土壤湿度传感器的原理及参数

湿度传感器原理

湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。

湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。

湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。

电子式湿敏传感器的准确度可达2-3%RH，这比干湿球测湿精度高。

湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。这方面没有干湿球测湿方法好。下面对各种湿度传感器进行简单的介绍。

1、氯化锂湿度传感器

（1）电阻式氯化锂湿度计

第一个基于电阻-湿度特性原理的氯化锂电湿敏元件是美国标准局的F.W.Dunmore研制出来的。这种元件具有较高的精度，同时结构简单、价廉，适用于常温常湿的测控等一系列优点。

氯化锂元件的测量范围与湿敏层的氯化锂浓度及其它成分有关。单个元件的有效感湿范围一般在20％RH 以内。例如0.05％的浓度对应的感湿范围约为（80～100）％RH ，0.2％的浓度对应范围是（60～80）％RH 等。由此可见，要测量较宽的湿度范围时，必须把不同浓度的元件组合在一起使用。可用于全量程测量的湿度计组合的元件数一般为5个，采用元件组合法的氯化锂湿度计可测范围通常为（15～100）％RH，国外有些产品声称其测量范围可达（2 ～100）%RH 。

（2）露点式氯化锂湿度计

露点式氯化锂湿度计是由美国的 Forboro 公司首先研制出来的，其后我国和许多国家都做了大量的研究工作。这种湿度计和上述电阻式氯化锂湿度计形式相似，但工作原理却完全不同。简而言之，它是利用氯化锂饱和水溶液的饱和水汽压随温度变化而进行工作的。

湿度传感器的工作原理

引言

湿度传感器是一种广泛应用于气象、室内环境监测、农业等领域的重要传感器。它能够测量空气中的相对湿度，从而帮助我们了解环境中的湿度状况。在本文中，我们将深入探讨湿度传感器的工作原理，并介绍一些常见的湿度传感器类型和应用。

湿度传感器的基本原理

湿度传感器的工作原理基于材料吸湿性的变化。常见的湿度传感器有两种工作原理：电容式和电阻式。

电容式湿度传感器

电容式湿度传感器是利用湿度对介电常数的影响来测量湿度的。传感器通过两个电极之间的介质，可以是氧化金属层、陶瓷或聚合物等，由于材料的吸湿性变化而改变电容器的电容量。

1. 电容式湿度传感器的结构

– 传感器的核心部分是一个由感湿层和基底构成的复合材料。感湿层具有较高的湿度敏感性，可以吸收或释放水分。

– 湿度变化会导致感湿层的物理性质发生改变，例如介电常数、电容性质等。

– 传感器的两个电极将放置在感湿层两侧，形成一个电容器结构。

– 当空气中的湿度改变时，感湿层的吸湿性改变会导致电容器的电容量发生变化。

2. 电容式湿度传感器的工作过程

– 当传感器处于稳定的环境中时，感湿层和环境中的湿度达到平衡。此时，感湿层的吸湿性处于一个稳定状态，表现为一个特定的电容值。

– 当环境湿度发生改变时，感湿层会吸收或释放水分，导致电容值发生变化。

– 通过测量电容值的变化，可以确定空气中的相对湿度。 电阻式湿度传感器

电阻式湿度传感器则是利用介电常数的变化来测量湿度的。传感器的基本工作原理是通过在感湿器上覆盖一层吸湿材料，并测量这个吸湿材料的电阻值来推测湿度。

1. 电阻式湿度传感器的结构

– 传感器的感湿层通常由一种多孔的陶瓷材料或一层有机高分子材料制成。

– 感湿层的材料会对空气中的水汽进行吸湿或释放水汽，从而使其电阻值发生变化。

– 传感器通常有两个电极，一个直接接触感湿层，另一个用于提供参考电阻。

2. 电阻式湿度传感器的工作过程

FDR-201土壤湿度传感器

1

产品简介

土壤湿度传感器是一款高精度、高灵敏度的土壤水分测量仪器。本传感器采用电磁脉冲原理测量土壤的表观介电常数，从而得到土壤真实水分含量，具有快速准确、稳定可靠、不受土壤中化肥和金属离子的影响等特点。土壤水分传感器可测量土壤水分的体积百分比，是符合目前国际标准的土壤水分测量方法。

适用于土壤墒情监测、科学试验、农业灌溉、温室大棚、花卉蔬菜、草地牧场、土壤速测、植物培养等场合。

具备以下特点：

（1）电极采用特殊处理的合金材料，可承受较强的外力冲击，不易损坏。

（2）完全密封，可埋入土壤或直接投入水中进行长期动态检测。

（3）精度高，响应快，互换性好，探针插入式设计保证测量精确，性能可靠。

（4）完善的保护电路。

技术参数

土壤湿度：

量程：0-100%RH；分辨率：0.01%RH；精度：5%

供电电压：DC5V-24V

信号输出：RS485，Modbus协议

测量原理：土壤水分FDR频域法

防护等级：IP68浸没水中可长期使用

运行环境：-40~85℃

探针材料：防腐特制电极

密封材料：黑色阻燃环氧树脂 安装方式：全部埋入或探针全部插入被测介质

默认线缆长度：5米，线缆长度可按要求定制

连接方式：预装冷压端子

外形尺寸：45*15*135mm

电极长度：50mm

接线方法

（1）若配备本公司生产的气象站，直接使用传感器线将传感器与气象站上的相应接口相连即可。

（2）若单独购买变送器，变送器配套线线序分别为：

线颜色 输出信号

通讯型

红色 电源正

黑色 电源地

黄色 A+/TX

蓝色 B-/RX

安装与测量

湿度传感器主要技术参数

最大参数（Ta=25℃）

参数 符号 参数值 单位

工作温度 Ta -40~100 ℃

储存温度 Tstg -40~125 ℃

供电电压 Vs 10 Vac

湿度范围 RH 0~100 %RH

焊接时间@T=260℃ t 10 S%

特征参数（Ta=25℃，@10KH，）

特征参数 符号 Min Typ Max 单位

湿度测量范围 RH 1 99 5

供电电压 Vs 5 10 V

标称电容@55%RH C 177 180 183 pF

温度效应 Tcc 0.04 pF/℃

平均灵敏度（33%~75%RH） △C/%RHH 0.34 pF/%RH

漏电流 Ix 1 nA

恢复时间@150小时结露 tr 10 S

迟滞 +/-1.5 %

长时间稳定性 0.5 %RH/yr

反应时间 ta 5 S

曲线精度（10%~90%） +/-2 %RH

典型阻容频率输出回路：

此电路为典型的555非稳态电路，传感器作为电容变量接在555的TRIG与THRES两引脚上，引脚7用作电阻R4的短路。

等量电容（传感器）通过R2与R4充电到门限电压（约0.67Vcc），通过R2放电到触发电平（约0.33Vcc），然后R4通过引脚7短路倒地。传感器由不同的电阻R2与R4充放电，其工作循环可以描述如下：

Thigh=C@%RH*(R2+R4)*ln2

Tlow=C@%RH*R2*ln2

F=1/(Thigh+Tlow)=1/(C@%RH*(R4+2*R2)*ln2)

输出循环周期=Thigh*F=R2/(R4+2*R2)

为了使循环时间降低50%，则与R2相比，R4应该非常小，但是不要低于最小值。

R3是为了短路保护，555必须为COMS。 555电路的非平衡电阻R1是做内部温度补偿，目的是为了引入温度效应，使它与传感器的温度效应相匹配，R1必须象所有的R-C时钟电阻的要求一样，1%的精度，做大的温度效应应该小于100ppm。由于不同型号的555的内部温度补偿有所不同，R1的值必须与特定的芯片相匹配，为了保证在55%RH的典型湿度值为6660Hz，R2也需要做稍许修正。如下表：