温度.湿度.露点测试器(湿度传感器：工作、类型、应用和Arduino指南)

Posted 2023-06-01

篇首语：学习知识要善于思考，思考，再思。我就是靠这个方法成为科学家的。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了温度.湿度.露点测试器(湿度传感器：工作、类型、应用和Arduino指南)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

温度.湿度.露点测试器(湿度传感器：工作、类型、应用和Arduino指南)

介绍

这个湿度传感器是测量相对湿度、绝对湿度或露点的传感器。目前，这类传感器得到了广泛的应用，并逐渐朝着耐环境、寿命长、价格低廉的方向发展。

本文将介绍湿度传感器的工作原理、类型、分类、应用，以及实时温湿度监测仪Arduino教程。此外，还包括一些基本知识，如相对湿度和绝对湿度的计算。别再浪费时间了！

湿度传感器是测量相对湿度、绝对湿度或露点的传感器。目前，这类传感器得到了广泛的应用，并逐渐朝着耐环境、寿命长、价格低廉的方向发展。

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目录

一、湿度传感器如何工作？

1.1湿度

在学习湿度传感器之前，让我们先看看湿度是多少。

湿度，表示空气干燥程度的物理量。在一定温度下，一定体积的空气中所含的水蒸气越少，空气越干燥；水蒸气越多，空气就越潮湿。空气湿度的程度称为“湿度”。在这个意义上，它通常用物理量来表示，如绝对湿度、相对湿度、相对湿度、混合比、饱和差和露点；如果它代表湿蒸汽中的水蒸气重量占蒸汽总重量（体积）的百分比，则称为蒸汽湿度。人体感到舒适的湿度是：相对湿度低于70%。所以问题又来了，相对湿度是多少？

图1。湿度是多少？

1.2绝对湿度和相对湿度

空气的干燥程度和湿度，或表示其含有多少水蒸气的物理量，称为湿度。单位体积空气中所含的水蒸气质量称为绝对湿度。由于水蒸气密度难以直接测量，通常用水蒸气压力来表示。空气的绝对湿度并不决定地面上水汽的速度和对湿度的感知。人们把空气在一定温度下的绝对湿度和在同一温度下饱和空气压力的百分比称为相对湿度。

更具体地说，绝对湿度是指一定体积的空气中所含的水蒸气的质量，其单位一般为g/m3。最大绝对湿度是最大湿度欠饱和。绝对湿度只与温度一起有意义，因为空气中可容纳的湿度随温度而变化，而绝对湿度在不同温度下也不同，因为空气的体积也随温度而变化。但绝对湿度越接近最高湿度，其随温度的变化越小。

绝对湿度计算公式如下：

这些符号是：

e-蒸汽压，单位为帕斯卡（Pa）

-水的气体常数=461.52J/（kg K）T-温度，单位为开尔文（K）

m——溶解在空气中的水的质量，单位为千克（kg）

V——空气体积，单位为立方米（m）。

相对湿度（RH）

湿度计记录相对湿度。相对湿度是绝对湿度和最大湿度的比值。它的值显示了水蒸气的饱和度有多高。相对湿度为100%的空气为饱和空气。相对湿度为50%的空气所含的水蒸气达到相同温度下空气饱和点的一半。空气中相对湿度超过100%的水蒸气通常会凝结。

随着温度的升高，空气中含有更多的水，也就是说，在相同的水蒸气量下，温度升高时，空气中的相对湿度会降低。因此，在提供相对湿度的同时，还必须提供温度数据。露点也可以根据相对湿度和温度来计算。

以下是计算相对湿度的公式：

这些符号是：

ρw——绝对湿度，单位为克/立方米

ρw，最大湿度，单位为g/m3

e—水蒸气压力，单位为帕斯卡

E—饱和蒸气压，单位为帕斯卡

s—比湿度，单位为克/千克

S—最高比湿度，单位为克/千克

1.3湿度传感器的工作原理

通常，湿度传感器使用以下四种方法来检测湿度或冷凝：

（1） 测量湿敏材料的吸湿、分离或冷凝引起的电阻抗或电容变化。

（2） 测量湿度变化引起的气体热导率差异。

（3） 测量由于湿度或冷凝的变化而引起的晶体振动器共振频率的变化。

（4） 测量因湿度变化而通过水滴的α射线引起的衰减、光吸收和反射。

例如，湿敏电阻器的特性是在基板上覆盖由湿敏材料制成的薄膜。当空气中的水蒸气吸附在湿敏膜上时，元件的电阻率和电阻值会发生变化。一个特性可以测量湿度。

图2。聚合物薄膜湿度传感器的工作原理

二、湿度传感器的分类和常见类型

2.1分类

目前，市场上的湿度传感器有很多种类型。它们大致分为使用的温度和湿度范围，如下表所示。

在上面，我们介绍了四种检测湿度或冷凝的方法。这些测量方法必须根据不同的测试环境进行选择。市场上最常用的测量方法是第一种，因为它的测量和信号选择方法非常简单和廉价。按其制造材料的不同可分为以下六类：

（1） 电解质，如氯化锂。

（2） 半导体材料，如硒和锗。

（3） MgCr2O4、ZnCr2O4、TiO2、SnO2等金属氧化物熔融产物。

（4） 多孔金属氧化物薄膜，如氧化铝。

（5） 一种将导电粉末分散在聚合物材料（如尼龙）中制成的材料。

（6） 有机或无机聚合物电解质膜。

由湿敏材料制成的传感器大致可分为7大类：

（1） 电解液湿度传感器

（2） 聚合物湿度传感器

（3） 陶瓷湿度传感器

（4） 晶体振荡器湿度传感器

（5） 半导体湿度传感器

（6） 厚膜湿度传感器

（7） 冷凝湿度传感器

2.2电阻式和电容式湿度传感器的比较

（1） 电阻式湿度传感器

电阻式湿度传感器是利用湿度传感器的电气特性（如电阻值）随湿度变化来测量湿度的传感器。湿度传感器一般是浸入带有吸湿性物质的绝缘材料中，或通过蒸发，通过涂层等工艺制备出一层金属、半导体、聚合物薄膜和粉末状颗粒。

在湿敏元件的吸湿除湿过程中，水分子分解的离子H的传导状态发生变化，使元件的电阻值随湿度变化。

图3。电阻式湿度传感器

优势

1） 与电容式相比，结构更简单，更容易实现批量生产和价格低廉。

2） 不需要像电容式传感器那样考虑引线之间的容量，因此传感器可以随意拉伸，具有更大的设计自由度。

3） 由于特性是对数变化（变化程度较大），所以湿度变化对电阻变化较小。（以这一点为例，电极的偏差对特性的影响程度很小，不稳定性也很小，即使有微小的变化，转换成湿度也很难表现出来。）

缺点

1） 温度特性比电容式（0.5%rh/℃）大，通常需要温度补偿。

2） 由于特性是对数变化，如果不处理对数转换，则无法获得线性特性。

3） 由于电阻高，低湿度范围难以检测。（大约20%的相对湿度是限制）此外，它很容易受到干扰的影响。

（2） 电容式湿度传感器

电容式湿度传感器是湿度传感器中常用的仪器。它以聚合物湿敏电容器为基本湿敏元件，采用单片机对测量结果进行分析、处理、显示和远程传输。测量精度为±2.5%。

电容式湿度传感器主要由玻璃基板、下电极、湿敏材料和上电极组成。两个下电极与湿敏材料和上电极形成的两个电容串联。湿敏材料是介电常数随环境相对湿度变化的高分子聚合物。

当环境湿度变化时，湿度传感器的电容随之变化，即相对湿度增加时，湿敏电容增大，反之亦然（电容通常在48～56 pf之间）。传感器的转换电路将湿敏电容变化转换为电压变化，对应于相对湿度从0到100%RH的变化，传感器的输出从0到1v线性变化。

图4。电容式土壤水分传感器

优势

1） 一般来说，从0%rh开始，可以检测到低湿度。

2） 电容值相对接近线性，无需对数变化。

3） 温度特性比电阻式小（约0.05～0.1%rh/℃），一般不需要温度补偿。

4） 为了提高电容值，将该结构制成薄膜，并且有更多的产品比电阻型具有更快的响应速度。

劣势

1） 如果用导线延长传感器，电容值会发生变化，因此不适合单独伸出传感器。另外，如果将其组装到装置中，很难通过引线改变位置，因此设计自由度很小。

2） 变化量相对较小，但电容量的微小变化会引起较大误差。因此，廉价的传感器有很大的偏差。（用于测量的传感器也具有非常高的精度，但这些估计公式已经过处理。）

3） 事实上，变化的数量很小，可以从依赖性的角度说。但是电容的微小变化会产生很大的误差。因此，可靠性差的传感器会有较大的湿度变化。

4） 虽然变化量很小，但是其他电路部件的偏差和温度特性会有较大的影响，所以在选择电路部件时要小心。

2.3应用较多的四种湿度传感器

（1） 氯化锂湿度传感器

● 电阻式氯化锂湿度计

某些金属盐（如氯化锂LiCI）在空气中具有很强的吸湿性，其吸湿性是空气相对湿度的一定函数，即空气中的相对湿度越大，氯化锂吸收的水分越多。同时，氯化锂的电导率，即电阻率的大小随吸湿量的变化而变化，吸水越多，电阻率越小，反之亦然。

因此，可以根据氯化锂电阻率的变化来确定空气的相对湿度。氯化锂电阻湿度计是利用氯化锂吸收水分后电阻率变化的特性制成的一种湿度计。

美国标准局F.W.Dunmore研制了第一台基于电阻-湿度特性原理的氯化锂电湿度传感器。这种元件具有精度高、结构简单、价格低廉、适用于常温湿度测量和控制等一系列优点。

● 氯化锂露点湿度计

露点氯化锂湿度计最早由美国Forboro公司开发。这种湿度计与上述电阻式氯化锂湿度计类似，但其工作原理完全不同。简言之，它利用氯化锂饱和水溶液的饱和蒸汽压与温度作用。

（2） 碳湿度传感器

碳湿度传感器是1942年由埃克卡弗和克布雷塞菲尔德在美国首次提出的。与头发、套管、氯化锂等常用探测元件相比，碳湿度传感器响应速度快，重复性好，无腐蚀效应、磁滞环窄等优点引人注目。碳湿度传感器的测量不确定度不超过±5%RH，正温下时间常数为2～3s，滞后一般在7%左右，比电阻稳定性也较好。

（3） 氧化铝湿度计

氧化铝传感器的突出优点是体积小（如探空仪使用的湿度传感器厚度仅为90μm，重量为12mg），灵敏度高（测量下限可达-110℃露点），响应速度快（一般为0.3s～3s），测量信号直接以电参数的形式输出，大大简化了数据处理程序等。此外，它也适用于测量液体中的水分。

（4） 陶瓷湿度传感器

陶瓷湿度传感器又称金属氧化物湿度传感器，因为其湿敏材料是由金属氧化物粉末经压力成型烧结而成的陶瓷。由于烧结程度的不同，可以得到许多多孔物体，水蒸气会吸附在多孔表面形成吸附层，吸附层中的氢离子由于水蒸气的粘附而形成电流载体。当湿度较高时，附着在吸附层上的水蒸气容易流动。陶瓷湿度传感器利用这种特性将湿度变化转化为阻抗值变化的输出。

图5。热净化型陶瓷湿度传感器

2.4常用湿度传感器型号

目前生产集成式湿度传感器的主要厂家和典型产品有霍尼韦尔（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610）、恒湿胶（HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223）、Sensiron（SHT11、SHT15）型）。这些产品可分为以下四类：

线性电压输出集成湿度传感器

典型产品有HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特点是采用恒压电源，内置放大电路，能输出与相对湿度成正比的电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。

线性频率输出集成湿度传感器

典型的产品是HF3223型。它采用模块化结构，是一种频率输出集成式湿度传感器。输出频率为8750Hz（型号值），相对湿度为55%。当相对湿度从10%变化到95%时，输出频率从9560Hz降低到8030Hz。这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、易于与数字电路或单片机配套、价格低廉等优点。

频率/温度输出集成湿度传感器

典型的产品是HTF3223。除了HF3223的功能外，还增加了温度信号输出端子，并采用负温度系数（NTC）热敏电阻作为温度传感器。当环境温度变化时，电阻值相应变化，并从NTC端子引出，温度值可以用二次仪表测量。

单片机智能温湿度传感器

2002年，Sensiron率先在世界上成功开发了SHT11和SHT15智能湿度/温度传感器。外形尺寸仅为7.6（毫米）×5（毫米）×2.5（毫米），尺寸与火柴头相似。出厂前，每个传感器都在温度室内进行了精度标准化，标准系数被编译成相应的程序并存储在校准存储器中。

相对湿度可在测量过程中自动校准。它们不仅可以精确测量相对温度，还可以测量温度和露点。相对温度的测量范围为0-100%，分辨率可达0.03%RH，最高精度为±2%RH。测量温度范围为-40℃～+123.8℃，分辨率为0.01℃。露点测量准确度<±1℃。在测量湿度和温度时，A/D转换器的数字可分别达到12位和14位。

采用降低分辨率的方法可以提高测量速率，降低芯片功耗。SHT11/15产品互换性好，响应速度快，抗干扰能力强，不需要外部元件，适应各种单片机，可广泛应用于医疗设备和温湿度调节系统。

图6。HTS221电容式数字湿度传感器

三、湿度传感器的应用

3.1典型用途

任何行业的工作都离不开空气，空气的湿度直接关系到工作、生活、生产，因此对湿度的监测和控制越来越重要。湿度传感器的主要应用如下：

（1） 气候监测

气象测量预报对工农业生产、军事和人民生活以及科学实验都具有重要意义。因此，湿度传感器是必不可少的湿度测量设备。已在气象传感器中使用，如气球湿度测量仪。打开。

（2） 温室育种

现代农林牧业有相当数量的温室。温室的湿度控制和温度控制一样重要。把湿度控制在适合农作物、树木、畜禽生长的适宜范围内，是减少病虫害、提高产量的条件之一。

（3） 工业生产

在纺织、电子、精密机械、陶瓷等行业，空气湿度直接影响产品的质量和产量，必须进行有效的监测和调控。

（4） 货物储存

各种物品对环境有一定的适应性。如果湿度过高或过低，产品将失去原有性能。例如，在高湿度地区，电子产品在仓库中损坏严重，非金属零件会发霉，金属零件会腐蚀生锈。

（5） 精密仪器的使用保护

许多精密仪器设备对工作环境有更高的要求。环境湿度必须控制在一定范围内，以保证其正常工作，提高工作效率和可靠性。例如，电话程控交换机的工作湿度最好为55%±10%。温度过高会影响绝缘性能，过低容易产生静电，影响正常运行。

3.2应用领域

（1） 湿度测量系统

● 当温度低于70°C（通常高于-40°C）时，如果环境清洁，使用聚合物传感器，对于严重污染使用陶瓷传感器（加热清洁再生型）。由于其加热和清洗过程，无法连续测量，消耗大量能量（1-10W）。不过，它寿命长，在使用过程中可以选择加热清洗周期较长的传感器，比如氯磷灰石陶瓷传感器，每2到3个月清洗一次。此外，内部加热型比外部加热型消耗更少的能量。

● 在70～100℃范围内测量湿度，采用陶瓷传感器加热清洗，并进行线性和温度补偿，以提高精度。为了达到更高的精度，需要一台微型计算机。在高温高湿环境下，需要经常加热和清洁。例如，当相对湿度超过80%时，需要30秒清洗一次。最好配备自动加热清洗装置。

● 在100～150℃范围内测量湿度。在世界范围内，陶瓷湿度传感器主要用于制作高温湿度计。

（2） 工业过程自动控制

为了提高产品质量和节能降耗，陶瓷湿度传感器通常用于磁头加工厂的产品干燥系统、反应器湿度控制、锅炉水蒸气泄漏检测、集成电路或空调等控制；各种空调系统、医疗系统的湿度控制可采用高分子或陶瓷湿度传感器进行。

（3） 蒸汽检漏系统

在火力发电站、核电站、蒸汽机车、锅炉等高温高压设备中，为防止煤气泄漏，防止人身事故，可采用湿度传感器进行泄漏检测。

（4） 其他系统

在家用电器中，湿度传感器可用于加湿器、除湿器、空调器、酒柜、干衣机等的湿度测量。

四、Arduino进入项目：实时温湿度检测仪

4.1硬件准备

Arduino

温湿度传感器

一块PCF8574T转接板

1602 LCD一块

一块试验板

多条连接线

4.2软件准备

Arduino IDE

4.3电路连接

本项目直接使用PCF8574T适配板驱动1602液晶显示器，节省了大量的Arduino IO端口，节省了大量的布线麻烦。PCF8574T适配板包含四个接口：VCC、GND、SDA和SCL。分别连接：VCC-5V，GND-GND，SDA-A4，SCL-A5。

温度和湿度传感器包含3个引脚，从网格侧面看，从左到右分别是数据、VCC和GND。这样连接：DATA-A0，VCC-3.3V，GND-GND。

图7。电路连接

4.4编写代码

图8。实验结果

/*

* Use temperature and humidity sensor to detect information and display it on the LCD

*/

#include "Wire.h" // Import libraries needed to drive LCD

#include "LiquidCrystal_I2C.h"

#include "dht.h" // Import dht library for temperature and humidity sensor

#define dht_pin A0 // Connect the data port of the temperature and humidity sensor to A0

dht DHT;

// Set up LCD

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2); // 0x27 is the address of the I2C bus

void setup()

// Delay waiting for system initialization

delay(1000);

// Initialize LCD

lcd.init();

// Turn on the screen backlight

lcd.backlight();

// LCD screen displays Humidity(%):

lcd.print("Humi(%): ");

// LCD screen displays Temp(C):

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print("Temp(C): ");

void loop()

// Read the data of the temperature and humidity sensor

DHT.read11(dht_pin);

// LCD displays the collected temperature and humidity data

lcd.setCursor(8,0);

lcd.print(DHT.humidity,1);

lcd.setCursor(8,1);

lcd.print(DHT.temperature,1);

delay(1000);

代码编译无问题后，点击按钮上传到Arduino UNO板。编程无问题后，可以在液晶屏上观察结果。如果湿度没有变化，你可以试着在传感器处松一口气，然后观察数值的变化。

五、常见问题

1什么是湿度传感器？

湿度传感器（或湿度计）可感应、测量并报告湿度和空气温度。在特定空气温度下，空气中的水分与最高水分的比率称为相对湿度。相对湿度成为寻找舒适感的一个重要因素。

2湿度传感器如何工作？

湿度传感器通过检测改变空气中电流或温度的变化来工作。。。电容式湿度传感器通过在两个电极之间放置一条金属氧化物来测量相对湿度。金属氧化物的电容量随大气相对湿度的变化而变化。

3有多少种湿度传感器？

有三种主要类型的湿度传感器被使用，它们围绕着什么方法来感知湿度并传递可用于确定数值的电信号进行定义。这些类型的湿度传感器包括电容式湿度传感器。电阻式湿度传感器。

4湿度传感器是模拟的还是数字的？

湿度传感器以两种不同的方式测量和报告湿度水平-模拟或数字（又名离散）。数字传感器能够在规定的范围内监测操作条件。。。模拟传感器更先进，通过精确测量提供对当前状况的连续可视性。

5为什么要使用湿度传感器？

湿度传感器是一种电子设备，用于测量和报告周围环境（如空气、土壤或密闭空间）的湿度和空气温度。湿度测量表明空气中的水蒸气浓度。

6什么是绝对湿度传感器？

ABS-300是一种热导式绝对湿度传感器。该传感器通过量化干燥空气和含有水蒸气的空气的热导率差异来测量绝对湿度。。。如果已知温度和压力，绝对湿度很容易转化为相对湿度。

7湿度传感器有多精确？

数字相对湿度传感器通常在整个0-100%相对湿度范围内精确到正负3%的相对湿度，但在50%相对湿度下更接近正负2%。。。校准相对湿度传感器最简单的方法是在密封容器中使用食盐和水。

8什么是湿度传感器？

湿度传感器通常用于连接控制器的实验室，以保持恒定的湿度。。。湿度传感器可以将空气湿度的物理量转换为标准信号，并将其传输到控制器。

9湿度传感器如何感知空气中的湿气？

电容式湿度传感器通过在两个电极之间放置一条金属氧化物来测量相对湿度。金属氧化物的电容量随大气相对湿度的变化而变化。这些类型的传感器用于气象、商业和工业应用。

电阻式湿度传感器利用盐中的离子来测量原子的电阻抗。随着湿度的变化，盐介质两侧电极的电阻也随之变化。最先进的电阻式湿度传感器使用陶瓷来克服出现冷凝的区域。

热导率传感器测量热量的变化以检测湿度。两个热传感器根据周围空气的湿度导电。一个传感器封装在干燥的氮气中，与另一个测量环境空气的传感器进行比较。两者之间的差别测量湿度。

10温度传感器和湿度传感器的区别是什么？

温度传感器：温度是最常见的环境参数。温度在我们的家庭和工业中起着重要的作用。在过去的几年里，我们能够通过温度传感装置来监测和控制环境参数。温度传感器是一种电子设备，用于检测和测量不同环境条件下的精确温度水平。市场上有许多价格合理的温度传感器可用于测量准确的温度水平。

湿度传感器：湿度是另一个最可测量的环境参数。我们家和仓库的高湿度增加了产品和物品受损的可能性。过去，由于缺少感应设备，我们无法检测到准确的湿度水平。湿度传感器是一种电子设备，用于测量湿度水平，并通过我们的移动电话从任何地方改变湿度水平。湿度传感器检测水、空气和土壤中的湿度水平。我们可以很容易地在家里和办公室里使用湿度传感器。

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