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1、模块五 湿度传感器及其应用传感器技术及应用刘映群 曾海峰 主编 ISBN:978-7-113-21869-0中国铁道出版社2016-10模块五模块五 湿度传感器及其应用湿度传感器及其应用本模块主要学习湿度传感器的基本原理及其应用。 湿度概念、测量方法及湿度传感器的分类； 常用湿度传感器的结构、工作原理及特点； 湿度传感器实用电路的工作原理； 花盆土壤缺水告警器的工作原理； 房间湿度控制装置的的工作原理；知识点： 湿度传感器的选用、调试； 花盆土壤缺水告警器的安装、调试； 房间湿度控制装置的安装、调试；技能点： 本模块主要采用实训为主，讲授为辅的教学方式完成课程任务。教师主要是将项目的基本知识及
2、关键步骤跟学生讲明即可，学生大部分时间自主学习，并进行实训。在实训过程中，教师进行辅导及在项目完成后进行总结。教学法：项目说明项目说明利用湿敏元件制作一个简单的花盆土壤缺水告警器，当盆中缺水时，它会发出闪光，提醒及时浇水。项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计湿度与生产、生活、科研、植物生长等有着密切的关系。如湿度过高，会造成粮食霉变、设备腐蚀加快、影响植物果实成熟等；湿度过低、会引起人体感觉不适、易引发火灾事故等问题。因此，环境湿度的检测有重要意义。本项目先对湿度这一物理量的基本概念作简要叙述，然后介绍常用的湿度传感器。一、湿度测量的基本概念1湿度湿度是指大气中所含的
3、水蒸气量。它有两种最常用的表示方法，即绝对湿度和相对湿度。2绝对湿度绝对湿度是指一定大小空间中水蒸气的绝对含量，可用“kg/m3”表示。绝对湿度也称水气浓度或水气密度。绝对湿度也可用水的蒸气压来表示。设空气的水气密度为v，与之相应的水蒸气分压为pv，根据理想气体状态方程，可以得出其关系式为 式中 m水气的摩尔质量；R摩尔气体普适常数； T热力学温度。项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计3相对湿度在实际生活中，许多现象与湿度有关，如水分蒸发的快慢。然而除了与空气中水气分压有关外，更主要的是和水气分压与饱和蒸气压的比值有关。因此有必要引入相对湿度的概念。相对湿度为某一被测
4、蒸气压与相同温度下的饱和蒸气压的比值的百分数，常用RH表示。这是一个无量纲的值。公式为 式中 p1（T）温度T时的水蒸气压强；P2（T）温度T时的饱和压强。显然，绝对湿度给出了水分在空间的具体含量，相对湿度则给出了大气的潮湿程度，故使用更广泛。项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计4水蒸气压强当空气和水蒸气的混合物与水（或冰）保持平衡时，就处于饱和状态，相对湿度达到100%，此时水蒸气对水（或冰）的饱和压强称为水蒸气压强。5露点在水汽冷却过程中最初发生结露的温度。若气温低于露点，水汽即开始凝结。6湿度比它表示水蒸气的质量与干燥空气的质量比。项项目一目一 花花盆土壤缺水告
5、警器的设计盆土壤缺水告警器的设计二、湿敏传感器的定义湿敏传感器是能感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转换成可用信号的器件或装置。通常，一个理想的湿敏传感器应具备的性能有：1）使用寿命长，稳定性好；2）灵敏度高，线性度好，温度系数小；3）使用范围宽，测量精度高；4）响应迅速；5）湿滞回差小，重现性好；5）能在恶劣环境中使用，抗腐蚀、耐低温和高温等特性好；7）器件的一致性和互换性好，易于批量生产，成本低；8）器件感湿特征量应在易测范围内。项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计三、湿度传感器的主要参数和特性1湿度量程湿度量程就是湿度传感器技术规范中所
6、规定的感湿范围，全湿度范围用相对湿度0100%RH表示。量程是湿度传感器工作性能的一项重要指标。对于通用型湿度传感器，希望它的量程尽可能宽。对用户来说，并非越宽越好，这里还要考虑到经济效益。在低湿或者抽真空情况下用的低湿传感器，主要是要求它在低湿的情况下有足够的灵敏度，并不要求它有很宽的测湿范围；相反的情况，在高湿的情况也是如此。事实上，各种湿度传感器的量程各不相同，所以使用时，要根据具体需求来选择合适量程范围的湿度传感器。2感湿特性曲线感湿特性曲线是指湿度敏感器件的感湿特征量(如电阻、电容等）随环境相对湿度(或绝对湿度）的变化曲线。从感湿特性曲线可以确定器件的最佳实用范围及其灵敏度。性能良好
7、的湿度敏感器件的感湿特性曲线应当在整个相对湿度范围内连续变化。斜率过小则曲线平坦，灵敏度降低；斜率过大则曲线太陡，测量范围减小。项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计3感湿灵敏度感湿灵敏度是指在某一相对湿度范围内，相对湿度改变1%RH时而引起的感湿特征量的变化量。当器件感湿特性曲线是直线时，可用直线的斜率来表示湿敏器件的灵敏度，但大多数湿敏器件的灵敏度是非线性的。4感湿特征量温度系数感湿特征量温度系数是指感湿特征量的相对变化量与对应的温度变化量（某一环境温度与25之差）之比。特征量温度系数越小，则环境温度变化引起的相对湿度误差就越小。项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的
8、设计盆土壤缺水告警器的设计5感湿温度系数感湿温度系数是指环境温度变化1所引起的相对湿度变化量。它是反映湿度传感器温度特性的另一个物理量。同样，感湿温度系数越小，则坏境温度变化引起的相对湿度误差就越小。6响应时间响应时间反映的是湿度传感器的相对湿度发生变化时，传感器的输出发生改变的快慢程度。响应时间有时也被称为时间常数，响应时间越小，传感器的反映速度越快。显然，响应时间越小对用户是越有利的。项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计7电压特性当用湿度传感器测量湿度时，所加的测试电压，不能用直流电压。这是由于加直流电压会引起感湿体内水分子的电解，致使电导率随时间的增加而下降，故
9、测试电压采用交流电压。当交流电压大于15V时，由于产生焦耳热的缘故，对湿度传感器的感湿特性会产生较大影响，因而一般湿度传感器的使用电压都小于10V。8频率特性频率特性是指湿度传感器的感湿特征量（如阻值）与外加测试电压频率的关系。湿度传感器的使用频率上限由实验确定。由于直流电压会引起水分子的电解，因此，测试电压频率也不能太低。项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计四、湿敏传感器的分类湿敏传感器种类繁多，有多种分类方式：1）按元件输出的电学量分类可分为电阻式、电容式、频率式等。2）按其探测功能可分为相对湿度、绝对湿度、结露和多功能式4种。3）按材料则可分为陶瓷式、有机高分子
10、式、半导体式、电解质式等。另外，根据与水分子亲和力是否有关，可以将湿敏传感器分为水亲和力型湿敏传感器和非水亲和力型湿敏传感器。水分子易于吸附在物体表面并渗透到固体内部的这种特性称为水分子亲和力，水分子附着或浸入湿敏功能材料后，不仅是物理吸附，而且还有化学吸附，其结果使功能材料的电性能产生变化，如LiCl、ZnO材料的阻抗发生变化。因此，这些材料就可以制成湿敏元件，另外利用某些材料与水分子接触的物理效应也可以测量湿度。因此，这两大类湿敏传感器可细分为表5-1所列的各种湿敏传感器。项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计湿敏传感器类型按水分子亲和力分类水分子亲和力型尺寸变化式
11、湿敏元件、电解质湿敏元件、高分子材料湿敏元件。金属氧化物膜湿敏元件、金属氧化物陶瓷湿敏元件、硒膜及水晶振子湿敏元件。非水分子亲和力型热敏电阻式湿敏传感器、红外线吸收式湿敏传感器、微波式湿敏传感器、超声波式湿敏传感器。其他CFT湿敏元件等。项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计表表5-1湿敏传感器分类湿敏传感器分类在现代工业中使用的湿敏传感器大多是水亲和力型湿敏传感器，它们将湿度的变化转化为阻抗或电容的变化后输出。但是，利用水分子亲和型湿敏元件的共同缺点是响应速度慢，而且可靠性较差，不能很好地满足使用的需要，这种现状迫使人们开始研究与水分子亲和力无关型湿敏元件。例如，利用
12、水蒸气能吸收特定波长的红外线吸收式湿敏传感器；利用微波在含水蒸气的空气中传播时，水蒸气吸收微波使其产生一定损耗制成的微波湿敏传感器等。开发非水分子亲和力型传感器是湿敏传感器的重要研究方向，因为它能克服水分子亲和力型湿敏传感器的缺点。项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计五、几类常用的湿敏传感器常用的湿敏感器主要有：金属氧化物陶瓷湿敏传感器、金属氧化物膜型湿敏传感器、高分子材料湿敏传感器等。下面介绍一些至今发展比较成熟的几类湿敏传感器。1氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件，该元件的结构如图5-1所示，由引线、基片、感湿层与
13、电极组成。 图5-1 湿敏电阻结构示意图项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂（LiCl)溶液中，Li和C1均以正负离子的形式存在，而Li+对水分子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。当溶液置于一定温湿场中，若环境相对湿度高，溶液将吸收水分，使浓度降低，因此，其溶液电阻率增高。反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。氯化锂湿敏元件的湿度电阻特性曲线如图5-2所示。由图5-2可知，在50%80%相对湿度范围内，电阻与湿度的变化呈线性关系。为了扩大湿度测置的线性范围，可
14、以将多个氯化锂含量不同的器件组合使用，如将测量范围分别为(10%20%)RH，(20%40%)RH，(40%70%)RH，(70%90%)RH和（80%99%）RH五种元件配合使用，就可自动地转换完成整个湿度范围的湿度测量。氯化锂湿敏元件的优点是滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度高达5%，但其耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能的重复性不理想，使用寿命短。项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计2半导体陶瓷湿敏电阻半导体陶瓷湿敏电阻通常是用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成的多孔陶瓷。这些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、Ti
15、O2-MgO-Cr2O3系、Fe2O3等，前3种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种的电阻率随湿度增大而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷。1）ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件。ZnO-Cr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料的电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线，然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中用树脂固定而做成的，其结构如图5-3所示。ZnO-Cr203传感器能连续稳定地测量湿度，而无须加热除污装置，因此功耗低于0.5W，体积小，成本低，是一种常用测湿传感器。 项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计2）MgCr2O4-TiO2
16、湿敏元件。氧化镁复合氧化物二氧化钛湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿电”转换器件，它是负特性半导体陶瓷。MgCr2O4为P型半导体，它的电阻率低，阻值温度特性好，结构如图5-4所示。在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的两面涂覆有多孔金电极。金电极与引出线烧结在一起，为了减少测量误差，在陶瓷片外设置由镍铬丝制成的加热线圈，以便对器件加热清洗，排除恶劣气体对器件的污染。整个器件安装在陶瓷基片上，电极引线般采用铂铱合金。传感器的电阻值既随所处环境的相对湿度的增加而减少，又随周围环境温度的变化而有所变化。项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计3金属氧化物膜型湿敏传感器二氧化铁、三氧化
17、二铝、氧化镁等金属氧化物的细粉吸附水分后有极快的速干特性，利用这种现象可以研制生产出多种金属氧化物膜型湿敏电阻式传感器。将调制好的金属氧化的糊状物加工在陶瓷基片及电极上，采用烧结或烘干的方法使其固化成膜。这种膜可以吸附或释放水分子而改变其电阻，如图5-5所示。 项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计4高分子湿敏电容传感器湿敏电容一般用高分子薄膜电容制成，与金属氧化物膜型湿敏传感器结构相似，如图5-6所示。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
18、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。高分子湿敏电容传感器具有体积小、感湿范围宽、响应速度快、抗污染能力强、抗结露、灵敏度高、性能稳定可靠、性价比高、低漂移、高精度、一致性好等特点。项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计六、认识湿度传感器各类湿度传感器实物图如图5-7所示。 项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计七、湿度传感器的测量电路电阻式湿度传感器，其测量电路主要有两种形式：1电桥电路振荡器对电路
19、提供交流电源。电桥的一臂为湿度传感器，由于湿度变化使湿度传感器的阻值发生变化，于是电桥失去平衡，产生信号输出，放大器可把不平衡信号加以放大，整流器将交流信号变成直流信号，由直流毫安表显示。振荡器和放大器都由9V直流电源供给。电桥法适合于氯化锂湿度传感器。电桥测湿电路框图如图5-8所示。便携式湿度计的实际电路如图5-9所示。项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计2欧姆定律电路此电路适用于可以流经较大电流的陶瓷湿度传感器。由于测湿电路可以获得较强信号，故可以省去电桥和放大器，可以用市电作为电源，只要用降压变压器即
20、可。其电路图如图5-10所示。项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计3带温度补偿的湿度测量电路在实际应用中，需要同时考虑对湿度传感器进行线性处理和温度补偿，常常采用运算放大器构成湿度测量电路，如图5-11所示。图中湿度测量电路中Rt是热敏电阻器(20k，B=4100K)；RH为H204C湿度传感器，运算放大器型号为LM2904。该电路的湿度电压特性及温度特性表明：在(3090)RH、1535范围内，输出电压表示的湿度误差不超过3RH。项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计八、湿度传感器实用电路1下雨检测仪下雨检测仪电路如图5-12所示。传感器（湿
21、度检测元件）是由两组细导线丝组成，导线丝每根相距很近，大约2mm。当有雨点降落或者空气湿度很大时，两组导线丝间便构成导电通路，6V的电源电压通过电阻R1加到晶体三极管VT的基极上，使VT导通，R2上的电压降使晶闸管VTH导通，报警器发出报警信号。只有断开开关SA才能停止报警。晶体三极管VT的型号为2N3706，可用3DK9B替代。项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计2土壤湿度检测仪简易土壤湿度检测仪可以粗略地判断土壤湿度。采用七色发光二极管来指示土壤相对湿度的大小，使用起来十分方便。1）电路组成及工作原理土壤湿度检测仪电路由湿度传感器检测探头、晶体三极管VT、二极管V
22、D1VD6、发光二极管VL1VL7、电位器RP、电源开关S和9V电源组成，如图5-13所示。项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计(二)元器件选择RP选用合成膜电位器。VD1VD6均选用2CP11型硅普通二极管。VL1VL7均选用3mm的高亮度发光二极管。项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计3土壤湿度测量电路采用硅湿敏电阻的土壤湿度测量电路如图5-14所示。在25时其响应时间小于5s，检测土壤含水量范围为0100%。电路由土壤湿度检测电路、湿度信号放大电路和高精度稳压电源电路组成。土壤湿度检测电路由湿敏电阻RH、晶体管VT以及Rl、R2等组成。
23、湿度信号放大电路由IC1、RP1、RP2、R3、R4、R5、R8、D3等组成。稳压电源电路为湿度检测电路提供2.5V的稳压电源。 项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计当湿敏传感器插入土壤时，由于土壤含水分不同，湿敏传感器的阻值也不同，这个电阻成为VT的基极偏置电阻。由于偏置电阻的不同，基极电流也不同，从而改变了VT的集电极电流，也改变了发射极电流。在R2上射极电流转换成电压，并送至IC1的同相输入端，经IC1放大后输出由稳压管D3稳定输出电压在5V以内。调整时，将RH插入水中，调节RP2使IC1输出为5V，然后将RH从水中取出并擦干，调节RP1使输出为0V，反复调节即
24、可达到要求。项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计4土壤缺水告知电路土壤的电阻值与其湿度有关，潮湿的土壤电阻仅有几百欧姆，干燥时土壤电阻可增大到数几千欧姆以上，因此，可以利用土壤电阻值的变化来判断土壤是否缺水。在图5-15所示的土壤缺水告知电路中，采用一对金属探板作为土壤湿度传感器。平时将它埋在需要监视的土壤中。为了防止在土壤中的极板发生极化现象，采用交变信号与土壤电阻组成分压器。项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计电路中由IC1-1、R1和C1组成一个振荡器，IC1-2为振荡器的缓冲电路。R2与传感器测得的电阻形成的分压由VD1削去负半部分。
25、经VT1缓冲并由VD2、R4和C3整流，经R5加至IC2比较器的同相端，与RP1设定的基准电压进行比较。当土壤潮湿时，其阻值变小，C3两端电压较低，比较器IC2输出电压UOUT为低电位。当土壤缺水干燥时，C3两端电压高于基准设定电压时，比较器IC2输出电压为高电位。UOUT可对指示报警电路进行控制，达到土壤缺水吿知的目的。项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计九、花盆土壤缺水告警器的工作原理花盆中的花卉是否缺水，光凭观察土壤表层是否湿润是不科学的，应监测其土壤含水量。利用湿敏元件制作的花盆土壤缺水告警器，当盆中缺水时，它会发出闪光，提醒及时浇水。花盆土壤缺水告警器电路如
26、图5-16所示。其中湿度传感器由埋在土壤中的两个电极组成，如果土壤的湿度较小，其电阻率会明显增加，这时两电极间电阻很大，致使场效应晶体管VT1截止，晶体管VT2导通，电阻R4上产生较大电压降，使555时基电路组成的振荡器开始工作。当振荡器工作时，发光二极管LED将随着低频振荡信号闪烁发光，提醒人给花盆浇水。当花盆不缺水时，土壤电阻率很小，两电极间电阻很小，VT1的栅极相当于接地，则VT1导通，VT2截止，振荡电路停止工作，发光二极管LED熄灭。项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计项目实施一、花盆土壤缺水告警
27、器电路的绘制使用Protel99se绘制完成图5-16所示的原理图。二、元器件选择IC1选用运算放大器NE555。R1R7均选用1/4W碳膜电阻器。VD1选用场效应晶体管，VD2选用三极管。C1选用耐压为16V的电解电容，C2选用瓷片电容。LED1选用5MM红色发光二极管。同时准备4.5V稳压电源、实验板等。项目一的元器件清单表如表5-2所示。项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计元件序号元件名称元件型号与规格元件参数数量RH湿敏元件插座湿敏元件插座 1VT1场效应晶体管3DJ6E 1VT2三极管3DG6 1IC1集成电路运算放大器NE555/DIP8 1R1电阻器碳膜
28、电阻器，功率1/4W3.9M1R2电阻器碳膜电阻器，功率1/4W10k1R3电阻器碳膜电阻器，功率1/4W1K1R4电阻器碳膜电阻器，功率1/4W4.7k1R5电阻器碳膜电阻器，功率1/4W2.2k1R6电阻器碳膜电阻器，功率1/4W220k1R7电阻器碳膜电阻器，功率1/4W4701C1电解电容器耐压为16V的电解电容4.7F1C2电容器瓷片电容0.01F1LED1发光二极管5MM红色发光二极管 1J1电源插座4.5V稳压电源 1项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计表表5-2 项目一元器件清单表项目一元器件清单表三、印刷电路板设计使用Protel99se绘制的花盆土
29、壤缺水告警器的印刷电路板图为单面板，如图5-17所示。图5-17（a）为元件面，图5-17（b）为焊接面。 项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计四、电路调试此电路相对简单，只要安装无误，就能正常工作。制作完成后，需要反复试验湿度条件与电路的输出关系，直至在合适的湿度下发光二极管刚好不点亮为止。调节关键是改变两个电极插入土壤的深度。项项目一目一 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计项项目拓展与评价目拓展与评价一、训练题目与要求1将图5-14所示的土壤湿度检测电路的输出，接到ICL7106显示驱动集成电路和液晶显示器上，成为液晶显示土壤湿度检测器。项项目一目一
30、 花花盆土壤缺水告警器的设计盆土壤缺水告警器的设计项目说项目说明明利用湿度传感器设计并制作一个简易的房间湿度控制装置。当湿度下降时，接通增湿设备进行增湿。当湿度上升时，接通干燥设备进行干燥。项目二项目二 房间湿度控制装置的设计房间湿度控制装置的设计近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿度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新的水平。一、集成湿度传感器目前，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公司的HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610、HI
31、H-4000型和Humirel公司的HM1500、HMI1520、HF3223、HTF3223型等。这些产品可分成线性电压输出式、线性频率输出和频率/温度输出式集成湿度传感器三种类型。1线性电压输出式集成湿度传感器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。项目二项目二 房间湿度控制装置的设计房间湿度控制装置的设计2线性频率输出集成湿度传感器线性频率输出集成湿度传感器的典型产品为HF3223型，如图9-14所示。它采用模块式结构，属
32、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。3频率/温度输出式集成湿度传感器频率/温度输出式集成湿度传感器的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。项目二项目二 房间湿度控制装置的设计房间湿度控制装置的设计4本项目所用HIH-4000系列测湿传感
33、器1）湿度传感器HIH4000系列简介：HIH-4000系列测湿传感器是专为大量生产的原始设备制造厂（OEM）用户而设计的。利用这传感器的线性电压输出可直接输入到控制器或其他装置。一般仅需取出200A电流，HIH-4000系列测湿传感器就能理想地用于低引出、电池供电系统。传感器良好的互换性减少或消除了OEM的生产校验成本。可以提供单个传感器校准数据。HIH-4000系列测湿传感器作为一个低成本、可软焊的单个直插式组件(SIP)提供仪表测量质量的相对湿度（RH）传感性能。RH传感器可用在二引线间有间距的配量中，它是一个热固塑料型电容传感元件，其芯片内具有信号处理功能。传感元件的多层结构对应用环境
34、的不利因素，诸如潮湿、灰尘、污垢、油类和环境中常见的化学品具有最佳的抗力。项目二项目二 房间湿度控制装置的设计房间湿度控制装置的设计2）湿度传感器HIH4000系列特性精度：3.5%RH（0100%RH非凝结）；温度范围：4085；热固性聚合物电容传感器，带集成信号处理电路；3针可焊塑封；5VDC恒压供电，0.83.9VDC放大线形电压输出；低功耗设计；快速响应15秒慢流动的空气中；稳定性好，低温飘，抗化学腐蚀性能强。更详细的信息可查阅HIH-4000系列测湿传感器的产品手册及有关资料。项目二项目二 房间湿度控制装置的设计房间湿度控制装置的设计二、单片智能化湿度/温度传感器2002年Sensi
35、ron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0100%，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
36、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。项目二项目二 房间湿度控制装置的设计房间湿度控制装置的设计三、湿度传感器应用电路设计要点湿度传感器应用电路设计时要考虑提供传感器的电压波形、传感器输出信号处理、温度补偿以及线性化等向题。1提供湿度传感器的电压波形通常湿度传感器使用时提供交流信号。由于交流信号直接影响传感器的特性、寿命和可靠性，因此，最理想的是选用失真非常小的正弦波。所选择的波形应以0V为中心对称，并且是没有叠加直流偏置的信号。交流信号的频率以厂家数据表中所提供的参数为宜，由于振荡电路设计上的不同，稍有差异也可。另
37、外，使用方波也可以使湿度传感器正常工作，不过在使用方波时应注意同正弦波一样须以0V为中心对称，无直流偏置电压，并且要使用占空此为50%的对称波形。加到湿度传感器上的交流供电电压应按厂家数据表上的要求来确定。通常最大供电电压普遍要求确保有效值为12V，在1V左右使用一般不会对传感器有影响。如果供电电压过低，则湿度传感器成为高阻抗，低湿度端将受到噪声的影响；相反，如果供电电压过高，则将影响可靠性。供给湿度传感器的波形、频率和电压等参数发生变化时，将不可能得到厂家保证的湿敏特性。因此，必须事先加以确认。项目二项目二 房间湿度控制装置的设计房间湿度控制装置的设计2对湿度传感器阻抗特性的处理方法湿度电阻
38、传感器的湿度阻抗特性呈指数规律变化，由此湿度传感器输出的电压（电流）也是按指数规律变化。在30%90%RH范围内，电阻变化1万10万倍。可采用一种对数压缩电路来解决此问题，即利用硅二极管正向电压和正向电流呈指数规律变化构成运算放大电路。另外，在低湿度时，湿度传感器的电阻达几十兆欧，因此，在信号处理时必须选用场效应管输入型运算放大器。为了确保低湿度时的测量准确性，应在传感器信号输入端周围制作电路保护环，或者用聚四氟乙烯支架来固定输入端，使它从印制板上浮空，从而消除来自其他电路的漏电流。项目二项目二 房间湿度控制装置的设计房间湿度控制装置的设计3温度补偿湿度传感器与温度有关，因此，要进行温度补偿，
39、方法之一就是采用对数压缩电路。在这种电路中，硅二极管的正向电压具有的-2mV/的温度系数，利用这一特点来补偿湿度传感器对温度的依存性是完全可能的，也就是说，借助对数压缩电路，可以同时进行对数压缩和温度补偿。另外，还有使用负温度系数热敏电阻的温度补偿方法，这时，湿度传感器的温度特性必须接近一般的热敏电阻的B常数（B=4000)，因此，湿度传感器的温度特性比较大时，往往难以用负温度系数热敏电阻进行温度补偿。4线性化电路在大多数情况下，难以得到相对于湿度变化而线性变化的输出电压。为此，在需要准确地显示湿度值的场合，必须加入线性化电路，它将传感器电路的输出信号变换成正比于湿度变化的电压。线性化的方法有
40、很多，但常用的是折线近似方法。在要求不太高的情况下，或者限定湿度测量范围，也可不用线性化电路而采用电平移动的方法获取湿度信号。项目二项目二 房间湿度控制装置的设计房间湿度控制装置的设计四、湿度传感器的使用湿度传感器要安装在流动空气的环境中，这样，响应速度快。延长传感器的引线时需要注意，延长线应使用屏蔽线，最长距离不要超过lm，裸露部分的引线要尽量地短；特别是在10%20%RH的低湿度区，由于受到的影响较大，必须对测量值和精度进行确认；在进行温度补偿时，温度补偿元件的引线也要同时延长，使它尽可能靠近湿度传感器安装，此时温度补偿元件的引线仍要使用屏蔽线。项目二项目二 房间湿度控制装置的设计房间湿度
41、控制装置的设计五、湿度传感器实用电路1空气湿度检测电路空气湿度检测电路如图5-18所示。图中808H5V5为湿度传感器集成电路，内部包括湿度传感器和信号放大电路，工作电源电压为+5V，可检测湿度范围为0100%，相应输出电压为0.83.9V。可将808H5V5安放于需检测湿度的位置，用引线将输出信号电压引出，直接驱动电压表指针指示，也可以经ICL7106显示驱动集成电路A/D转换后，驱动液晶显示器显示。项目二项目二 房间湿度控制装置的设计房间湿度控制装置的设计2自动去湿装置自动去湿装置电路图如图5-19所示。H为湿敏传感器，Rs为加热电阻丝，将VT1和VT2接成施密特触发器，VT2的集电极负载
42、KM为继电器线圈。在常温常湿情况下调好各电阻值，使VT1导通，VT2截止。当阴雨等天气使室内环境湿度增大而导致H的阻值下降达到某值时，Rf与R2并联阻值小到不足以维持VT1导通，使VT1截止而使VT2导通，其负载继电器KM通电，KM的常开触点闭合，加热电阻丝导通，Rs由电源U通电加热，驱散湿气。当湿度减小到一定程序时，施密特电路又翻转到初始状态，VT1导通，VT2截止，常开触点断开，Rs断电停止加热，从而实现了去湿的自动控制。项目二项目二 房间湿度控制装置的设计房间湿度控制装置的设计项目二项目二 房间湿度控制装置的设计房间湿度控制装置的设计3湿度检测器电路湿度检测器电路如图5-20所示。由55
43、5时基电路、湿度传感器CH等组成多谐振荡器，在振荡器的输出端接有电容器C2，它将多谐振荡器输出的方波信号变为三角波。当相对湿度变化时，湿度传感器CH的电容量将随着改变，它将使多谐振荡器输出的频率及三角波的幅度都发生相应的变化，输出的信号经VD1、VD2整流和C4滤波后，可从电压表上直接读出与相对湿度相应的指数来。RP电位器用于仪器的调零。项目二项目二 房间湿度控制装置的设计房间湿度控制装置的设计项目二项目二 房间湿度控制装置的设计房间湿度控制装置的设计4高湿度显示器高湿度显示器电路如图5-21所示，它能在环境相对湿度过高时作出显示，告知人们应采取排湿措施了。湿度传感器采用MSOIA型湿敏电阻，
44、当环境的相对湿度在20%90%RH变化时，它的电阻值在几十千欧到几百欧范围内改变。为防止湿敏电阻产生极化现象，采用变压器降压供给检测电路9V交流电压，湿敏电阻RH和电阻R1串联后接在它的两端。当环境湿度增大时，阻值减小，电阻R1两端电压会随之升高。这个电压经VD1整流后加到由T1和T2组成的施密特电路中，使T1导通，T2截止，T3随之导通，发光二极管了LED1发光。高湿度显示电路可应用于蔬菜大棚、粮棉仓库、花卉温室、医院等对湿度要求比较严格的场合。项目二项目二 房间湿度控制装置的设计房间湿度控制装置的设计项目二项目二 房间湿度控制装置的设计房间湿度控制装置的设计5结露报警输出电路结露报警输出电
45、路如图5-22所示。图中H0S103为结露传感器。在低湿时，结露传感器的电阻值为2k左右，VT1基极电压低于0.6V而截止，VT2基极电压为+5V，发射结无偏置电压而截止，结露指示LED发光二极管不亮。在结露时，结露传感器的电阻值大于50k，VT1基极电压高于0.6V而导通，VT2基极电压降低，使发射结为正偏置且饱和导通，结露指示LED发光二极管被点亮。输出电压U0UT可用于控制摄像机、数码相机等设备进入结露的停机保护，也可以用于浴室镜面水气自动淸除。装配该结露报警电路，可将结露传感器用引线引出放到窗台外，进行结露报警试验。结露传感器也可使用HDS05、HDS10、HDP07等型号。项目二项目
46、二 房间湿度控制装置的设计房间湿度控制装置的设计项目二项目二 房间湿度控制装置的设计房间湿度控制装置的设计6湿度控制电路湿度控制电路如图5-23所示，是用于计算机房等对湿度有一定要求的场所。环境湿度增高时，湿敏电阻RS的阻值减小，整流输出直流电压增大，于是，RP滑动端的电位增高，晶体管VT1和VT2导通，继电器K1动作，其触点K1-1接通去湿机的电动机使其工作，达到去湿的目的。微安表A指示相对湿度。项目二项目二 房间湿度控制装置的设计房间湿度控制装置的设计7湿度控制器该湿度控制器可以自动控制室内的湿度成发出湿度报警，同时以用电表显示相对湿度数值，适用于农村中培育蘑菇的房内。湿度控制器电路如图5
47、-24所示，湿度控制器的核心是湿度传感器（HPR）。传感器的直流电阻大小随相对湿度的增加按对数规律减小。湿度控制器由方波发生器、对数变换电路、电压比较器等电路构成。由555（IC1）与电容C2构成方波发生器为传感器提供频率约为300Hz的对称方波。IC2和二极管VD2VD4构成对数变换电路，其输出端A的电压将随相对湿度的增加而增大。该电压经R3和C2滤去干扰短脉冲的影响后分三路分别接到IC3、IC5的同相输入端和IC4的反相输入端。IC3为同相放大器，其放大倍数由R6和R5之比决定，可根据电表的量程来选择。RP1为零点调整电位器，电压表V的量程选择在2.55V之间。IC4和IC5为比较器。IC
48、4为反相输入，IC5为同相输入。当相对湿度降低时，适当调整电位器RP2和RP3，A点的电压随着下降。降到一定数值时，IC4的8脚电位将突然升高，使二极管LED1点亮（红色)，表示环境太干燥。同时VT1导通、继电器K1吸合接通电动喷雾器。空气中湿度增加后，可经传感器感知。A点电位升高，升到一定数值时，K1释放。随着雾滴水分蒸发，湿度继续升高，如超过设定值，则IC5的7脚电位升高，使发光二极管LED2点亮（绿色），表示环境太潮湿。同时VT2导通，K2吸合，接通通风机电路，排除过湿空气。湿度降低后，K2释放，通风机停止工作。此过程周而复始即实现了室内湿度的控制。项目二项目二 房间湿度控制装置的设计房
49、间湿度控制装置的设计项目二项目二 房间湿度控制装置的设计房间湿度控制装置的设计电路调整过程：1）电表的相对湿度刻度。虽然IC2已进行对数变换（同时对交流电压进行调整），但A点的电压变化量与相对湿度之间还存在非线性关系，所以电压表上的相对湿度刻度也不是线性的。可利用干湿泡温度计对此进行标定。用放在同一环境中的干湿泡温度计査出相对湿度值，然后在电压表相应刻度上画出相对湿度标度。2）低湿度报警控制。当电表上显示湿度达到允许最低值时，调节RP2，使LED1正好发光报警，K1吸合，喷雾器开始工作。3）高湿度报警与通风控制。当电表上显示湿度达到允许最大值时，调节RP3，使LED2刚好发光报警，K2吸合，通
50、风机工作。项目二项目二 房间湿度控制装置的设计房间湿度控制装置的设计8湿度控制装置湿度控制装置原理图如图5-25所示。它由两个与非门U1A和U2B组成RC振荡器，振荡频率为2.5kHz，输出电压为4V，经RP1、RS分压，VD1整流，再经R3、RP2分压后送至VT3。RS为湿敏电阻，当湿度下降时，RS阻值增大，其分压也增大，使晶体管VT3导通，集电极电位下降，使晶体管VT4截止，继电器J2释放，LED2灭。此时VT1、VT2晶体管导通，LED1亮，继电器J1吸合，其触点接通增湿设备进行增湿。当湿度上升时，RS阻值减小，其上分压也减小，使晶体管VT3截止，集电极电位上升，晶体管VT4导通，LED