湿度学院理论6——电容式传感器

电容式湿度传感器由放置在一对电极之间的吸湿介质材料组成，这些电极形成一个小电容器。大多数电容式传感器使用塑料或聚合物作为介质材料，典型的介电常数范围为2到15。当传感器中没有水分时，这一常数和传感器的几何形状决定了电容的值。在正常室温下，水蒸气的介电常量约为80，这个值远大于传感器介质材料的常数。因此，传感器吸收水蒸气会导致传感器电容的增加。在平衡条件下，吸湿材料中的水分量取决于环境温度和环境水蒸气压力。对于传感器使用的吸湿介电材料来说也是如此。

根据定义，相对湿度也是环境温度和水蒸气压力的函数。因此，相对湿度、传感器中的水分含量和传感器电容之间存在关系。这种关系是电容式湿度仪器运行的基础。

在电容式仪器中，与几乎所有其他类型的仪器一样，湿度是通过链过程测量的，而不是直接测量。仪器性能由链中的所有元素决定，而不是仅由传感器决定。由于传感器和相关电子设备不能单独考虑，任何干扰链测量过程的因素都必然会对仪器性能产生影响。

应用注意事项—电容式湿度传感器

较新的湿度测量技术，如HYGROMER IN-1电容式湿度传感器，比干湿球技术具有更高的精度，并且在广泛的温度和湿度范围内提供了优越的控制特性。

选择与特定应用兼容的传感器技术对于实现可靠、可重复和精确的测量至关重要。

电子式湿度传感器

电容式湿度传感器优缺点：

优点：

· 测量范围宽

· 温度范围宽

· 出色的稳定性

· 反应速度快

· 从凝结中完全回收

· 对化学品的抗性极强

· 小

· 低成本

· 所需维护量极少

缺点:

· 可受从传感器到电子设备的距离的限制

· 相对精度损失低于5% RH

· 需要电子设备将电容转换为相对湿度

电容式湿度传感器误差的分类

系统误差在大小和符号上都是可预测和可重复的。由于仪器的非线性或温度效应导致的误差属于此范围。系统误差是仪器特有的。

随机误差依赖于仪器外部的因素，这意味着系统误差是可预测和可重复的，而随机误会则不是。例如，传感器滞后引起的误差（我们将在下文中定义），以及校准过程引起的误会，都是随机误。通常，随机误会在统计数据、经验和判断的基础上估计。

线性误差

相对湿度传感器（在0到100%RH之间）的典型响应是非线性的。根据电子电路的校正效果，仪器可能会有线性误差。假设传感器和相关电子设备都具有可重现的特性，线性误区是系统误差。

注意： 不小心选择校准值可能会导致线性误差的分布不同，并可能对仪器精度产生不利影响！

通常，确定仪器制造商推荐的校准值是为了最大限度地减少线性误差。在这些值下校准应该产生线性误差的均匀正负分布。

温度误差

温度可以对前面描述的测量链过程的几个要素产生主要影响。在电容式湿度仪器的具体情况下，以下影响可能会产生温度误差。传感器的吸湿性能随温度变化。相对湿度仪器依赖于传感器吸湿材料中存在的水分量与相对湿度之间的关系是恒定的假设。然而，在大多数吸湿材料里，这种关系随温度变化而变化。此外，水分子的介电性能受温度影响。在20°C时，水的介电值约为80。在0°C时，这一常数增加超过8%，在100°C时减少30%。传感器的介电特性也随温度变化变化。

大多数介电材料的介电常数随着温度的升高而降低，幸运的是，温度对大多数塑料介电性能的影响通常比水更有限。

将传感器连接到电子电路的任何长度的电缆都有其自身的电容和电阻。电子电路无法区分传感器及其连接电缆。因此，由于传感器和电缆的电容可以随温度变化，电子器件报告的湿度值必须补偿温度的影响。不这样做可能会导致较大的测量误差，有时高达8%rh或更高。

滞后性

滞后性是通过运行上升和下降的湿度条件序列来获得的对应数据对之间可以测量的最大差异。滞后性决定了湿度仪器的重复性。

对于任何给定的仪器，滞回值取决于以下几点:

· 用于测量滞后的湿度循环的总跨度

· 传感器对每种湿度条件的曝光时间

· 测量过程中的温度

· 用于确定传感器平衡的标准

· 和之前的传感器历史记录

通常，当传感器长时间暴露在高湿度和高温环境中时，传感器滞后性会增加。

注意： 温度会改变传感器和电缆的电容。电子元件所报告的湿度值必须补偿温度对传感器的影响。

只有说明传感器的滞后值，同时提供测试的详细信息，才有意义。在实际的测量实践中，条件是极其不同的，滞后可能会达到也可能不会达到极大值。因此，有理由认为滞后是一个既不能完全预测也不能补偿的随机值。当仪器精度一定时，滞后极大值的一半应平均分配为正误差和负误差。然而，仪器的重复性不应指定小于滞后的全部值。 

校准错误

校准包括将测量仪器的输出与参考值进行比较并报告结果。调整包括将被校准的仪器的输出更改以匹配参考值的输出。在某些情况下，名为“校准”的服务包括校准和调整。

用于提供已知湿度和温度值用于校准的参考仪器有其自身的准确性、重复性和滞后性值，在指定最终仪器不确定度时必须考虑这些值。此外，校准服务期间进行的任何调整都不能完全复制参考仪器看到的值。这些误差在计算仪器不确定性时必须被视为随机误差。

长期稳定性

一个关键因素是仪器在给定湿度条件下长期返回相同RH值的能力。这个值通常称为重复性，衡量仪器在传感器及其相关电子设备特性长期变化的情况下保持校准的能力。一般来说，可以将重复性问题分为两个方面:传感器在给定温度下保持对给定湿度状态响应的能力和电子设备的稳定性。

请注意：
· 长期稳定性对湿度仪器所需的校准频率起着至关重要的作用。
· 仪器的稳定性显著影响从仪器接收的测量数据的值

耐化学性

电容式聚合物湿度传感器对周围气体中化学物质的存在非常敏感，其影响程度取决于以下几个参数:

· 化学品类型

· 专注力

· 影响的持续时间

· 湿度和温度

· 以及其他化学品的存在

由于很难预测传感器的偏差和寿命，因此最好在校准周期之间进行测试。

非临界化学品

下表说明了这些气体对Rotronic IN-1系列传感器的影响:

· 氩（Ar）

· 二氧化碳（CO₂）

· 氦 （He）

· 氢（H₂ )

· 霓虹灯（Ne）

· 氮（N₂）

· 氧化亚氮（笑气，N₂O）

· 氧气（O₂ ）

下列气体对传感器和湿度测量没有影响或影响很小:

· 丁烷（C₄H₁₀）

·  乙烷（C₂H₆）

· 甲烷（CH₄)

· 天然气

· 丙烷（C₃H₈）

关键化学品

在以下浓度下，下表所列气体对传感器或湿度测量没有影响或影响较小，所示数据仅为指导值，传感器的电阻在很大程度上取决于温度和湿度条件以及污染物影响的长度。

允许由污染物引起的故障：±2%rh 

应用实例

A）灭菌室湿度测量（环氧乙烷）

客户应用：医疗设备的灭菌传感器：C-94
浓度 氧化乙烯：体积为15%
二氧化碳：体积的85%
压力：0.2至2.5巴绝对值
温度：40°C
湿度：80% 相对湿度
应用经验： 传感器的使用寿命约为3个月。该腔室处于连续运行状态。

B）臭氧室湿度测量

传感器： 湿度计 HT-1
浓度臭氧：500 ppm
温度：23°C
湿度：50% 相对湿度
应用经验：在500 ppm臭氧下，传感器的寿命约为1个月。

C）特殊用途:油中湿度测量

原则上，直接在油中测量湿度是可能的，但传感器的使用寿命在很大程度上取决于使用过的油。在油中进行测量只能使用特殊的传感器，并计划进行测试。