。

温湿度传感器工作原理 温湿度传感器应用行业

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。

一、简介

温湿度传感器

温度:度量物体冷热的物理量,是国际单位制中7个基本物理量之一。在生产和科学研究中,许多物理现象和化学过程都是在一定的温度下进行的,人们的生活也和他密切相关。

湿度:湿度很久以前就与生活存在着密切的关系,但用数量来进行表示较为困难。

日常生活中最常用的表示湿度的物理量是空气的相对湿度。用%RH表示。在物理量的导出上相对湿度与温度有着密切的关系。一定体积的密闭气体,其温度越高相对湿度越低,温度越低,其相对湿度越高。其中涉及到复杂的热力工程学知识。

有关湿度的一些定义:

相对湿度:在计量法中规定,湿度定义为“物象状态的量”。日常生活中所指的湿度为相对湿度,用RH%表示。总之,即气体中(通常为空气中)所含水蒸气量(水蒸气压)与其空气相同情况下饱和水蒸气量(饱和水蒸汽压)的百分比。

绝对湿度:指单位容积的空气里实际所含的水汽量,一般以克为单位。温度对绝对湿度有着直接影响,一般情况下,温度越高,水蒸气发得越多,绝对湿度就越大;相反,绝对湿度就小。

饱和湿度:在一定温度下,单位容积,空气中所能容纳的水汽量的最大限度。如果超过这个限度,多余的水蒸气就会凝结,变成水滴,此时的空气湿度变称为饱和湿度。空气的饱和湿度不是固定不变的,它随着温度的变化而变化。温度越高,单位容积空气中能容纳的水蒸气就越多,饱和湿度就越大。

露点:指含有一定量水蒸气(绝对湿度)的空气,当温度下降到一定程度时所含的水蒸气就会达到饱和状态(饱和湿度)并开始液化成水,这种现象叫做凝露。水蒸气开始液化成水时的温度叫做“露点温度”简称“露点”。如果温度继续下降到露点以下,空气中超饱和的水蒸气就会在物体表面上凝结成水滴。此外,风与空气中的温湿度有密切关系,也是影响空气温湿度变化的重要因素之一。

二、测量方法

湿度测量传感器常见的几个测量方法

湿度测量技术来由已久。随着电子技术的发展,近代测量技术也有了飞速的发展。湿度测量从原理上划分二、三十种之多。对湿度的表示方法有绝对湿度、相对湿度、露点、湿气与干气的比值(重量或体积)等等。但湿度测量始终是世界计量领域中著名的难题之一。一个看似简单的量值,深究起来,涉及相当复杂的物理—化学理论分析和计算,初涉者可能会忽略在湿度测量中必需注意的许多因素,因而影响的合理使用。

常见的湿度测量方法有:动态法(双压法、双温法、分流法),静态法(饱和盐法、硫酸法),露点法,干湿球法和形形色色的电子式传感器法。

这里双压法、双温法是基于热力学PVT平衡原理,平衡时间较长,分流法是基于绝对湿气和绝对干空气的精确混合。由于采用了现代测控手段,这些设备可以做得相当精密,却因设备复杂,昂贵,运作费时费工,主要作为标准计量之用,其测量精度可达±2%RH -±1.5%RH

静态法中的饱和盐法,是湿度测量中最常见的方法,简单易行。但饱和盐法对液、气两相的平衡要求很严,对环境温度的稳定要求较高。用起来要求等很长时间去平衡,低湿点要求更长。特别在室内湿度和瓶内湿度差值较大时,每次开启都需要平衡6~8小时。

露点法是测量湿空气达到饱和时的温度,是热力学的直接结果,准确度高,测量范围宽。计量用的精密露点仪准确度可达±0.2℃甚至更高。但用现代光—电原理的冷镜式露点仪价格昂贵,常和标准湿度发生器配套使用。

干湿球法,这是18世纪就发明的测湿方法。历史悠久,使用最普遍。干湿球法是一种间接方法,它用干湿球方程换算出湿度值,而此方程是有条件的:即在湿球附近的风速必需达到2.5m/s以上。普通用的干湿球温度计将此条件简化了,所以其准确度只有5~7%RH,明显低于电子湿度传感器。显然干湿球也不属于静态法,不要简单地认为只要提高两支温度计的测量精度就等于提高了湿度计的测量精度。

本文想强调两点:第一,由于湿度是温度的函数,温度的变化决定性地影响着湿度的测量结果。无论那种方法,精确地测量和控制温度是第一位的。须知即使是一个隔热良好的恒温恒湿箱,其工作室内的温度也存在一定的梯度。所以此空间内的湿度也难以完全均匀一致。

第二,由于原理和方法差异较大,各种测量方法之间难以直接校准和认定,大多只能用间接办法比对。所以在两种测湿方法之间相互校对全湿程(相对湿度0~100%RH)的测量结果,或者要在所有温度范围内校准各点的测量结果,是十分困难的事。例如通风干湿球湿度计要求有规定风速的流动空气,而饱和盐法则要求严格密封,两者无法比对。最好的办法还是按国家对湿度计量器具检定系统(标准)规定的传递方式和检定规程去逐级认定。

三、注意事项

选择的注意事项

①、选择测量范围

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。

②、选择测量精度

测量精度是湿度传感器最重要的指标,每提高—个百分点,对湿度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。所以使用者一定要量体裁衣,不宜盲目追求“高、精、尖”。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。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。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。相对湿度测量仪表,即使在2025℃下,要达到2%RH的准确度仍是很困难的。通常产品资料中给出的特性是在常温(20℃±10℃)和洁净的气体中测量的。

③、考虑时漂和温漂

在实际使用中,由于尘土、油污及有害气体的影响,使用时间一长,电子式湿度传器会产生老化,精度下降,电子式湿度传感器年漂移量一般都在±2%左右,甚至更高。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,到期需重新标定。

④、其它注意事项

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。使用时应按照技术要求提供合适的、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。

四、最佳湿度

人们生活的关系

如:冬天温度为1825℃,湿度为30%80%;夏天温度 为2328℃,湿度为30%60%。在此范围内感到舒适的人占95%以上。在装有空调的室内,室温为1924℃,湿度为40%50%时,人会感到最舒适。如果考虑到温、湿度对人思维活动的影响,最适宜的室温度应是18℃,湿度则是40%60%,此时,人的精神状态好,思维最敏捷。

五、行业需求

食品行业:温湿度对于食品储存来说至关重要,温湿度的变化会带来食物变质,引发食品安全问题温湿度的监控有利于相关人员进行及时的控制。

档案管理:纸制品对于温湿度极为敏感,不当的保存会严重降低档案保存年限利用如LTM8901系列+LTM8662+LTM8520即可组成环境监控系统,配上排风机,除湿器,加热器,即可保持稳定的温度,避免虫害,潮湿等问题。

温室大棚:植物的生长对于温湿度要求极为严格,不当的温湿度下,植物会停止生长、甚至死亡利用LTM8901C+LTM85202,配合气体传感器,光照传感器等可组成一个数字化大棚温湿度监控系统,控制农业大棚内的相关参数,从而使大棚的效率达到极致。

动物养殖:各种动物在不同的温度下会表现出不同的生长状态,高质高产的目标要依靠适宜的环境来保障。

药品储存:根据国家相关要求,药品保存必须按照相应的温湿度进行控制。根据最新的GMP认证,对于一般的药品的温度存储范围为0-30℃。

烟草行业:烟草原料在发酵过程中需要控制好温湿度,在现场环境方便的情况下可利用LTM8590等无线温湿度传感器监控温湿度,在环境复杂的现场内,可利用RS-485等数字量传输的LTM8901C进行检测控制烟包的温湿度,避免发生虫害,如果操作不当,则会造成原料的大量损失。

工控行业:主要用于暖通空调、机房监控等。楼宇中的环境控制通常是温度控制,对于用控制湿度达到最佳舒适环境的关注日益增多。

六、应用案例

温湿度传感器应用于监控文物环境的温湿度

古文物之所以历经数百年几千年而保持完好,是由于其深埋于地下时,处在近乎封闭的环境中,物理的、化学的、生物的变化都停留在某种平衡状。但是随着它出土它的这种平衡性也会遭到破坏。所以文物出土后我们要采取有效的措施防止它们将逐渐被腐蚀、消耗,终归化为尘埃。文物在博物馆和档案馆中很容易受到空气腐蚀。所以利用温湿度传感器监控文物所在环境的温湿度是很有必要的。

文物博物馆的温度和湿度要求是非常苛刻的,我们必须利用温湿度传感器实现对温度、湿度进行24小时实时监测,而且这些数据必须及时的传送给监控中心。一旦数值出现超出预设温湿度上下限,监测主机就会立即报警。从而文物保护人员就能及时的采取有效措施来确保文物的良好环境。灵活的传感器探头可直接放置于测量点进行使用,无需布线,省时省力。

文物是古代文明的结晶对于我们了解以前的历史很有作用,所以保护文物非常有必要,温湿度传感器由于其价格便宜,便宜和监控系统相连的优点,使得其在保护文物方面有不可取代的作用,随着温湿度传感器的发展,用于监控文物的温湿度传感器也会大大改进,使得其精度更高、体积更小、以及灵敏度更加优越。这样才能更好的监控文物的环境。

七、其它

风道管温湿度传感器

风道管温湿度传感器一般采用原装进口的温湿度传感模块,通过高性能单片机的信号处理,可以输出各种模拟信号。具有广泛的应用,甚至超过一般壁挂式温湿度传感器。

风道管温湿度传感器采用灵活的管道式安装,使用方便,输出标准模拟信号,直接应用于各种控制机构和控制系统。整机性能更优越,长期稳定性更出色。这种温湿度传感器一般温度范围是-40-120℃ ,而湿度范围为0~100%RH。风道管温湿度传感器输出信号具有多样性,一般有4-20ma0-5V0-10V等常见模拟信号,有的还带有485数字信号输出,如果客户需要还可以佩戴显示功能,这也是这种传感器使用范围很广的一种原因。

风道管温湿度传感器广泛应用于楼宇自动化、气候与暖通信号采集、博物馆和宾馆的气候站、大棚温室以及医药行业等。这种传感器产品一般质保一年,使用一定年限后,产品测量精度会产生一定的漂移,为了保证测量精度,建议在产品使用1~2年后客户需对进行产品进行精度校正或者返厂精度校正。

八、发展趋势

近年来,随着智能手机、平板电脑等移动设备的迅速发展,其中内置的微机电系统(MEMS)的比例越来越高。 “目前,我们公司的传感器每年的出货量已经超出了几千万片,全球业务增长幅度近年来都在40%左右。”总部位于瑞士的深圳盛思锐(Sensirion)公司总经理Paul Chia表示,作为全球领先的传感器制造商,盛思锐公司早在七年前就已经进入中国市场,并向中国厂商推广温湿度传感器。

“我们的产品在中国市场主要分三大应用:第一是安防监控;第二是节能,普遍应用到家电,汽车等领域;第三则是舒适度,主要应用于消费类电子产品领域。”在2009年,盛思锐公司推出了一款当时世界上最小的数字湿度和温度传感器——SHT21,引起市场广泛关注。

一直以来,盛思锐在推广温湿度传感器的过程中,都非常注重于宣传舒适度概念。“之前的客户只有温度的概念,而没有湿度概念。其实相对湿度是与温度密切相关的,只有对同一测量点的湿度和温度进行数据采集,才能保证相对湿度的准确性。”Paul Chia表示,人体对空气湿度的舒适感应空间较窄,因此需要通过感应器来感知湿度,随时补充或降低水分。

2009年,盛思锐公司推出了一款当时世界上最小的数字湿度和温度传感器—SHT21,引起市场广泛关注。 盛思锐是业内第一家将温、湿度传感器集成到一起的厂商。“我们不仅仅是提供一个感应器,而是把温度补偿和标定数据都集成在一个电路里面。我们的温湿度传感器在出厂前都经过完全标定,客户只需将其跟单片机通讯就可以直接采集到数据。

”据介绍,温湿度传感器作为电子技术和物理化学原理的复合技术,硬件因素只占其中50%,另一个重要因素则是标定。如果要保证测出来的值是准确的,则需要保证每次检测的标定值永远在一个固定范围内,这是非常难做到的。一般来说,由于标定需要大量的数据来测试,只有产品出货量越大,产品稳定性才会越好。“由于一些小型IC厂商出货量较小,所以很难保证测量数据的稳定性和精准度”。

据了解,温湿度感应器目前主要分为电阻式、电容式两种,相对来说电容式的精准度比较好,感应速度非常快,但是在水分的侵蚀下容易氧化。由于盛思锐采用了独特的的电极分布和镀膜技术,使得感应器不仅不会氧化,还能很快吸收水分子。“基本上每一个厂家的湿度传感器都存在一个问题,进水容易损坏。

我们的传感器在水分蒸发后可以迅速还原,电阻式传感器无法做到这一点。”针对手机市场,应用匮乏成普及最大阻碍 Paul Chia认为,未来的传感器市场尤其是在消费电子及物联网等领域拥有广阔前景。当然在具体应用中,也面临一些需要解决的问题,“物联网方面,客户希望一块纽扣电池可以为传感器供电达4年之久,另外多种传感器的组网和无线传输方式也是一个问题。”但在手机行业的市场推广过程中,Paul Chia意识到,阻碍智能手机厂商采用温湿度传感器的主要原因,可能并非来自传感器本身。 “我们的产品能提供温湿度参数,但是怎样使其转化为手机用户的有利信息?”在日本,针对温湿度传感器的应用开发已经走在了前列。

盛思锐的温湿度传感器已被应用于日本某知名品牌手机当中。笔者猜测,相关数据可能会被NTTDOCOMO等运营商卖给气象台或商家来进行分析。在中国,包括海尔、联想在内的手机厂商也开始了一些尝试,针对农村市场已经推出了可以显示温湿度的手机,可以帮助农民更便捷地了解气候变化。“未来我们还可能在一些针对老人的手持设备中加入温湿度传感器,提醒他们及时补充水分和调节空间温湿度。” 在消费电子领域,温湿度传感器的传统应用是天气预报以及室内监测,例如盛思锐三年前在香港做的“weather station”,通过一个显示屏显示日期、时间、温度和湿度。手机中如果仅仅集成这种应用,消费者是否愿意为增加的成本买单? “在接触国内手机客户的过程中,他们对我们的产品其实很看好,唯一的疑问是手机还缺少相关应用。

很遗憾的是,如果没有大型国际品牌手机厂商先使用,国内二、三线手机厂是不会贸然尝试的。”Paul Chia透露,近段时间他基本上遍访了国内排名前十位的智能手机厂商及IDH公司,但是最终还是确定先与日韩和欧美的几家国际品牌厂商开始合作。他同时表示,随着Windows 8Android 4.0增加了对于温湿度传感器的API支持,相关的第三方应用开发者将可以在此基础上开发大量的应用软件。而一旦几家国际公司率先应用,将很快在国内形成更加完善的生态系统。

当然,如果要针对中国手机市场,成本是不得不考虑的一个因素,目前温湿度传感器在成本上仍然过高。“我们也意识到手机行业很多时候‘兴奋点’在1美金以下,而目前业界同样产品的价格还达不到兴奋点,所以我们也在研发一些体积较小、功耗较小、成本较低的产品。”Paul Chia表示,用于消费类电子产品上的传感器精度可能并不需要达到那么高,他认为5%湿度精度、0.5℃温度精度已经可以满足客户需求。随着传感器价格的持续降低,相信未来不只是高端手机,包括中、低端的智能手机都会考虑加入这一功能。

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