相对湿度传感器的设计

1、相对湿度传感器系统的正确设计湿度传感器系统精度及响应特性的优化1. 综述为了在相对湿度的应用方面对传感器做出正确的选择，了解和评估那些起决定作用的因素是非常重要 的。除了衡量传感器性能随时间变化而变化的长期稳定性这个因素以外，还应考虑传感器的测量精度和响 应特性这两个因素。电容式湿度传感器工作是基于这样一个原理；其湿敏聚合体元件能吸收或释放湿气被 看作是与周围环境湿度相关的一项功能，由于这种方法仅仅测量了传感器所在位置这一点的湿度，而通常 是要测量其周围湿度这个数值， 所以传感器必须在周围环境湿度平衡的状态下获得精确的测量值 （参照 应时间的壳体 （1） 效应”这一部分）。这个湿度平衡过程可以

2、通过各种用时间常数表征的传输现象得以实现。 测量精度和响应时间是如此地接近并且相互依赖，使湿度测量系统的结构设计成为一项挑战。2. 测量精度湿度传感器的测量精度这个术语主要用于表述湿度传感器的测量值与实际湿度之间的偏差值。要确 测量精度，应参考使用冷镜式湿度计，同时必须考虑冷镜自身的误差范围。除了这个微不足道的部件以 外，湿度传感器还需要给定一个达到湿度与温度稳定平衡的时间。 （湿度是温度的函数，湿度会随着温度升 高而降低，传感器与被测环境之间的温差会导致湿度测量误差）更详细的说明请见下一节：3响应特性和响应时间响应特性的各种定义： 恒温状态下湿度传感器的实际响应特性：1. 湿敏聚合体吸收或释

3、放湿气达到湿度平衡状态时的时间快慢。 （固有的响应时间）2. 整个系统到达湿度平衡时所需要的时间快慢。 （壳体效应） 非恒温状态下湿度传感器的热响应特性3. 传感器的热质量。4. 与传感器相关的系统热质量。 （例如印刷线路板的结构影响）5. 传感器周围的直接热源。 （例如电子元器件发热影响）1 和 3 完全取决于传感器自身特性。 1 主要取决于敏感聚合体的特性。2 和 4 主要取决于整个系统的结构设计。 （壳体的形状和尺寸设计以及输出电路设计）5 取决于电子元器件的发热量。以上几点将在下面做详细讨论； 固有的响应时间 1电容式湿度传感器的时间响应特性看起来就和下面图 1 所示一样1）壳体：指支

4、撑传感器和保护传感器的物体，包括焊接传感器的印刷线路板、各种结构的防护套、SF1 等等。由于在高湿阶段其响应特性表现的特别明显，故选择了湿度从 40%RH到100%RH的等温阶跃来说明。所期望的传感器的理想响应特性用蓝色虚线表示，而实际的响应特性用红线表示，其近似公式为：RH（t）=（ES）*（1-e-）+S这里，时间段1通常非常短（大约1-30分钟）。相比之下时间段 2是很长很长的，（数小时至数天），测 量精度与响应特性的关系在这张图上看得更清晰了（t延续到湿度达到100%RH时为止）。t4时间所对应 的测量值是非常精准的。无论如何，得假定在整个 t4测试时间段内湿度和温度都要保持稳定并且等

5、候完成测试所需要的时间也很长。在实践中这些不寻常的工作条件是很难实现的。实际的校准工作通常用以下两种方法（参见图2）:1. 以t2时间对应的测量值作为校验参考基准；优点： 到达终端值（例如100%RH）所需要的测量时间明显地缩短了，对应于实际上的快速响应传 感器。（参考图2）缺点 如果相类似的条件长时间不变，（例如雨季时在户外测量）传感器的测量值将超过校准参考点（100%RH）令人遗憾地达到 110%RH。（参考图2）2. 以t4时间（参考图1）对应的测量值作为校验参考基准；优点： 应用于相类似的条件且长时间不变，（例如雨季时在户外测量），可以得到精准的测量结果。（参考图2）缺点 对于像图1那

6、样的湿度跃升，传感器会很快在t2时间达到相应的测量值。但是，要到达距其还有3%RH - 6%RH的终端测量值还需要很长的时间。（显然其响应时间更长，参考图2）综合以上两种处理方法的优点， Sensirion AG采用t3时间（参考图1）对应的测量值作为校验参考基准。湿度的响欣特性从40叫RH升个loo% I川图2.不同测量系统的响应特性响应时间的壳体效应（2）在这里有两种传输现象扮演重要的角色。 对流：这是个很快的过程，空气中被测量的湿气是利用通风的方法实现传输的。 传导：这是个很慢的由水分子的分子热运动决定的过程，它出现在“静止的”空气中（例如在壳体内部），使响应时间变长。要在湿度测量系统中

7、获得良好的响应特性，必须增大壳体开孔以得到快速的对流，同时努力减小传感 器周围“静止的”空间（即减小“死区”）。以下公式适用：传感器周围死区的尺寸，传感器周围开孔的尺寸尽可能小（公式Q热影响（3）、（4）及（5）由于湿度测量系统（传感器 +壳体）总的热质量对其响应特性有着重要的影响，所以设计时必须尽可 能地减小其热质量。测量系统逐渐变热，受温度影响的的系统响应时间就会增加；系统总热质量越大，其 惰性也越大。为了防止附加的测量误差，传感器不要安装在发热的电子元器件附近。4 .总结一设计湿度测量系统时应该考虑的问题为了实现湿度测量系统的无误差运行，系统的响应时间应尽可能的短。以下几点在选择系统传感

8、器时 应当引起特别注意：所选择的湿度传感元件应该是:几何尺寸越小越好其热质量越小越好具有湿敏聚合体结构；其在时间段2上的测量值波动极小（参考图1）,在测试条件下能提供简单的测试报告。能提供校准以对应上述的各种需求，就像Sensirion SHTXX系列传感器所能提供的那种校准。 壳体设计（参考公式1）应考虑：传感器周围空气流通口的尺寸要尽可能地大，或者直接将传感器置于壳外t对流性最好封入套管内时传感器周围的“死区”要尽可能地小传导性最小 传感器应尽可能地减少与其它元器件的热连接，只有这样整个系统的热惯性才不至于对其响应特性产生负面作用。（例如：印刷线路板被分隔成很小的一个体积来支撑传感器。见图3）缝隙可以最大限度地减少来 自PCB的热传导，浅绿色区 域表示无铜箔区域。图3Sensorion SHT1X系列传感器带有减少热连接的缝隙的安装设计举例传感器绝不要安装在热源附近。那样会导致被测温度比实际温度高，而湿度则降低的结果。5.设计指南要实现一个操作简捷的湿度测量系统，应充分考虑到第4部分的所有重点。已经过校准的瑞士Sensrion SHT1X系列SMD湿度传感器是理想的选择。 为这