湿度传感器-从零开始认识各种传感器第二期

见贤思齐

本篇来学习湿度传感器。我们将介绍到湿度传感器的工作原理、常见种类，如何查找和购买，以及通过MCU实际演示对于湿度传感器数据的读取过程。湿度传感器|从零开始认识各种传感器1. 什么是湿度传感器湿度传感器是一种用于测量空气中相对湿度的设备。它广泛应用于多个领域，如气象、建筑、农业、医学、食品加工等。它测量的是被测环境中的相对含水量。以我们在家用常见的温湿度计（图1）读到的数值为例，它是一个百分比数。如果把空气中水蒸气饱和状态下的湿度定义为100，那么读数是55则表示当前空气中含有的水蒸气含量是饱和状态下的55%。所以它表示的是相对湿度。图1温湿度计我们知道“相对湿度”与当前温度是密切相关的，当空气受温度影响而收缩或膨胀时，相对湿度会发生变化，比如温度下降时，空气体积减小，但是含有的水蒸气不变，所以相对湿度上升了，反之如果温度上升，空气体积膨胀，水蒸气含量不变，会造成相对湿度下降。而绝对湿度的表示是用重量比来衡量的，不受温度变化影响。我们通常在仪表上看到的都是相对湿度。图2温湿度相关性2. 湿度传感器是如何工作的常见的湿度传感器的工作原理是基于材料的吸湿性质，如湿敏电阻，湿敏电容等。因为水分子具有极性，当材料受到湿气的影响时，它的电导率会随之变化，从而影响器件的阻值或者容值，那么相应的就可以测量出对应的湿度度变化。图3湿度传感器工作原理另一种方式是利用物理量在不同湿度空气中传播速度和损耗的差异来测量湿度。比如利用潮湿空气和干燥空气的热传导速度的差异，可以制成热敏电阻式湿度传感器。它将一个参考NTC放在密封的干燥金属盒中，而测量NTC放在开孔金属盒中与潮湿空气接触，由于潮湿空气和干燥空气热传导性质的差异，会使得两个NTC的阻值产生差异，从而导致测量电压Vm的变化，这样就可以测量出湿度。图4热敏电阻湿度传感器另外利用微波，超声波或者红外线在含水蒸汽的空气中传播产生损耗的原理来 ，可以制成微波，超声波以及红外线湿度传感器。图5其他湿度传感器3. 常见的湿度传感器的种类3.1 湿敏电阻湿敏电阻的特点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，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的优点是灵敏度高，缺点则是线性度 较差。湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化物湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。图6湿敏电阻3.2 湿敏电容湿敏电容一般由高分子薄膜电容制成。当环境湿度发生改变时,湿敏电容式传感器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。湿敏电容式传感器的主要优点是灵敏度高、响应速度快、容易实现小型化和集成化。图7湿敏电容及其等效形式3.3湿敏电容和湿敏电阻的对比图8湿敏电容和湿敏电阻的对比3.4半导体及IC湿度传感器另外还有二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。比如这款在得捷电子网站上搜索到的温湿度传感器IC【SHTC3-TR-10KS】，它具有封装小，响应速度快，精度高的特点。值得一提的是，由于温度和湿度的相关性，市面上的IC类的传感器一般都是同时提供了温度和湿度的测量数据。图9IC湿度传感器4. 湿度传感器的应用和设计注意事项湿度传感器是非密封性的，为保护测量的准确度和稳定性，应尽量避免在酸性、碱性，粉尘，及含有机溶剂的环境中使用。为正确反映测试空间的湿度，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。在设计PCB时，要注意湿度传感器附近空气流通的通道。5. 湿度传感器实验演示图10 树莓派读取湿度传感器过程展示主控板卡：基于RP2040的带屏调试助手以下是完整程序：frombreakout_colourlcd240x240importBreakoutColourLCD240x240frommachineimportADC,Pin,Timer,PWM,I2Cfromutimeimportsleepimporttime,math,array#------------------------------------------------------------------#######################################################################定义连接到DHT22数据线的引脚data_pin=Pin(20,Pin.IN,Pin.PULL_UP)defreaddata():#向DHT22传感器发送启动信号data_pin.init(Pin.OUT)data_pin.low()time.sleep_ms(20)#微处理器的I/O设置为输出同时输出低电平，且低电平保持时间不能小于18ms（最大不得超过30ms）data_pin.high()data_pin.init(Pin.IN,Pin.PULL_UP)#等待DHT22传感器响应whiledata_pin.value()==1:passwhiledata_pin.value()==0:passwhiledata_pin.value()==1:passdata_pro=[]j=0k=0whilej100:breakifk