電容式濕度傳感器
電容式相對濕度（RH）傳感器（見照片1），廣泛應用于工業，商業，和天氣遙測應用。
 

                 
                  照片1。容性相對濕度傳感器是在大范圍的式樣，尺寸和形狀，
                        包括集成的單片電子元件。這里顯示的傳感器是由不同的制造商。
 

  它們由在其上的聚合物或金屬氧化物的薄膜被沉積在兩個導電電極之間的襯底。感測表面上涂有多孔金屬電極，以保護它免受污染和暴露于冷凝?；逋ǔＪ遣Ａ?，陶瓷，或硅。在電容式濕度傳感器的介電常數的增量變化幾乎是成正比的周圍環境的相對濕度。電容的變化通常是0.2～0.5 pF為1％的相對濕度的變化，而大容量電容是100和500 pF的之間，在50％相對濕度在25℃下 電容式傳感器的特征在于低的溫度系數，在高溫下發揮作用的能力（高達200℃），從縮合完全恢復，并且對化學蒸氣合理阻力。響應時間為30至60秒為63％RH的階躍變化。

   國家的最先進的技術用于生產電容式傳感器采取許多在半導體制造過程中使用，以產生感應器以最小的長期漂移和滯后的原則的優勢。薄膜電容式傳感器可以包括單片信號調節電路集成到基板上。最廣​​泛使用的信​​號調節器采用了CMOS定時器脈沖的傳感器，并產生一個接近線性的電壓輸出（見圖1）。

                
                         圖1.接近線性的響應在25°C?？吹竭@個情節的電容變化與
                                濕度的應用 術語“大電容”指的是基值，在0％相對濕度。
 

   電容式傳感器的典型的不確定性為±2％RH從5％到95％相對濕度與2點校準。電容式傳感器是由距離傳感元件可以位于從信號調理電路中，由于連接電纜的相對于所述傳感器的相對小的電容變化的電容效應的限制。實際上的限制是<10英尺。
 

  直接字段互換性可以是一個問題，除非該傳感器是激光修整，以減少偏差為±2％或提供了一種基于計算機的校準方法。這些校準方案可以補償傳感​​器電容100至500 pF的露點。薄膜電容式傳感器提供在低RH離散信號的變化，保持穩定的長期使用，并具有最小的漂移，但它們不是線性的下面幾％相對濕度。這些特征導致了露點測量系統的發展結合有電容傳感器和基于微處理器的電路，其存儲在非易失性存儲器的校正數據。這種方法減少了顯著在工業HVAC和天氣遙測應用中使用的露點濕度計和發射機的成本。
 

  該傳感器被結合到一個單片電路，可提供一個電壓輸出為RH的函數?；谟嬎銠C的系統記錄輸出電壓在20露點值在一個范圍-40°C至27°C。參考露點被證實與NIST可追蹤冷鏡式濕度計。獲取用于將傳感器電壓與露點/霜點值，然后存儲在儀器中的EPROM中。上述微處理器一起同時干球溫度的測量來計算的水蒸汽壓力的線性回歸算法使用這些值。
 

  一旦水蒸汽壓力是確定的，露點溫度從存儲在EPROM的熱力學方程計算。相關的冷凍鏡子比±2°C露點更好地從-40°C至-10°C和±1°C從-10°C至27°C。該傳感器提供優于1.5°C露點漂移/年的長期穩定性。使用這種方法的露點米已實地測試，并廣泛用于在冷鏡露點米的成本的一小部分了廣泛的應用。
 

電阻式濕度傳感器

電阻式濕度傳感器（參見圖2）測量在吸濕介質，例如導電聚合物，鹽，或經處理的襯底的電阻抗的變化。

                     
                         照片2。電阻式傳感器是基于一個叉指或雙線繞組。吸濕性聚合物涂層
                    的沉積后，其電阻隨濕度成反比變化。在鄧莫爾傳感器（右）所示的1/3大小。
 

阻抗變化是典型的逆指數關系到濕度（參見圖2）：

                
             圖2。電阻傳感器的指數響應，這里繪出在25℃下，通過用于直接抄表或過程控制信號調節線性化。
 

   電阻式傳感器通常由任一沉積在襯底上通過在塑料或玻璃筒光致抗蝕劑技術或繞線電極的貴金屬電極。在基板上涂布一種鹽或導電性高分子。當它被溶解或懸浮在液體粘合劑它用作車輛以便均勻地涂覆在傳感器?；蛘?，襯底可以被激活的化學物質，如酸處理。傳感器吸收的水蒸汽和離子性官能團解離，導致增加的電導率。的響應時間最電阻傳感器范圍從10到30秒的63％的階躍變化。典型的電阻元件的阻抗變化范圍從1千到100米。
 

  大多數電阻傳感器使用對稱的交流激勵電壓與沒有DC偏置，以防止偏振傳感器。所產生的電流流被轉換并整流成直流電壓信號進行縮放的縮放，放大，線性化，或A / DRconversion（參見圖3）。
 

                  
                         圖3。電阻式傳感器表現出對濕度變化的非線性響應。此反應可以通過模
                         擬或數字方法進行線性化處理。典型的可變電阻的范圍是從幾千歐姆到
                         100 mV。 額定勵磁頻率為30 Hz至10 kHz。

  在“電阻”傳感器是不是純電阻在電容的影響>為10-100μm 作出反應的阻抗測量。的電阻相對濕度傳感器的一個顯著優點是其可互換性，通常在±2％RH，它允許電子信號調節電路可以由一個電阻器在一個固定的相對濕度點校準。這消除了對濕度校準標準，所以電阻濕度傳感器通常是在現場更換。單個電阻濕度傳感器的準確度可以通過在RH校準室測試或參考標準的濕度控制的環境中的基于計算機的系統的DA來確認。電阻式傳感器的額定工作溫度范圍為-40°C至100°C。
 

  在住宅和商業環境中，這些傳感器的壽命是>> 5年。，但接觸化學氣體和其他污染物，如油霧可能導致過早失效。一些電阻傳感器的另一個缺點是它們傾向于在暴露于縮合如果水溶性涂層是用來轉移值。當安裝在大（> 10°F）的溫度波動的環境下電阻式濕度傳感器具有顯著的溫度依賴性。同時進行溫度補償結合的準確性。體積小，成本低，互換性強，長期穩定性，使這些電阻傳感器適用于控制和顯示產品的工業，商業和住宅應用。

  其中的第一個大規模生產的濕度傳感器是鄧莫爾型，由NIST在1940年制定并沿用至今。它包括一個雙重的塑料圓筒，然后將其涂覆有聚乙烯醇（粘合劑），要么溴化鋰或氯化鋰的混合物繞組鈀絲。不同的溴化鋰或氯化鋰的結果中，覆蓋20％-40％RH的濕度的跨度非常高的分辨率的傳感器的濃度。在1％-2％RH范圍內非常低的相對濕度控制功能，在0.1％的精度就可以實現。鄧莫爾傳感器被廣泛應用于精密空調控制，以保持電腦室的環境和應用于電信監視器加壓傳輸線，天線和波導。
 

  在電阻式濕度傳感器的最新發展，采用了陶瓷涂層，以克服局限在發生結露的環境。該傳感器包括一個陶瓷基片與沉積光致抗蝕劑工藝的貴金屬電極。在襯底表面上涂覆有導電聚合物/陶瓷粘合劑混合物，并且該傳感器帶有灰塵過濾器安裝在一個塑料保護外殼。
 

   粘結材料是一種陶瓷粉末懸浮在液體中的形式。后的表面上涂覆并在空氣中干燥，傳感器是熱處理。這個過程的結果在一個明確的非水溶性的厚膜涂層完全恢復因暴露于凝結（參見圖4）。
 

               
                        圖4。水浸漬后，在陶瓷涂層的電阻式傳感器到它的預浸漬
                        的典型恢復時間，30％的值是5-15分鐘，取決于空氣流速。
 

   制造過程中產生具有優于3％RH以上的15％-95％RH范圍內的互換性傳感器。這些傳感器的精度被確定為±2％相對濕度由一個基于計算機的系統的DA。從全凝結到30％的恢復時間是幾分鐘。當與信號調節器中使用時，傳感器輸出電壓直接正比于環境的相對濕度。
 

導熱性濕度傳感器
這些傳感器（參見圖3）通過定量的干燥空氣的熱導率和含有水蒸汽的空氣之間的差測量的絕對濕度。

                    
                      照片3。用于測量絕對濕度在高溫下，熱導率傳感器被經常使用。他們
                          在不同的工作原理由電阻和電容式傳感器。Avbsolute濕度傳感器是左
                           和中心;熱敏電阻商會是在右邊。

  當空氣或氣體是干燥的，它具有更大的容量，以“下沉”熱量，如在一個沙漠氣候的例子。沙漠可以是非常炎熱的一天，但夜間氣溫迅速下降，由于干燥的大氣條件。相比之下，潮濕的氣候不降溫如此迅速地在晚上，因為熱量是由水蒸氣在大氣中留存。

  導熱性濕度傳感器（或絕對濕度傳感器）由兩個匹配的負溫度系數的電橋電路（NTC）熱敏電阻元件; 1被氣密封裝在干燥的氮氣，另一種是暴露于環境中（參見圖5）。

                
                    圖5。在熱導率傳感器，兩個匹配的熱敏電阻被用于一DC電橋電路。
                          一個傳感器被密封在干燥的氮氣和其他暴露到周圍環境。電橋的輸出
                          電壓直接正比于絕對濕度。

   當電流通過熱敏電阻通過，電阻加熱提高它們的溫度至> 200℃。從密封的熱敏電阻器散發的熱量大于暴露熱敏電阻由于在水蒸汽相比，干燥的氮氣的熱傳導性的差異。由于熱耗散收率不同的工作溫度，在該熱敏電阻的電阻差正比于絕對濕度（參見圖6）。

                     
            圖6。的熱導率傳感器的輸出信號由操作溫度的影響。最大輸出功率為600℃;在200℃產量下降了70％。

  一個簡單的電阻網絡提供的電壓輸出等于0-130克/米的范圍內3在60°C。校準是通過將傳感器在潮濕的空氣或氮氣，并調整輸出到零進行。絕對濕度傳感器是非常耐用的，在溫度高達575°F（300℃）操作，并且借助于用于其結構，對于熱敏電阻，高溫，即，玻璃，半導體材料中的惰性材料的化學蒸氣耐塑料或鋁的熱導率傳感器的一個有趣的特點是，它們對具有熱特性與干燥氮氣不同的氣體作出響應，這會影響測量結果。絕對濕度傳感器通常用于家用電器如衣物干燥機和微波和蒸汽注入爐。工業應用包括窯烘干的木材，機械烘干紡織，造紙，化工等固體;藥品生產，烹飪和食品脫水。由于副產物的燃燒和燃料電池的操作之一是水蒸汽，特別感興趣的已被證明在使用絕對濕度傳感器來監測這些反應的效率。
 

   在一般情況下，絕對濕度傳感器提供更高的分辨率在溫度> 200°F相比做電容式和電阻式傳感器，并且可在應用中，這些傳感器將無法生存被使用。絕對濕度傳感器的典型精度為+3克/米3，這轉換為大約±5％RH，在40℃和±0.5％相對濕度在100℃下。
 

總結 
  在半導體技術的快速進步，諸如薄膜沉積，離子濺射，并且陶瓷材料/硅涂層，已成為可能，高度精確的濕度傳感器具有耐化學品和物理污染物？在經濟的價格。沒有任何單一的傳感器，但是，能滿足每個應用程序。阻性，容性，和熱導率檢測每個技術提供了明顯的優勢。電阻式傳感器是可以互換的，用于遠程位置使用，并且具有成本效益。電容傳感器提供寬范圍的相對濕度和冷凝公差，并且，如果激光修整，也都是可以互換的。熱導率傳感器在腐蝕性的環境中，并在高溫下表現良好。對于大多數應用，因此，環境條件決定了傳感器的選擇。

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