【導(dǎo)讀】現(xiàn)代信息技術(shù)使傳感器技術(shù)產(chǎn)生了革命性的變化。嵌入式技術(shù)的應(yīng)用大大改進(jìn)了信號(hào)的處理技術(shù)，提高了測(cè)試精度?？偩€(xiàn)技術(shù)有效地解決了多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)距離通信等在模擬技術(shù)時(shí)期困擾人們的問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)化更為測(cè)控技術(shù)提供施展身手的廣闊空間。
濕度測(cè)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?jiàn)的術(shù)語(yǔ)。越來(lái)越多的專(zhuān)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(xiàn)技術(shù)同樣在濕度測(cè)量領(lǐng)域開(kāi)出絢麗的花朵。本文僅從多年實(shí)踐出發(fā)，討論合理使用濕度傳感器的若干問(wèn)題。提請(qǐng)同行在研究和使用濕度傳感器時(shí)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(cè)量方法的比較
濕度測(cè)量技術(shù)來(lái)由已久。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，近代測(cè)量技術(shù)也有了飛速的發(fā)展。濕度測(cè)量從原理上劃分二、三十種之多。對(duì)濕度的表示方法有絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度、露點(diǎn)、濕氣與干氣的比值（重量或體積）等等。但濕度測(cè)量始終是世界計(jì)量領(lǐng)域中著名的難題之一。一個(gè)看似簡(jiǎn)單的量值，深究起來(lái)，涉及相當(dāng)復(fù)雜的物理—化學(xué)理論分析和計(jì)算，初涉者可能會(huì)忽略在濕度測(cè)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(jiàn)的濕度測(cè)量方法有：動(dòng)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(diǎn)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(shí)間較長(zhǎng)，分流法是基于絕對(duì)濕氣和絕對(duì)干空氣的精確混合。由于采用了現(xiàn)代測(cè)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(yùn)作費(fèi)時(shí)費(fèi)工，主要作為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量之用，其測(cè)量精度可達(dá)±2%RH -±1.5%RH。
靜態(tài)法中的飽和鹽法，是濕度測(cè)量中最常見(jiàn)的方法，簡(jiǎn)單易行。但飽和鹽法對(duì)液、氣兩相的平衡要求很?chē)?yán)，對(duì)環(huán)境溫度的穩(wěn)定要求較高。用起來(lái)要求等很長(zhǎng)時(shí)間去平衡，低濕點(diǎn)要求更長(zhǎng)。特別在室內(nèi)濕度和瓶?jī)?nèi)濕度差值較大時(shí)，每次開(kāi)啟都需要平衡6～8小時(shí)。
露點(diǎn)法是測(cè)量濕空氣達(dá)到飽和時(shí)的溫度，是熱力學(xué)的直接結(jié)果，準(zhǔn)確度高，測(cè)量范圍寬。計(jì)量用的精密露點(diǎn)儀準(zhǔn)確度可達(dá)±0.2℃甚至更高。但用現(xiàn)代光—電原理的冷鏡式露點(diǎn)儀價(jià)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(cè)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(dá)到2.5m/s以上。普通用的干濕球溫度計(jì)將此條件簡(jiǎn)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(jiǎn)單地認(rèn)為只要提高兩支溫度計(jì)的測(cè)量精度就等于提高了濕度計(jì)的測(cè)量精度。
本文想強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn)：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(cè)量結(jié)果。無(wú)論那種方法，精確地測(cè)量和控制溫度是第一位的。須知即使是一個(gè)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(cè)量方法之間難以直接校準(zhǔn)和認(rèn)定，大多只能用間接辦法比對(duì)。所以在兩種測(cè)濕方法之間相互校對(duì)全濕程（相對(duì)濕度0～100%RH）的測(cè)量結(jié)果，或者要在所有溫度范圍內(nèi)校準(zhǔn)各點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果，是十分困難的事。例如通風(fēng)干濕球濕度計(jì)要求有規(guī)定風(fēng)速的流動(dòng)空氣，而飽和鹽法則要求嚴(yán)格密封，兩者無(wú)法比對(duì)。最好的辦法還是按國(guó)家對(duì)濕度計(jì)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(jí)認(rèn)定。
2、濕度傳感器測(cè)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(lèi)。絕大多數(shù)實(shí)用的濕度傳感器屬于前者。水分子親和型的感濕機(jī)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(lèi)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(dá)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(guò)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(méi)有一種在測(cè)量范圍、測(cè)試精度、響應(yīng)時(shí)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(cè)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(duì)濕度響應(yīng)的離散性;
＊ 信號(hào)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生誤差：即阻值、容值轉(zhuǎn)換為電壓、電流信號(hào)時(shí)產(chǎn)生;
＊ 溫漂、時(shí)漂造成：濕敏元件必需和被測(cè)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(jī)溶劑腐蝕、污染，所以濕敏元件難以做到長(zhǎng)壽命，需要定期（例如一年）標(biāo)定。壽命較長(zhǎng)，穩(wěn)定性好的傳感器標(biāo)定后可繼續(xù)使用，達(dá)十年以上。
2）二次儀表中，對(duì)信號(hào)的處理引入的誤差
＊ 對(duì)信號(hào)放大、補(bǔ)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(gè)變量，常溫下補(bǔ)償后，高溫時(shí)仍有誤差。
＊ 整機(jī)電路的零點(diǎn)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(shí)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(cè)量控制不準(zhǔn);在分流法設(shè)備中因質(zhì)量流量計(jì)不準(zhǔn);在露點(diǎn)法中，因采樣氣時(shí)導(dǎo)管漏氣或?qū)Ч芴L(zhǎng)而影響溫度都會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。
＊ 平衡時(shí)間不夠或難以達(dá)到平衡產(chǎn)生的誤差。敏感元件周?chē)邪l(fā)熱體（如功率較大的元器件）也會(huì)影響測(cè)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(shí)用中必需解決溫漂問(wèn)題。因此對(duì)濕度傳感器溫度特性的研究是其實(shí)用化中的重要課題。眾所周知，濕度測(cè)量始終是計(jì)量領(lǐng)域的一個(gè)難題，對(duì)濕度傳感器溫度特性的研究也十分困難。從各廠(chǎng)家濕度傳感器的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)外產(chǎn)品多數(shù)給出了溫度系數(shù)，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品則多數(shù)沒(méi)有給出。實(shí)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(méi)有給出指標(biāo)的溫度特性不見(jiàn)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(diǎn)討論一下濕度傳感器的溫度特性，望引起對(duì)這一問(wèn)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(shí)，這種幅度的溫度漂移已相當(dāng)可觀了。例如氣象探空儀對(duì)濕度傳感器的工作溫度范圍要求為-50～+50℃，溫區(qū)跨度達(dá)100℃。與常溫基值相比，△T達(dá)幾十度，再小的溫度系數(shù)也難以忽略不計(jì)。下表列出了國(guó)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(duì)溫度敏感的二、三級(jí)管和集成電路的溫漂。因此多數(shù)探測(cè)器、變送器都采取了溫度補(bǔ)償措施以減少溫漂，使傳感器在實(shí)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(wú)機(jī)鹽與有機(jī)物合成氯化鋰膜感濕工藝制成，具有的最佳優(yōu)點(diǎn)在于長(zhǎng)期穩(wěn)定性極強(qiáng)和使用壽命較長(zhǎng)，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(gè)濕度范圍內(nèi)不線(xiàn)性的問(wèn)題。其溫度系數(shù)為0.3%RH/℃但其傳感器采用自動(dòng)溫度補(bǔ)償電路，傳感器探頭能在-40-120度環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間正常測(cè)量濕度。經(jīng)過(guò)重復(fù)試驗(yàn)其高溫特性?xún)?yōu)于國(guó)外高分子電容傳感器。尤其長(zhǎng)時(shí)間高溫環(huán)境下，其壽命要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(diǎn)。用戶(hù)最好根據(jù)實(shí)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(gè)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(tái)儀器儀表的準(zhǔn)確度則不是輕而易舉能辦到的。對(duì)濕度傳感器而言，提高一、兩個(gè)百分點(diǎn)，實(shí)際上是提高一個(gè)等級(jí)，可能意味著成本和造價(jià)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?xún)?nèi)就足夠了。如果使用者對(duì)濕度測(cè)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(jì)量部門(mén)用二級(jí)以上的標(biāo)定設(shè)備予于檢測(cè)。否則采用精度低的測(cè)試手段只能得出置信度很低的結(jié)論。經(jīng)過(guò)測(cè)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。
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