湿度传感器：类型、原理与应用

湿度传感器：类型、原理与应用

湿度传感器是测量和监测空气或特定环境中的水分含量的重要设备，广泛应用于气象学、暖通空调、农业、食品加工、制药等行业。本文将从湿度的基本概念出发，介绍湿度传感器的类型、工作原理以及具体应用场景。

湿度的基本概念

湿度是指空气中水蒸汽的含量。这个含量可以影响人体的舒适度和健康，也会影响精密电子仪器的使用，比如静电敏感器件和高压设备等。另外，水蒸气的存在还影响着各种物理、化学和生物过程。因此，感知、测量、监测和控制湿度是一项非常重要的任务。

湿度分为绝对湿度（AH）和相对湿度（RH）。当我们谈论测量湿度时，通常指的是相对湿度。

• 绝对湿度（AH）是水蒸气质量与空气体积的比值。如果m是水蒸气的质量，V是空气的总体积，那么 AH = m/V
• 相对湿度（RH）是在一定温度下空气中实际水蒸气压力与同一温度下空气中最大水蒸气压力之比。

在天气预报中，使用相对湿度来指示降水、露水或雾的概率，因此被视为一个重要的度量标准。相对湿度同时考虑了温度和压力。因此，测量相对湿度的湿度传感器既测量了湿度含量，也测量了空气温度。

人体最适宜的湿度

人体最舒适的湿度通常在40%到60%之间。在这个湿度范围内，人们通常感到最舒服，皮肤不会过于干燥或过于潮湿。

过低的湿度可能会导致皮肤干燥、喉咙不适、咳嗽和眼睛刺痛等问题。另一方面，过高的湿度可能会导致不适，因为汗液无法有效蒸发，让人感觉闷热和不舒服。此外，过高的湿度还可能促进霉菌和细菌的生长，从而影响室内空气质量和健康。

在家庭和办公环境中，保持适宜的湿度可以提高生活和工作的舒适度。

湿度传感器的类型

湿度传感器，也称为湿度计，旨在测量和监测空气或特定环境中的水分含量，并将这个信息转换为电信号，以便电子系统测量和解读。湿度传感器在气象学、暖通空调、农业、食品加工、制药等行业中发挥着重要作用。

湿度传感器主要有三种基本类型：电容型、电阻型和热导型。这三种类型都会监测大气中微小的变化，以计算空气中的湿度。

电容型

电容型湿度传感器通过在两个电极之间放置一条薄的金属氧化物带来测量相对湿度。这类金属氧化物属于吸湿性介电材料，随着湿度的增加，介电材料吸收湿气并改变电容，然后将其转换为湿度读数。

电容型湿度传感器的优点是输出电压接近线性，可以长时间使用，提供稳定的结果和检测广泛的湿度范围。但它的缺点是传感器与信号电路之间的距离非常有限。适用于暖通空调系统、打印机和传真机、气象站、汽车和家用电器。

电阻型

电阻型湿度传感器使用湿度敏感材料，其电阻特性随着湿气吸收而变化。电阻的变化可以用于计算湿度水平。

电阻型湿度传感器的优点是尺寸小、成本低，传感器与信号电路之间的距离可以较大，适用于远程操作。但它的缺点是对化学气体和其他污染物比较敏感。

热导型

热导型湿度传感器根据周围空气的湿度来传导电流。一个传感器包裹在干燥的氮气中，而另一个传感器则测量环境空气。两者之间的差异测量了湿度。

热导型湿度传感器的优点是适用于高温环境和高腐蚀环境，非常耐用。而且相对于其他类型，它的分辨率较高。常见的应用包括烘干窑、制药厂、烤箱、烘干机等。

选择合适的湿度传感器

在选择湿度传感器时，需要考虑以下一些因素：

• 传感器的准确性。一般准确性越高，成本也越高。
• 功耗。功耗将对长期的成本产生影响。
• 尺寸和封装。比如，选择一个结合了湿度和温度传感器的封装，可以减少使用的传感器数量。
• 传感器的初始成本和更换成本。
• 电路复杂性。
• 抗污染性。

我们需要根据传感器的应用场景，选择合适的传感器类型。

实验

我们提供一款基于 SHT30 的湿度传感器，该传感器除了会提供湿度信息外，还会提供温度信息。湿度传感器可直接插在平台的扩展排针上，启动平台后发送相应的 Python 脚本即可读取湿度和温度的数值。用户也可自定义应用，只需要将相应的网络请求发送给传感器平台即可实现和温度传感器的交互。

参数

插板引脚

I2C 地址: 0x44

读取湿度和温度数值

SHT30 支持单次测量或者连续测量。

• 单次测量：主控需要发送 I2C 命令来触发 SHT30 进行湿度和温度测量。当传感器结束测量后，主控需要另一个 I2C 命令来读取测量结果。
• 连续测量：在连续测量模式下，SHT30 会以给定的间隔不间断地进行测温。首先，主控发送 I2C 命令将 SHT30 设置为连续测温模式，接下来主控只需要不断地发送 I2C 读取测量结果命令即可。

我们以 SHT30 的数据手册为例，下面的图（SHT30 数据手册 4.3）展示了如何进行单次测量。

• 主控需要将 I2C 地址，指令高字节，指令低字节依次发送给 SHT30。每次传感器收到一个字节的数据时，都会发送应答位通知主控。如果传感器未发送应答位，平台会返回失败码，这时请检查您的 I2C 地址是否设置正确，以及平台与传感器连接的引脚编号是否设置正确。
• 在主控发送完单次测量命令后，等待传感器测量结束（约 1ms 左后）便可以读取测量数据。主控同样需要先发送 I2C 地址，接下来读取 6 个字节，分别是温度和温度校验字节，以及湿度和湿度校验字节。

湿度和温度计算

在主控收到传感器发送的测量数据后，需要带入公式计算得到对应的温度摄氏度或华氏度以及湿度的百分比。在 SHT30 的数据手册 4.13 中可以得到计算公式：

下载：MTS01 数据手册