摘 要

湿度监测和控制技术从农耕文明时代开始便是人们日常生活生产离不开的难题。随着科学技术的不断发展，人们对传感器的精度以及响应速度提出了越来越高的要求，湿度传感器也随之从传统的干湿球或是依赖于物体形变的传统模拟元件向数字化、集成化方向发展。但光有高精度的湿度传感器是远远不够的，在实际的现代生产条件下，如何设计适合生产需求的湿度传感系统成为了许多领域需要考虑的问题。本文从湿度传感器的响应时间与传感器位置、湿度大小及强制对流三个角度对实际生产条件做了一定简化并进行了相应的研究。为湿度传感器的具体应用提出了一些有意义的结果。

关键词：湿度；湿度传感器；响应时间；传质；工业应用

Abstract

Humidity monitoring and control technology has been an inseparable problem from People's Daily life and Production since the age of agricultural civilization. With the development of science and technology, people put forward higher and higher requirements for the accuracy and response speed of sensors, humidity sensors are also eloved from traditional Wet and Dry bulb hygrometer or some other hygrometers which depend on the object deformation to digitization and integration. However, the high-precision humidity sensor is far from enough to meet the needs of practical applications. Under contemporary production conditions, it is a vital thing to many fields that scientists should consider how to design humidity sensor systems correspond with industrial demand. In this page, some simplifications were made on the actual industrial conditions and did some researches on the relationship between response time and the location of sensor, the relationship between response time and humidity source, the relationship between response time and mass transfer. Some constructive Suggestions were put forward for the application of humidity sensor.

Keywords: Humidity; Humidity sensor; Response time; Mass transfer; Application on industry

目录

摘要 I

Abstract I

第一章 文献综述 1

1.1 前言 1

1.2 湿度检测技术简介 1

1.3 湿度检测技术发展及研究现状 1

1.3.1 干湿球法 1

1.3.2 露点法 2

1.3.3 电湿度计法 2

1.3.4 其它方法 3

1.4 湿度传感技术应用及前景展望 4

第二章 实验部分 5

2.1 实验仪器 5

2.2实验原理 7

2.2.1实验装置设计 7

2.2.2 实验监测原理 8

2.2.3 实验流程设计 9

2.3 实验步骤 9

2.3.1传感器响应时间与传质关系 9

2.3.2传感器响应时间与探头位置关系 10

2.3.3传感器响应时间与湿度源关系 10

第三章 结果与讨论 11

3.1 湿度随时间变化曲线 11

3.2 其他变量对于实验结果的影响 14

3.3 分析与讨论 14

3.3.1 传感器响应时间与传质关系 15

3.3.2 传感器响应时间与探头位置关系 15

3.3.3 传感器响应时间与湿度源关系 15

3.3.4 模拟突变湿度源的方案选择 16

3.3.5 对实验数据的一些其他分析 16

3.3.6 实验结论 16

第四章 研究展望 18

参考文献 19

致谢 21

第一章 文献综述

1.1 前言

随着科学技术的不断发展和时代的变化，食品、电力、金属、发电、石油、水处理、医药医疗、精密元器件等领域^[1]对于湿度控制提出了更高的要求，湿度不仅关系到工业产品的质量与产量，而且对于安全生产和节能灯角度都具有十分重要的意义，而若提到湿度的控制就一定离不开湿度检测技术。湿度检测技术近一个世纪以来已经有了长足的发展，基于不同原理的许多新方法和仪器被应用到湿度检测中。而近年来最受关注的便是各类湿度传感器。湿度传感器相比传统的方法有着能够测量微量水分、灵敏度高、测量速度快、能够连续检测、精度高等优点。

1.2 湿度检测技术简介

湿度是表示大气干燥程度的物理量，常用绝对湿度、相对湿度、露点温度等物理量来表示。湿度与人们的生产生活行动息息相关：在日常生活中，湿度影响着人们的健康状况和生活环境质量；在生产活动中，对湿度进行准确地控制也是保证生产活动顺利进行的重要条件之一。为了满足对湿度进行监测和控制的需求，湿度监测技术应运而生。从古老的毛发湿度计，到有比较完善理论的干湿球湿度计，再到至今仍在不断革新的电湿度计，湿度检测技术已经经历了很长时间的发展。而各种各样的湿度传感系统在不同的领域中起到着尤为关键的作用，例如考古学中对于文物的保护、天文学中对于湿度敏感的大型望远镜的保护、农业中温室大棚的湿度控制、IT行业和电子元件行业对精密仪器工作环境的监测等等。

1.3 湿度检测技术发展及研究现状

1.3.1 干湿球法

自1750年Richman发现湿球温度计温度低于干球温度计以来已经过了两个多世纪，作为一种至今仍然可靠而广泛应用的湿度测量法，干湿球测量法仍在湿度测量应用中占有重要的地位。早期的干湿球湿度计由两个通过U型管连接的两个玻璃球组成，其中一个玻璃球用湿纱布包裹，U型管内有染色的硫酸。由于蒸发作用，湿球的温度下降，引起U型管内液体的位移，其高度变化反应了湿球的蒸发率，进而指示了空气湿度。从十九世纪初，人们就开始对湿球理论进行深入的研究，Apjohn和August基于对流理论建立了干湿球方程；十九世纪后半期Maxwell根据扩散理论导出了完全相同的结果。他们的研究成为了湿球理论的基础。而到了二十世纪三十年代，以Svensson和Arnold为代表的学者，在前人研究的基础上，利用传热、传质方面的新成就建立了比较完整的湿球理论^[2]。精密的阿斯曼通风干事表长期以来都是检定其他湿度计的二等标准。A.V. Khomenko^[3]等利用两台用扭曲双折射光纤作为温敏材料的Sagnac干涉仪分别对干球和湿球进行温度检测，由此制得了检测温度和相对湿度误差分别不超过0.01 ℃和4%干湿球湿度计。

1.3.2 露点法

露点法同样是一种古老的湿度测量法，露点法有着相当的理论基础上，测量准确度高，范围广。露点仪广泛用于满足实验室和气象学需求，同样在现代湿度测量技术中占有相当重要的位置。由于露点温度仅取决于水汽的压力，且不存在原理方面的局限性，因此在广泛的温度范围下都具有着很高的精确度。露点法的发展主要体现在四个方面:①制冷方法②露点温度的测量方法③露的检测方法④镜面材料的选择。而在二十世纪五十年代末期就已经出现了利用光电技术实现完全自动化的光电露点仪^[4]。

1.3.3 电湿度计法

电湿度计和库伦湿度计都是在二十世纪中期出现的基于电学特性制造的新型湿度计。不同之处在于库伦湿度计通过测量电流变化而得到湿度，其的敏感元件是电解池；而电湿度计则基于吸湿物质的电阻或电容变化来测量湿度。库伦湿度计对于使用条件较为苛刻，对于温度，所测空气的流速以及环境压力都有一定要求，但不失为一种优秀的测量干空气和为数众多的工业气体中微量水分的方法。而电湿度计湿敏元件性能与所选的材料是息息相关的，研究较多的有电解质系湿敏元件 , 有机材料系湿度元件和金属氧化物系陶瓷湿敏元件。沈君权等^[5]介绍了Al2O3-TiO2多孔陶瓷湿度传感元件和磷灰石系多孔陶瓷湿度传感元件的制造方式和使用性能，并且对如何提升多孔陶瓷湿敏元件稳定性提出了一些行之有效的方法。Elizabeth C. Dickey^[6]等使用经阳极化过程得到的纳米多孔氧化铝薄膜作为室温下氨和湿度的双功能传感元件并且研究了它的特性。周艳秋和宋占伟^[7]将导电炭黑分散在羟乙基纤维素和聚乙烯醇两种载体上，研究了这种复合感湿材料的传感特性，为利用其特性制造对高湿状态进行自动检测和控制的开关型传感器的提供了依据。周文和^[8]等利用聚酰亚胺膜电容量与空气湿度成线性关系的特点设计了一种较为稳定的湿度感应元件，并测试了该湿敏元件的湿容特性。Gautam Naik^[9]等利用化学剥离法得到氧化石墨烯薄层并将其用作湿敏元件，随着湿度的改变湿敏元件的电阻也发生变化；特别的，在50%以上和以下的湿度内元件的电学性质表现不一样，Gautam Naik等提出了一种解释这种现象的机理。Sung Pil Lee^[10]等将有纳米结构的氮化碳(CN_x)薄膜用作湿敏元件，设计了一种集成式的湿度传感器。

1.3.4 其它方法

利用物件的几何大小变化而制成的湿度计同样是一种古老的湿度检测方法。这类传感器的湿敏材料五花八门：木头、棉线、毛发、丝绸、肠衣等都在湿度计的历史上留下过一笔。这其中以毛发为材料的湿度传感器尤其著名。两个世纪以来，无数学者为毛发湿度传感器的改良和原理探明做出了大量的努力，但毛发湿度传感器的局限性已不能满足更高精度的湿度检测需求。通过使用新型湿敏材料并观测光束通过湿敏材料后的波长变化来建立湿度的关系式，这类湿度传感器近期在一些学者中格外受到关注。金永君等^[11]、柴敬等^[12]和向光华等^[13]各自对涂覆了湿敏材料聚酰亚胺的光纤布拉格光栅制成的湿敏元件的各个方面特性进行了研究，验证了的FBG温度传感器应用于湿度测量的可行性以及良好的稳定性。于丹等^[14]使用丙烯酰胺聚合物系统设计了基于透射式与反射式光栅的两种湿度传感器并比较了两种传感器各自的优缺点。邵敏^[15]等通过将SMS光纤结构与FBG相结合，解决了FBG对环境湿度不敏感的问题，无需镀制湿敏层；并且提升了机械强度，有利于传感器封装；实验结果显示该湿敏元件对湿度变化灵敏度较好，同时在20-80摄氏度之间温度所带来的误差可以忽略。

一直以来，绝大多数湿度传感方面的文献都致力于改良或发现发明新的湿敏材料以改善湿度传感器的传感特性；而在实际应用中，湿度传感器的响应时间还与许多其他条件有关。例如当湿度发生源发生改变时，传感器与湿度发生源之间的距离显然会影响传感器实际检测到湿度变化所需的时间。

1.4 湿度传感技术应用及前景展望

湿度检测技术是一门古老却又贯穿近现代发展史的重要技术，只要与湿度相关的领域，都能够见到湿度传感器的应用。无论是日常生活中常用的加湿，除湿的空气调节设备，又或是电子式的家庭烹饪用具，还是汽车的结露/霜传感器；工业上各类纤维、粉末、精密电子元件、食品的生产；还有气象及地质科学的测量需求等等。在不同的领域，对于湿度传感器的响应时间、精度和工作温度范围等要求也是不一样的。而随着科技的进步，对湿度传感器的要求也越来越来越高，这也将推动湿度传感技术向缩短响应时间、适应严苛环境条件、提高元件灵敏度和精度的方向不断发展。

第二章 实验部分

2.1 实验仪器

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