15、电子传感器：湿度、气体流速与光电阻的原理与应用

电子传感器：湿度、气体流速与光电阻的原理与应用

1. 湿度传感器相关知识

1.1 湿度的基本概念

湿度分为相对湿度和绝对湿度。相对湿度是指空气中水汽含量与达到饱和状态时水汽含量的百分比。当空气中水汽开始凝结时，相对湿度为 100%；若空气样本中水汽重量为开始凝结所需水汽重量的一半，相对湿度就是 50%；若空气中完全没有水汽，相对湿度则为 0%。日常所说的“湿度”通常指相对湿度，传感器输出也常可转换为该值，但也存在绝对湿度传感器。

1.2 露点传感器

历史上，气象学家使用冷镜湿度计来测量露点。其原理是将金属镜暴露在大气中并冷却，直到镜面出现水汽凝结变得模糊，此时的温度就是露点。现在，这种系统仍与 LED 和光电晶体管结合使用。LED 发出的光从镜子反射到光电晶体管上，当镜子冷却到开始形成雾气时，反射光会发生散射，导致光电晶体管输出明显变化。虽然露点与相对湿度的公式复杂，但当相对湿度在 50% 或更高时，有一个简化近似公式：$RH = 100 - ( 5 * (t - tD) )$（其中 $RH$ 是相对湿度，$t$ 是当前温度，$tD$ 是形成雾气的露点温度）。不过，冷镜露点传感器虽然精度高，但重量大、价格贵，除气象领域外，在大多数应用中不太实用。

1.3 绝对湿度传感器

绝对湿度传感器可能在惠斯通电桥电路中使用两个负温度系数（NTC）热敏电阻。一个热敏电阻密封在含有干燥氮气、湿度为零的隔室中，另一个暴露在大气中。电流通过热敏电阻使其温度至少升高到 200 摄氏度。由于空气中有水汽时热量辐射效率较低，暴露在大气中的热敏电阻在湿度较高时会更热，电阻也会更高。这种传感器常用于烘干机和木材窑等。