1、项目三项目三湿度检测传感器湿度检测传感器项目目标项目目标（1）理解毛发湿度计、干湿球湿度计的工作原理，了解其应用（2）理解阻抗式湿度计的工作原理，了解其应用（3）理解红外线湿度传感器的工作原理，了解其应用任务一任务一 干湿球湿度计检测湿度干湿球湿度计检测湿度 情景引入 大家在春天和秋天会感觉皮肤特别干燥，下雨或下雪时又感觉特别潮湿，这两种湿度状态下人体都会感觉不舒服。这是因为人体感觉舒适的空气相对湿度为40%65%RH。对于这个湿度值是怎么检测出来的，你知道吗？图 3-1 是我们常见的湿度表和专业测量湿度用仪表。在本任务中，通过对干湿球温度计的参数和原理学习后，利用干湿球湿度计来检测室内的相对
2、湿度。任务描述任务描述（1）理解干湿球湿度计的工作原理（2）能够对照相对湿度表计算相对湿度任务目标任务目标相关知识相关知识1 湿度基本概念湿度是指物质中所含水分的量，狭义湿度是指空气中水蒸气的含量。可以使用湿度传感器来测量，它有绝对湿度和相对湿度两种表示方法。绝对湿度指气体中水蒸汽的绝对含量，最常用的单位是 g/m（克3/米 3）。相对湿度指气体中水蒸汽的绝对含量与同样温度、压力时同体积气体中饱和水蒸汽含量之比，常用符号为%R.H.。2 湿度传感器湿度传感器是将环境湿度转换为电信号的装置。湿度传感器种类繁多，有多种分类方式。见表 3-1 湿度传感器分类表。3湿度的表示方法通常情况下湿度可以用绝
3、对湿度和相对湿度来表示。绝对湿度：表示单位体积空气里所含水汽的质量。相对湿度：是气体的绝对湿度与在同一温度下，水蒸气已达到饱和的气体的绝对湿度之比，表示为%RH露点：在一定温度下，气体所容纳的水蒸气含量超过某限量时，多余的水从气态变为液态的现象称为结露。把在水气冷却过程中最初发生结露时的温度称为露点，其单位采用。露点是在测量气体湿度时常用的一个名词。4 湿度检测传感器主要参数1）湿度量程：湿度传感器能够比较精确测量相对湿度的最大范围。湿度的全量程为 0%100%RH 为最好。全湿型适应于相对湿度 0%100%RH 的场合，高湿型适应于相对湿度大于 70%RH 的场合，低湿型适应于相对湿度小于
4、40%RH 的场合。2）相对湿度特性曲线：湿度传感器的感湿特征量随环境湿度变化的规律，常用相对湿度的关系曲线来表示，如图 3-2 所示。需要特别注意的是：有的湿度传感器的电阻值随湿度的增大而增大，称为正特性湿度传感器；有的湿度传感器的电阻值随湿度的增大而减小，称为负特性湿度传感器3）灵敏度：湿度传感器的感湿特征量随相对湿度变化的程度，即在某一相对湿度范围内，相对湿度改变 1%RH 时，湿度传感器的感湿特征量的变化值。4）温度系数：湿度传感器的感湿特性曲线随环境温度变化而变化的特性参数，即湿度传感器在感湿特征量恒定的条件下，相对湿度变化量与温度变化量之比。5）响应时间：在一定环境温度下，当环境湿
5、度改变时，湿度传感器完成吸湿过程或脱湿过程所需要的时间。6）湿滞特性：在吸湿和脱湿时两种感湿特性曲线形成的环形线，称湿滞回线，湿度传感器的这一特性称湿滞特性，如图 3-3 所示。5.湿度传感器测量方法目前湿度测量方案最主要的有两种：干湿球测湿法，电子式湿度传感器测湿法。（1）干湿球测湿法的维护相当简单，在实际使用中，只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可。干湿球测湿法不会产生老化，精度下降等问题，所以干湿球测湿方法更适合于在高温及恶劣环境的场合使用。（2）电子式湿度传感器是近些年迅速发展起来的，湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发生器来逐支标定，电子式湿度传感器的准确度可以达到 2%3
6、%RH，适合于在洁净及常温的场合使用。在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器年漂移量一般都在 2%左右，甚至更高。一般情况下，生产厂商会标明 1 次标定的有效使用时间为 1 年或 2 年，到期需重新标定。6湿度传感器的选用原则及使用注意（1）选用湿度传感器是主要考虑两个因素，测量范围和测量精度。1）选择湿度传感器首先要确定测量范围。除了气象、科研部门外，搞温、湿度测控的一般不需要全湿程(0100 RH)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，因为要达到不同的精度，其制造成本相差很大，售价也相差甚远。所以选用时应该适当，不宜
7、盲目追求高精度。3）不同温度下使用湿度传感器，其示值还要考虑温度漂移的影响。温度严重地影响着指定空间内的相对湿度。温度每变化 0.1。将产生 0.5 RH 的湿度变化(误差)。使用场合如果难以做到恒温，则对湿度传感器的精度要求也不宜过高。通常产品资料中给出的特性是在常温(20 10)和洁净的气体中测量的。（2）使用注意事项1）为保护测量的准确度和稳定性，应尽量避免在酸性、碱性、含有机溶剂及粉尘较大的环境中使用。2）为正确反映欲测空间的湿度，还应避免将传感器安放在离墙壁太近或空气不流通的死角处。3）使用时应按照技术要求提供合适的、符合精度要求的供电电源。4）传感器需要进行远距离信号传输时，要注意
8、信号的衰减问题。当传输距离超过 200m 以上时，建议选用频率输出信号的湿度传感器。7干湿球湿度计干湿球湿度计（1）干湿球湿度计组成干湿球湿度计是一种测定气温、湿度的仪器。它由两支相同的普通温度计组成，一支探头直接露在空气中用于测定气温，称干球温度计；另一支在球部用蒸流水浸湿的纱布包住，纱布下端浸入蒸流水中，在一定风速下，湿球外边的湿纱布的水分蒸发带走湿球温度计探头上的热量，使其温度低于环境空气的温度，称湿球温度计。其结构图如图 3-4 所示。（2）干湿球湿度计工作原理在同一温度下，空气中的相对湿度越小，湿棉纱布中的水分蒸发越快，吸收热量就越多，温度下降得越多，湿度球温度计的读数就越小，干、湿
9、球温度计的温差越大；空气中的相对湿度越大，湿绵纱布中的水分蒸发越慢，吸收的热量就越少，温度下降得少，湿度球温度计的读数就越大，干、湿球温度计的温差越小。干湿球湿度计测量湿度是 18 世纪就发明的测湿方法，历史悠久，使用最普遍，它用干湿球方程换算出湿度值，而此方程是有条件的：即在湿球附近的风速必须达到 2.5m/s 以上。普通用的干湿球温度计将此条件简化了，所以其准确度只有 57%RH。（3）干湿球湿度计使用方法分别读出干球和湿球的温度，再对比干湿球相对湿度表查出相对湿度。干湿球相对湿度表请参考课本表 3-2 所示。（4）干湿球湿度计的特点优点：干湿球湿度计的维护相当简单，在实际使用中，只需定期
10、给湿球加水及更换湿球纱布即可。与其它湿度传感器相比，干湿球测湿法不会产生老化，精度下降等问题。因此干湿球湿度计检测湿度更适合于在高温及恶劣环境的场合使用。缺点：精度较低，不适合应用于要求精度较高的场合；干湿度球湿度计必须处于通风状态：只有纱布水套、水质、风速都满足一定要求时，才能达到规定的准确度。干湿球湿度计的准确度只有 5%7%RH。（5）干湿球湿度计的维护必须注意保持干湿球温度表的正常状态。如发现温度表内刻度磁板破损,毛细管内有水银滴、黑色沉淀的氧化物或水银柱中断等情况，应同时更换、报废。干球温度表应经常保持清洁、干燥。观测前巡视设备和仪器时，如发现干球上有灰尘或水，须立即用干净的软布轻轻
11、拭去。湿球纱布必须经常保持清洁、柔软和湿润，一般应每周换一次。遇有沙尘等天气，湿球纱布上明显沾有灰尘时，应立即更换。在海岛、矿区或烟尘多的地方，湿球纱布容易被盐、油、烟尘等污染，应缩短更换纱布的期限。水杯中的蒸馏水要时常添满，保持洁净，一般每周更换一次。任务实施任务实施检查材料清单并自制一个简单干湿球湿度计活动活动1用自制的干湿球湿度计和MC湿度计测量环境湿度并作比较活动活动2（1）材料清单材料清单请参考课本表-.（2）简单自制干湿球湿度计1）在小木板的底板中心，安装一个温度表支架，将干、湿球温度表垂直悬挂在支架两侧。球部向下，干球在右，湿球在左，球部中心距地面 1.5m 高。如图 3-6 所
12、示。2）在湿球温度表球部包扎一条纱布，纱布的下部浸到一个带盖的水杯内。杯口距湿球球部 3cm，杯中盛蒸馏水（医用蒸馏水），供湿润湿球纱布用。如图 3-7 所示。（3）进行湿度测量1）分别使用自制干湿球湿度计和 MC 干湿球湿度计进行测量，将两个湿度计放置在相同的通风环境中。2）用电吹风给环境逐渐加温，观察干球温度计的温度，对应课本中表 3-4 中给出的温度值测量湿球温度计值，并记录。3）查表得相对湿度值，对比自制湿度计与 MC 湿度计的湿度值，分析异同。任务二任务二 电阻式湿度传感器检测湿度电阻式湿度传感器检测湿度 情景引入自动灌溉已经在很多方面开始应用，例如草地自动浇水、花房自动浇水、温湿大
13、棚自动浇水等，如图 3-8 所示。那么自动灌溉系统是怎么知道什么时候需要浇水的呢？本任务中通过对电阻式湿度传感器工作原理、检测电路的学习，能够使用电阻式湿度传感器检测花房湿度。任务描述任务描述（1）理解电阻式湿度传感器工作原理。（2）了解电阻式湿度传感器常用检测电路（3）能够运用电阻式湿度传感器进行湿度检测任务目标任务目标相关知识相关知识1电阻式湿度传感器电阻式湿度传感器是利用湿敏元件的电气特性（如电阻值），随湿度的变化而变化的原理进行湿度测量的传感器，电阻式湿度传感器应当最适用于湿度控制领域。电阻式湿度传感器是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率
14、和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。如图 3-9 是金属氧化物烧结而成的陶瓷湿度传感器内部结构图。（1）陶瓷湿度传感器湿度特性1）感湿特性：如图 3-10（a）所示是陶瓷湿度传感器的湿度特性，可知有两种不同的感湿材料，I 型材料在低湿领域敏感度高，II 型材料则成线性变化。由图可以看出，陶瓷材料湿度传感器的感湿范围涵盖了 1 RH 的低湿度到 100RH 的高湿度。4 湿度检测传感器主要参数1）湿度量程：湿度传感器能够比较精确测量相对湿度的最大范围。湿度的全量程为 0%100%RH 为最好。全湿型适应于相对湿度 0%100%RH 的场合，高湿型适应于相对湿度大于 70%RH 的场合，
15、低湿型适应于相对湿度小于 40%RH 的场合。2）相对湿度特性曲线：湿度传感器的感湿特征量随环境湿度变化的规律，常用相对湿度的关系曲线来表示，如图 3-2 所示。2）反应速度：一般陶瓷湿度传感器有反应速度慢的缺点。因此为改善其反应速度，必须有 1m 以下的吸湿细孔，其气孔率约为 25 40，使其成为大表面积多孔质瓷器，瓷器厚度必须小到 200250m。如图 3-10（b）所示为陶瓷湿度传感器吸湿脱湿的反应速度特性。2电阻式湿度传感器的种类目前比较成熟的电阻式湿度检测传感器见表 3-6。3.AM1001 湿度传感器AM1001 湿度模块，是将相对湿度传感器与电路一体化集成的产品。模块的供给电压为
16、直流电压，相对湿度通过电压输出进行计算。AM1001 湿度传感器实物图如图 3-11 所示。AM1001 的特点是低功耗、小体积、线性输出、可靠性高、使用方便、价格低廉。AM1001 的应用范围较广，包括空调、加湿器、除湿机、通信、大气环境监测、工业过程控制、农业、测量仪表等领域。注：AM1001 是只测量湿度的传感器，而 AMT1001 是温湿一体型的传感器，也是四个引脚，1-3 引脚与 AM1001 定义相同，而第 4 引脚则接 NTC10K 热敏电阻，在使用时请注意。任务实施任务实施对应课本检查材料清单并搭建电路活动活动1测量环境湿度活动活动2（1）材料清单材料清单请参考课本表-.（2）
17、绘制系统框图分析控制电路，绘制花房湿度控制系统框图。将湿度传感器测量电路测出的物理量与设定值进行比较，若测出的湿度小于设定值，则系统驱动花房加湿电路对花房浇水，系统框图见图 3-14。（3）操作步骤任务三任务三 电容式湿度传感器检测湿度电容式湿度传感器检测湿度 情景引入农民在向粮食收购单位交售小麦、稻谷、玉米、大豆等粒状粮食时，粮食收购单位对粮食的湿度(含水量)有一定要求。农产品收购中常遇到这样的问题：湿度太大的农产品会被据收，因为湿度太大容易发霉。那怎么样才能知道收购的农产品是合格的呢，这就需要使用湿度检测器来对农产品的湿度进行检测，如图3-16 所示。本次任务是使用电容式湿度传感器搭建一个
18、简单的农产品湿度检测器，能快速、直观地检测出粮食的湿度是否符合粮食收购的要求。任务描述任务描述（1）理解电容式湿度传感器工作原理；（2）了解电容式湿度传感器常用检测电路。（3）能够使用电容式湿度传感器检测湿度任务目标任务目标相关知识相关知识1电容式湿度传感器电容式湿度传感器是由湿敏电容和转换电路组成的。如图 3-17 所示，湿敏电容由玻璃底衬、下电极、湿敏材料、上电极几部分组成。湿敏材料是一种高分子聚合物，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。它的介电常数随着环境的湿度变化而变化。当环境湿度发生变化时，湿敏元件的电容量随之发生改变，即当湿度增大时，湿敏电容量随之增大，反之减小（
19、电容量通常在 48 56pf 间）。2.电容式湿度传感器分类电容器传感器的三种基本结构形式。（1）变极距型电容式传感器：由一个固定极板和一个可动极板构成，可动极板由被测金属平面充当。当电容式传感器极板间距因被测量变化而变化时，电容变化量为极距是时的初始电容量。这种类型的传感器一般用来测量微小的位移变化量。但在极板间距过小时，电极表面的平面度对灵敏应有影响，同时还容易引起电容器击穿。（2）变面积(s)型电容式传感器：平板形结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响，而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际应用中最常用结构。（3）变介电常数(e)型电容式传感器：主要用来测量电介质的厚度、液位，
20、还可根据极间的介电常数随温度、湿度改变的特性来测量介质材料的温度、湿度等。应该注意的是，如果电极之间的被测介质导电时，在电极表面应涂覆绝缘层，以防止电极间短路。3.HS1101 电容式湿度传感器目前，市场上比较常见的电容式湿度传感器有 Humirlel 公司、飞利浦公司、西门子公司生产的产品。下面来介绍常用的电容式湿度传感器 HS1101 湿度传感器，HS1101 湿度传感器是由法国 Humirel 公司生产的，其主要参数见表 3-13 所示。HS1101 常用湿度检测电路如图 3-20 所示。图中 HS1101 符号用电容符号表示，湿度传感器 HS1101 的输出端接 555 电路的第 6
21、引脚，HS1101 的另一端接地。当变化外界环境湿度时，HS1101 的电容量发生变化，电容信号输入到 555电路的输入端，由 555 振荡电路将变化的电容值转换成与之成反比的频率信号直接输出。例如，当 HS1101 的电容量是 170pF 时，输出频率为 7110Hz，查阅 HS1101湿度对照表 3-14 可以查到此时外界环境相对湿度是 20%RH。电路分析：HS1101 检测电路主要由四部分组成。1）湿度检测电路：主要由湿度检测传感器 HS1101 组成。2）湿度指示电路：由电阻器 R4、频率计（在实际电路连接中频率计的 CE 引脚和 RST 引脚悬空）组成。3）电源电路：由+5V 电源组成。4）多谐振荡电路：由 555 电路、R1、R2、R3 组成。变化的环境湿度使湿度传感器电容量发生变化，从而使多谐振荡器的振荡频率发生变化，这个变化通过频率计显示出来。环境湿度越大，湿度传感器的电容量也越大，频率计的输出值越小。任务实施任务实施对应课本检查材料清单并搭建电路活动活动1测量环境湿度活动活动2（1）材料清单材料清单请参考课本表-.（2）操作步骤1）按照如图 3-20 所示电路连接实际电路图，该电路由湿度检测电路、多谐振荡器、湿度指示电路和电源电路组成。2）使用加湿器模拟农作物不同湿度，给湿度检测传感器附近环境逐渐加湿，测量对应的电容值，并记录频率计的输出频率值。
