温湿度传感器原理介绍

1. 温度传感器的基本原理

温度传感器的基本原理是将环境的温度值转化为敏感单元的电学量变化,最后通过读出敏感单元的电压值进行公式转换,从而获得温度值。常见的电学量包括:电压、电流、电阻、电容等。基于以上原理,有两类温度传感器比较有代表性。

1.1 热电偶原理类温度传感器

热电偶一般由两个不同的电导体构成,由于塞贝克效应的影响,两种不同的电导体各自的二端分别连接构成回路后,如果两种金属的两个结点处温度不同,就会产生电压。目前常用的热电偶金属组合,能产生的“热电势”通常在1–70μV/℃之间,选择热电偶时通常考虑到成本、适用、熔点、化学性质等问题。

1.2 电阻式温度传感器

电阻式温度传感器的基本原理是利用材料电导率(或电阻率)在温度发生变化时而变化的性质来探测温度信息的,基于这个原理研制的温度传感器是最多的。材料上主要使用热敏材料和金属材料。

2. 湿度传感器的基本原理

根据湿度传感器将湿度转换为待处理的电信号类型,可以将其分为:电容型、电阻型、压电、摩擦电型等,这里介绍一下最常见的两种类型。

2.1 电阻式湿度传感器

电阻式湿度传感器是将湿敏材料印刷或者沉积等薄膜工艺涂敷在各类不导通的电极结构上,从而将湿敏材料接进电路。当环境的湿度变化时,敏感材料的电阻值发生变化,从而反推出湿度值。电阻式湿度传感器拥有测试方便、制备工艺简单等特点,但是通常电阻值与湿度的相关性低,在中湿区灵敏度很大,但在低湿区高湿区灵敏度不够。

2.2 电容式湿度传感器

电容式器件通常也是将湿敏材料通过印刷、蒸镀和旋涂等工艺把敏感材料覆盖在不导通的电极上。不同的是,电阻式湿度传感器中的敏感材料会因为湿度变化而导电,电容式湿度传感器敏感材料不会直接导通,而是会改变介电常数,从而改变传感器的电容值。

3. 温湿度传感器的基本特征参数

接下来介绍传感器的主要特征参数,用来评价传感器的性能好坏。

3.1 线性度

线性度参数用来衡量传感器的响应值与待测量的线性相关程度。传感器的响应数据经过最小二乘法线性拟合之后,线性回归系数越靠近1 认为线性度越好。在实际生产制备传感器过程中,由于制备工艺、检测手段等问题的限制,实际所测得数据可能会偏离期望数值。

3.2 灵敏度

灵敏度是用来衡量器件在温度变化时,其响应量的变化幅度。一个器件的灵敏度大,意味着电阻变化幅度大,更容易被检测。如果响应值与待测值关系基本是线性的,可以用两者关系曲线的斜率取绝对值后表示灵敏度的大小。

3.3 重复性

重复性是衡量器件响应的稳定程度。将传感器多次重复放到同一条件下进行测试,测试结果差距越小则认为重复性越好。

3.4 稳定性

稳定性是衡量器件在长期测试中的波动性。很多传感器基于化学反应原理,在探测某些信号后会出现基线的漂移、响应值的变化等情况。

3.5 分辨率

分辨率是衡量传感器的能感知的最小检测变化量,也可以称作传感器的最小探测极限。

3.6 响应时间

响应时间是衡量传感器对检测量变化响应的快慢。本论文中,会快速给传感器改变温度或者湿度,然后记录传感器的每一个数据点,最后看传感器在多长时间到达了稳定值的63.2%。

3.7 迟滞

迟滞是衡量传感器响应上升和下降的区别。很多传感器在响应同一个检测量时,会出现检测量上升和检测量下降的曲线不重合,在湿度传感器中该特性明显。

4. 参考文献

[1]田烜宁. 柔性温湿度传感器制备及特性研究[D].电子科技大学,2022.DOI:10.27005/d.cnki.gdzku.2022.002706.

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