教你识湿度

湿度计

湿度计是用来测量物体的湿度的。

1 ．湿度计的构成：湿度计由两只完全相同的温度计构成．其中一只温度计为干泡温度计，另一只为湿泡温度计．

2 ．湿度计测量完全相对湿度的原理：由于湿泡温度计的感温泡包着棉纱，棉纱的下端浸在水中，水的蒸发而使湿泡温 度计的温度示数总是低于干泡温度计的温度示数（气温）这一温度差值跟水蒸发快慢（即当时的相对湿度）有关．根据两温度计的读数，从表或曲线上可查出空气的相对湿度． 一、空气的湿度

空气的湿度可通俗地理解为空气的潮湿程度．它有绝对湿度和相对湿度之分．

1 ．绝对湿度：空气中水蒸气的压强 p 叫做空气的绝对湿度．

空气的湿度可以用空气中所含水蒸汽的密度，即单位体积的空气中所含水蒸汽的质量来表示．由于直接测量空气中水蒸气的密度比较困难，而水蒸气的压强随水蒸气密度的增大而增大，所以通常用空气中水蒸气的压强来表示空气的湿度，这就是空气的绝对湿度． 2 ．相对湿度

（ 1 ）概念的引入：为了表示空气中水蒸气离饱和状态的远近而引入相对湿度的概念．

（ 2 ）相对湿度 B ：某温度时空气的绝对湿度 p 跟同一温度下水的饱和汽压 ps 的百分比叫做这时空气的相对湿度

①不同温度下水的饱和汽压可以查表得到

②在绝对湿度 p 不变而降低温度时，由于水的饱和汽压减小而使空气的相对湿度增大．

③居室的相对湿度以 60 ％～ 70 ％较适宜．

饱和汽压

下面以水为例介绍 饱和汽压

液体蒸发的实质是液体分子从液面飞出的过程，同时由于水蒸气的分子在不停做无规则的热运动，有的分子撞到水面回到水中。在密闭的容器中，随着水的不断蒸发，上方的水分子数不断增多，回到水中的水分子也不断增多，使蒸发速率变慢。最终离开液面的水分子数与回到水中的水分字数相等，达到一种动态平衡，水停止蒸发。 与液体处于动态平衡的蒸汽叫 饱和汽 反之，称为不饱和汽。 饱和汽压于饱和汽体积无关！

在一定温度下，饱和汽的分子数密度是一定的，因而其压强也是一定的，这个压强叫做饱和汽压。同温下未饱和汽压小于饱和汽压。

由于温度升高会增加蒸发速率，所以饱和汽压随着温度的增加而增加。 实际上水面上方不仅有水分子，还有空气中其他分子。这里饱和汽压指的是水蒸气的分压强。参见道尔顿分压定律

蒸气压指的是在液体（或者固体）的表面存在着该物质的蒸气，这些蒸气对液体表面产生的压强就是该液体的蒸气压。 比如，水的表面就有水蒸气压，当水的蒸气压达到水面上的气体总压的时候，水就沸腾。我们通常看到水烧开，就是在100摄氏度时水的蒸气压等于一个大气压。蒸气压随温度变化而变化，温度越高，蒸气压越大，当然还和液体种类有关。一定的温度下，与同种物质的液态(或固态)处于平衡状态的蒸气所产生的压强叫饱和蒸气压，它随温度升高而增加。如：放在杯子里的水，会因不断蒸发变得愈来愈少。如果把纯水放在一个密闭的容器里，并抽走上方的空气。当水不断蒸发时，水面上方气相的压力，即水的蒸气所具有的压力就不断增加。但是，当温度一定时，气相压力最终将稳定在一个固定的数值上，这时的气相压力称为水在该温度下的饱和蒸气压力。当气相压力的数值达到饱和蒸气压力的数值时，液相的水分子仍然不断地气化，气相的水分子也不断地冷凝成液体，只是由于水的气化速度等于水蒸气的冷凝速度，液体量才没有减少，气体量也没有增加，液体和气体达到平衡状态。所以，液态纯物质蒸气所具有的压力为其饱和蒸气压力时，气液两相即达到了相平衡。饱和蒸气压是物质的一个重要性质，它的大小取决于物质的本性和温度。 饱和蒸气压越大，表示该物质越容易挥发。

当气液或气固两相平衡时，气相中A物质的气压，就为液相或固相中A物质的饱和蒸气压，简称蒸气压。下面为影响因素：

1.对于放在真空容器中的液体，由于蒸发，液体分子不断进入气相，使气相压力变大，当两相平衡时气相压强就为该液体饱和蒸汽压，其也等于液相的外压；温度升高，液体分子能量更高，更易脱离液体的束缚进入气相，使饱和蒸气压变大。 2.但是一般液体都暴露在空气中，液相外压=蒸气压力+空气压力=101.325KPa），并假设空气不溶于这种液体，一般情况由于外压的增加，蒸气压变大（不过影响比较小）

3.一般讨论的蒸气压都为大量液体的蒸气压，但是当液体变为很小的液滴是，且液滴尺寸越小，由于表面张力而产生附加压力越大，而使蒸气压变高（这也是形成过热液体，过饱和溶液等亚稳态体系的原因）。所以蒸气压与温度，压力，物质特性，在表面化学中液面的曲率也有影响.

如果在液相上面加一活塞，将不会有蒸气压产生，因为此时没有气相存在。

【湿度】表示大气干燥程度的物理量。在一定的温度下在一定体积的空气里含有的水汽越少，则空气越干燥；水汽越多，则空气越潮湿。空气的干湿程度叫做“湿度”。在此意义下，常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、混合比、饱和差以及露点等物理量来表示；若表示在湿蒸汽中液态水分的重量占蒸汽总重量的百分比，则称之为蒸汽的湿度。

【绝对湿度】单位体积空气中所含水蒸汽的质量，叫做空气的“绝对湿度”。它是大气干湿程度的物理量的一种表示方式。通常以1立方米空气内所含有的水蒸汽的克数来表示。水蒸汽的压强是随着水蒸汽的密度的增加而增加的，所以，空气里的绝对湿度的大小也可以通过水汽的压强来表示。由于水蒸汽密度的数值与以毫米高水银柱表示的同温度饱和水蒸汽压强的数值很接近，故也常以水蒸汽的毫米高水银柱的数值来计算空气的干湿程度。 【相对湿度】空气中实际所含水蒸汽密度和同温度下饱和水蒸汽密度的百分比值，叫做空气的“相对湿度”。空气的干湿程度和空气中所含有的水汽量接近饱和的程度有关，而和空气中含有水汽的绝对量却无直接关系。例如，空气中所含有的水汽的压强同样等于1606.24Pa（12.79毫米汞柱）时，在炎热的夏天中午，气温约35℃，人们并不感到潮湿，因此时离水汽饱和气压还很远，物体中的水分还能够继续蒸发。而在较冷的秋天，大约15℃左右，人们却会感到潮湿，因这时的水汽压已经达到过饱和，水分不但不能蒸发，而且还要凝结成水，所以我们把空气中实际所含有的水汽的密度ρ1与同温度时饱和水汽密度ρ2的百分比ρ1/ρ2×100％叫做相对湿度。也可以用水汽压强的比来表示

湿度传感器原理

一.大气的湿度及露点 [1].绝对湿度和相对湿度

地球表面的大气层是由78%的氮气、21%的氧气和一小部分二氧化碳、水汽以及其他一些惰性气体混合而成的。由于地面上的水和动植物会发生水份蒸发现象，因而地面上不断地在生成水份，使大气中含有水汽的量在不停地变化。由于水份的蒸发及凝结的过程总是伴随着吸热和放热，因此大气中的水汽的多少不但会影响大气的湿度，而且使空气出现潮湿或干燥现象。大气的干湿程度，通常是用大气中水汽的密度来表示的。即每1m3大气所含水汽的克数来表示，它称为大气的绝对湿度。

要想直接测量出大气的水汽密度，方法比较复杂。而理论计算表明，在一般的气温条件下，大气的水汽密度，与大气中水汽的压强数值十分接近。所以大气的水汽密度又可以规定为大气中所含水汽的压强，又把它称为大气的绝对湿度，用符号D表示，常用的单位是mmHg。。

在许多与大气的湿度有关的现象里，如农作物的生长绵纱的断头以及人们的感觉等等，都与大气的绝对湿度没有直接的关系，主要与大气中的水汽离饱和状态的远近程度有关。比如，同样是6mmHg的绝对湿度，如果在炎热的夏季中午，由于离当时的饱和水汽压（31.38mmHg）尚远，使人感到干燥，如果是在初冬的傍晚，由于水汽压接近当时的饱和水汽压（18.05mmHg）而使人感到潮湿。因此通常把大气的绝对湿度跟当时气温下饱和水汽压的百分偶称为大气的相对湿度，即 饱和水汽压

空气中含有的水汽所产生的压强，叫水汽压。空气中的水汽压不能无限制地增加，在一定

的温度下，如果水汽压增大到某一个极限值，空气中水汽就达到饱和，如果超过这个极限值，将会有一部分水汽凝结成液体水，这一极限值称为该温度下的饱和水汽压。根据理论计算和实验证明，饱和水汽压与温度有关，随温度的升高而迅速增大

式中H——相对湿度

D——大气的绝对湿度（mmHg）

Ds——当时气温下的饱和水汽压（mmHg）

上式表明，若大气中所含水汽的压强等于当时气温下的饱和水汽压时，这时大气的相对湿度等于100%RH。

[1].露点

降低温度可以使未饱和水汽变成饱和水汽。露点就是指使大气中原来所含有的未饱和水汽变成饱和水汽所必须降低的温度。因此只要能测出露点，就可以通过一些数据表查得当时大气的绝对湿度。

当大气中的未饱和水汽接触到温度较低的物体时，就会使大气中的未饱和水汽达到或接近饱和状态，在这些物体上凝结成水滴。这种现象被称为结露。结露对农作物有利，但对电子产品则是有害的。

二.湿敏传感器的分类

水是一种极强的电解质。水分子有较大的电偶极矩，在氢原子附近有极大的正电场，因而它有很大的电子亲和力，使得水分子易吸附在固体表面并渗透到固体内部。利用水分子这一特性制成的湿度传感器称为水分子亲和力型传感器。而把与水分子亲和力无关的湿度传感器称为非水分子亲和力型传感器。在现代工业上使用的湿度传感器大多是水分子亲和力型传感器，它们将湿度的变化转换为阻抗或电容值的变化后输出。

湿度传感器，分为电阻式和电容式两种，产品的基本形式都为在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。

国内外各厂家的湿度传感器产品水平不一，质量价格都相差较大，用户如何选择性能价格比最优的理想产品确有一定难度，需要在这方面作深入的了解。湿度传感器具有如下特点：

1、精度和长期稳定性

湿度传感器的精度应达到±2%~±5%RH，达不到这个水平很难作为计量器具使用，湿度传感器要达到±2%~±3%RH的精度是比较困难的，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。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，湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，长期稳定性和使用寿命是影响湿度传感器质量的头等问题，年漂移量控制在1%RH水平的产品很少，一般都在±2%左右，甚至更高。

2、湿度传感器的温度系数

湿敏元件除对环境湿度敏感外，对温度亦十分敏感，其温度系数一般在0.2~0.8%RH/℃范围内，而且有的湿敏元件在不同的相对湿度下，其温度系数又有差别。温漂非线性，这需要在电路上加温度补偿式。采用单片机软件补偿，或无温度补偿的湿度传感器是保证不了全温范围的精度的，湿度传感器温漂曲线的线性化直接影响到补偿的效果，非线性的温漂往往补偿不出较好的效果，只有采用硬件温度跟随性补偿才会获得真实的补偿效果。湿度传感器工作的温度范围也是重要参数。多数湿敏元件难以在40℃以上正常工作。

3、湿度传感器的供电

金属氧化物陶瓷，高分子聚合物和氯化锂等湿敏材料施加直流电压时，会导致性能变化，甚至失效，所以这类湿度传感器不能用直流电压或有直流成份的交流电压。必须是交流电供电。

4、互换性

目前，湿度传感器普遍存在着互换性差的现象，同一型号的传感器不能互换，严重影响了使用效果，给维修、调试增加了困难，有些厂家在这方面作出了种种努力，（但互换性仍很差）取得了较好效果。

5、湿度校正

校正湿度要比校正温度困难得多。温度标定往往用一根标准温度计作标准即可，而湿度的标定标准较难实现，干湿球温度计和一些常见的指针式湿度计是不能用来作标定的，精度无法保证，因其要求环境条件非常严格，一般情况，（最好在湿度环境适合的条件下）在缺乏完善的检定设备时，通常用简单的饱和盐溶液检定法，并测量其温度。

二、对湿度传感器性能作初步判断的几种方法

在湿度传感器实际标定困难的情况下，可以通过一些简便的方法进行湿度传感器性能判断与检查。

1、一致性判定，同一类型，同一厂家的湿度传感器产品最好一次购买两支以上，越多越说明问题，放在一起通电比较检测输出值，在相对稳定的条件下，观察测试的一致性。若进一步检测，可在24h内间隔一段时间记录，一天内一般都有高、中、低3种湿度和温度情况，可以较全面地观察产品的一致性和稳定性，包括温度补偿特性。

2、用嘴呵气或利用其它加湿手段对传感器加湿，观察其灵敏度、重复性、升湿脱湿性能，以及分辨率，产品的最高量程等。

3、对产品作开盒和关盒两种情况的测试。比较是否一致，观察其热效应情况。

4、对产品在高温状态和低温状态（根据说明书标准）进行测试，并恢复到正常状态下检测和实验前的记录作比较，考查产品的温度适应性，并观察产品的一致性情况。

产品的性能最终要依据质检部门正规完备的检测手段。利用饱和盐溶液作标定，也可使用名牌产品作比对检测，产品还应进行长期使用过程中的长期标定才能较全面地判断湿度传感器的质量。

三、对市场上湿度传感器产品的几点分析

国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品，电容式湿敏元件较为多见，感湿材料种类主要为高分子聚合物，氯化锂和金属氧化物。

电容式湿敏元件的优点在于响应速度快、体积小、线性度好、较稳定，国外有些产品还具备高温工作性能。但是达到上述性能的产品多为国外名牌，价格都较昂贵。市场上出售的一些电容式湿敏元件低价产品，往往达不到上述水平，线性度、一致性和重复性都不甚理想，30%RH以下，80%RH以上感湿段变形严重。有些产品采用单片机补偿修正，使湿度出现\阶跃\性的跳跃，使精度降低，出现一致性差、线性差的缺点。无论高档次或低档次的电容式湿敏元件，长期稳定性都不理想，多数长期使用漂移严重，湿敏电容容值变化为pF级，1%RH的变化不足0.5pF，容值的漂移改变往往引起几十RH%的误差，大多数电容式湿敏元件不具备40℃以上温度下工作的性能，往往失效和损坏。

电容式湿敏元件抗腐蚀能力也较欠缺，往往对环境的洁净度要求较高，有的产品还存在光照失效、静电失效等现象，金属氧化物为陶瓷湿敏电阻，具有湿敏电容相同的优点，但尘埃环境下，陶瓷细孔被封堵元件就会失效，往往采用通电除尘的方法来处理，但效果不够理想，且在易燃易爆环境下不能使用，氧化铝感湿材料无法克服其表面结构\天然老化\的弱点，阻抗不稳定，金属氧物陶瓷湿敏电阻也同样存在长期稳定性差的弱点。

氯化锂湿敏电阻，具有最突出的优点是长期稳定性极强，因此通过严格的工艺制作，制成的仪表和传感器产品可以达到较高的精度，稳定性强是产品具备良好的线性度、精密度及一致性，是长期使用寿命的可靠保证。氯化锂湿敏元件的长期稳定性其它感湿材料尚无法取代。

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