一文读懂温湿度传感器

据生理学家研究，人所处环境的温度和湿度会直接影响人的体温调节功能和热传导效果以至于人的体感适应能力的好坏，体现了思维活动的敏捷和精神状态的优秀，从而影响我们学习和工作的效率经过实验分析，人体最适宜的室温应为18℃，湿度为40%至60%在人们的生产生活中，有很多不同的场所和环境对温度和湿度有特定的要求因此，合理的温湿度控制成为了必要的手段

温度和湿度传感器

因为无论是物理量还是现实生活中，温度和湿度都是密切相关的，所以产生了集成温度和湿度的传感器。

温湿度传感器是指能将温度和湿度转换成易于测量和处理的电信号的设备或装置市面上的温湿度传感器一般测量温度和相对湿度

温度和湿度

我们先来了解一些温度和湿度的物理量:

温度

衡量物体冷热的物理量是国际单位制中的七个基本物理量之一在生产和科研中，许多物理现象和化学过程都是在一定的温度下进行的，人们的生活与它密切相关

湿度

湿度与生活的关系由来已久，但很难用数量来表达。

日常生活中最常用的湿度物理量是空气的相对湿度表示为% RH在物理量的推导中，相对湿度和温度有着密切的关系一定体积的封闭气体，其温度越高，相对湿度越低，温度越低，相对湿度越高它涉及到热能工程的复杂知识

湿度的一些定义:

相对湿度

根据计量法，湿度被定义为图像状态的量日常生活中的湿度是相对湿度，用RH%表示简而言之，就是气体中所含的水蒸气与空气中的水蒸气相同时，饱和水蒸气所占的百分比

绝对湿度

指单位体积空气中所含水蒸气的实际量，通常以克为单位温度对绝对湿度有直接影响一般来说，温度越高，放出的水蒸气越多，绝对湿度就越大反之，绝对湿度小

饱和湿度

在一定温度下，单位体积空气中所能容纳的最大水蒸气量如果超过这个限度，多余的水蒸气就会凝结成水滴此时的空气湿度称为饱和湿度空气的饱和湿度不是固定的，它伴随着温度的变化而变化温度越高，单位体积空气所能容纳的水蒸气越多，饱和湿度就越大

露点

是指含有一定量水蒸气的空气当温度下降到一定程度时，所含的水蒸气会达到饱和，开始液化成水这种现象叫做凝结水蒸气开始液化成水的温度，简称露点温度如果温度继续下降到露点以下，空气中过饱和的水蒸气就会在物体表面凝结成水滴此外，风与空气中的温湿度密切相关，也是影响空气温湿度变化的重要因素之一

温度传感器的类型

根据检测方法，温度传感器有接触式和非接触式。

接触式温度传感器

接触式温度传感器的检测部分与被测物体接触良好，也叫温度计。

温度计通过传导或对流达到热平衡，这样温度计的指示值就可以直接指示被测物体的温度。

一般测量精度高在一定的温度测量范围内，温度计还可以测量物体内部的温度分布但对于运动物体，小目标或热容量小的物体，会产生较大的测量误差常用的温度计有双金属温度计，玻璃液体温度计，压力温度计，电阻温度计，热敏电阻和热电偶等

它们广泛应用于工业，农业，商业和其他部门人们在日常生活中经常使用这些温度计

非接触式温度传感器

它的敏感元件不与被测对象接触，也称为非接触式温度测量仪该仪器可用于测量运动物体，小目标，热容量小或温度变化快的物体的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布

最常用的非接触式温度计是基于黑体辐射的基本定律，称为辐射温度计。

辐射测温法包括亮度法，辐射法和比色法。

各种辐射测温方法只能测量相应的光度温度，辐射温度或比色温度只有测得的黑体温度才是真正的温度如果要测量物体的真实温度，就必须对材料表面的发射率进行修正可是，材料的表面发射率不仅取决于温度和波长，还取决于表面状态，镀膜和微结构，因此很难精确测量

在自动化生产中，经常需要用辐射测温法来测量或控制一些物体的表面温度，如钢带轧制温度，轧辊温度，锻造温度以及熔炼炉或坩埚中各种熔融金属的温度。

非接触式测温的优点:测量上限不受感温元件温度电阻的限制，所以原则上对最高可测温度没有限制对于1800℃以上的高温，主要采用非接触式测温方法伴随着红外技术的发展，辐射测温逐渐从可见光扩展到红外光，一直使用到700℃以下直至常温，具有很高的分辨率

根据工作原理，温度传感器有以下几种类型:

利用金属膨胀原理设计的传感器

当金属环境的温度发生变化时，会产生相应的延伸，因此传感器可以通过不同的方式转换这种反应的信号。

双金属传感器

双金属片由两块膨胀系数不同的金属粘在一起组成伴随着温度的变化，材料A的膨胀程度比另一种金属的膨胀程度高，从而导致金属片弯曲弯曲的曲率可以被转换成输出信号

双杆金属管传感器

伴随着温度的升高，金属管的长度增加，而未膨胀的钢棒的长度不变，这样金属管的线性膨胀就可以因位置的变化而传递反过来，这种线性膨胀可以转换成输出信号

以及液体和气体的变形曲线。

当温度变化时，液体和气体的体积也会相应变化。

各种类型的结构可以将这种膨胀变化转换成位置的变化，从而产生位置输出的变化。

热敏电阻温度传感器

热敏电阻由半导体材料制成，多为负温度系数，即电阻随温度升高而降低。

温度变化会引起较大的电阻变化，所以它是最灵敏的温度传感器但是热敏电阻的线性度极差，和生产工艺有很大关系厂家给不出标准化的热敏电阻曲线

热敏电阻尺寸非常小，对温度变化反应迅速但热敏电阻需要使用电流源，其体积小也使其对自热误差极其敏感

热敏电阻测量两条线上的绝对温度，准确度好，但比热电偶贵，可测温度范围比热电偶小它非常适合需要快速，灵敏温度测量的电流控制应用小尺寸有利于有空间要求的应用，但必须注意防止自热误差

热敏电阻也有自己的测量技巧热敏电阻的小尺寸是一个优点可以快速稳定，不会造成热负荷不过也很弱，大电流会引起自热由于热敏电阻是一种电阻器件，任何电流源都会因功率而在其上产生热量因此，应使用小电流源如果热敏电阻暴露在高温下，会造成永久性损坏

热电偶传感器

热电偶由两根不同材料的金属丝组成，它们的末端焊接在一起当热电偶的一端被加热时，热电偶电路中存在电位差测得的电势差可以用来计算温度因为它必须有两个不同材料的导体，所以叫热电偶不同材料的热电偶用于不同的温度范围，其灵敏度也不同热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时输出电位差的变化对于大多数由金属材料支撑的热电偶来说，这个值大约为5 ~ 40微伏/℃

因为热电偶温度传感器的灵敏度与材料的厚度无关，所以可以用很细的材料制作由于制作热电偶的金属材料具有良好的延展性，这种微小的测温元件具有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程

热电偶是温度测量中最常用的温度传感器它的主要优点是温度范围宽，适应各种大气环境，坚固，价格低廉，不需要电源，最便宜热电偶是最简单，最常见的温度传感器，但不适合高精度测量和应用

湿度传感器的类型

湿度传感器分为两种:电阻式和电容式。

耐湿性的特征在于用湿敏材料制成的薄膜覆盖基底当空气中的水蒸气吸附在湿敏薄膜上时，元件的电阻率和电阻就会发生变化利用这一特性可以测量湿度

湿式电容器一般采用高分子薄膜电容器，常用的高分子材料有聚苯乙烯，聚酰亚胺，丁酸醋酸纤维等当环境湿度变化时，湿敏电容的介电常数发生变化，使得其电容也发生变化，其电容变化与相对湿度成正比

常见的湿度测量方法有:动态法，静态法，露点法，干湿球法和各种电子传感器法。

动力计量

这里的双压法和双温法是基于热力学的P，V，T平衡原理，平衡时间长分流法基于绝对湿度和绝对干燥空气的精确混合由于采用了现代测量和控制手段，这些设备可以做得相当精确但由于它们复杂，成本高，操作费时费力，主要用于标准测量，测量精度可达2% RH至1.5% RH

静态测量

静态法中的饱和盐法是湿度测量中最常用的方法，简单易行而饱和盐法对液相和气相平衡要求严格，对环境温度的稳定性要求高起床平衡需要很长时间，低湿点需要更长时间尤其是室内湿度和瓶内湿度相差较大时，每次打开都需要平衡6~8小时

露点测量

露点法测量的是湿空气达到饱和时的温度，这是热力学的直接结果它具有较高的精度和较宽的测量范围精密露点仪的精度可以达到0.2℃甚至更高可是，基于现代光电原理的冷镜露点仪价格昂贵，而且常常要配一个标准的湿度发生器

干湿测量

干湿球法，发明于18世纪它历史悠久，使用最广泛干湿球法是一种间接法，利用干湿球方程来换算湿度值，而这个方程是有条件的:即湿球附近的风速必须达到2.5m/s以上，这个条件用普通的干湿球温度计来简化，所以其精度只有5~7% RH，明显低于电子湿度传感器很明显，干湿球不是一个静态的方法，所以不要简单的认为仅仅提高两个温度计的测量精度就意味着提高湿度计的测量精度

电子湿度传感器

电子湿度传感器的精度可以达到2—3% RH，高于干湿球的精度。

湿度传感器的线性度和抗污染能力差测量环境湿度时，湿度传感器会长期暴露在待测环境中，容易被污染，影响其测量精度和长期稳定性这不如干湿球法

温湿度传感器的选择

按照以下注意事项选择温度和湿度传感器:

①选择测量范围。

就像测量重量和温度一样，湿度传感器的选择首先要确定测量范围除气象和科研部门外，温湿度测控一般不需要全湿程测量

②选择测量精度。

测量精度是湿度传感器最重要的指标，对于湿度传感器来说，每增加—个百分点就是更高的水平，甚至更高的水平因为要达到不同的精度，它的制造成本差别很大，售价也差别很大所以用户一定要量体裁衣，适合自己的需求，不能盲目追求高，精，尖如果湿度传感器在不同温度下使用，其指示值还应考虑温度漂移的影响

众所周知，相对湿度是温度的函数，温度严重影响指定空间的相对湿度温度每变化0.1℃将产生0.5% RH的湿度变化如果在使用中难以保持恒温，则不宜提出过高的湿度测量精度大多数情况下，如果没有精确的控温手段，或者被测空间未密封，5% RH的精度就足够了

对于需要精确控制恒温恒湿的局部空间，或需要随时跟踪记录湿度变化的地方，应选择精度大于3% RH的湿度传感器但如果精度高于2% RH，恐怕连校准传感器的标准湿度发生器都做不到，更别说传感器本身了即使在20—25℃，相对湿度测量仪也很难达到2% RH的精度通常，产品数据中给出的特性是在常温和洁净气体中测量的

③考虑时间漂移和温度漂移。

在实际使用中，由于灰尘，油污，有害气体的影响，电子式湿度变送器使用时间长了会老化，准确度下降电子湿度传感器的年漂移一般在2%左右，甚至更高一般厂家会注明一次校准的有效使用时间为1年或2年，到期需要重新校准

④其他注意事项

湿度传感器是气密的为保护测量的准确性和稳定性，应避免在酸性，碱性和含有机溶剂的环境中进行避免在多尘的环境中使用

为了正确反映待测空间的湿度，还需要避免将传感器放置在过于靠近墙壁或空气不流通的死角如果被测房间太大，要放置多个传感器

有些湿度传感器对电源要求较高，否则会影响测量精度或者传感器可能相互干扰，甚至无法工作使用时，应根据技术要求提供符合精度要求的合适电源

当传感器需要远距离传输信号时，要注意信号的衰减当传输距离超过200米时，建议选用电流输出信号的湿度传感器

未来温湿度传感器市场，尤其是消费电子和物联网领域，前景广阔体积小，功耗低，成本低，集成度高的IC半导体温湿度传感器产品将得到广泛应用