基礎知識之濕度傳感器

濕度傳感器是一種用于測量環境濕度水分含量的設備。它們通常使用一種被稱為濕度傳感器或濕度檢測器的技術來檢測大氣中的水分含量。

工作原理：

電阻式濕度傳感器的工作原理基于濕度對濕度敏感材料電阻值的影響。一般情況下，這種濕度敏感材料是一種高分子聚合物或陶瓷。

當濕度傳感器暴露在環境中時，材料吸收或釋放水分，從而導致其電阻值發生變化。這是因為濕度水分的存在會改變材料內部的電導性能。

通常，濕度敏感材料在干燥環境下會呈現較高的電阻值，而在濕度較高的環境中，材料的電阻值會降低。

電阻式濕度傳感器通過測量這種電阻值的變化來推斷環境中的濕度水分含量。它們通常與電路中的測量電橋或調諧電路結合使用，以獲取濕度的準確讀數。

類型：

1.基于聚合物的傳感器：利用吸收或釋放水分的聚合物材料，從而導致電阻變化。

2.陶瓷型傳感器：陶瓷型濕度傳感器依靠陶瓷材料的吸濕特性來測量濕度。

優點：

1.經濟高效：與其他類型的濕度傳感器相比，電阻濕度傳感器通常更便宜，這使其成為許多應用的經濟高效選擇。

2.簡單性：傳感器設計簡單，測量原理簡單，可以輕松集成到各種系統中。

3.可靠性：電阻濕度傳感器可以隨著時間的推移提供可靠且穩定的測量。

4.寬測量范圍：傳感器提供寬測量范圍，涵蓋整個濕度水平范圍，使其適合各種應用。

缺點：

1.對污染物的敏感性：電阻濕度傳感器可能對灰塵、油或化學品等污染物敏感。 污染物會影響傳感器的準確性和性能，需要定期清潔和維護。

2.長期穩定性有限：一些電阻濕度傳感器的性能可能會隨著時間的推移而出現長期漂移或下降。 可能需要定期重新校準以保持準確的測量。

3.溫度依賴性：電阻濕度傳感器可能具有一定程度的溫度依賴性。 溫度波動會影響電阻測量，需要溫度補償技術來獲得準確的濕度讀數。

4.響應時間：電阻濕度傳感器的響應時間通常較慢。

電容式濕度傳感器通常由兩個電極組成，它們之間形成一個電容。其中一個電極通常是濕度敏感材料，例如一層吸濕材料或涂層。

當環境濕度變化時，濕度敏感材料會吸濕或釋放濕氣，導致電容的改變。具體來說，濕度的增加會導致濕度敏感材料的吸濕，材料體積膨脹，使電極間的距離縮小，電容值增加。相反，濕度的減小會導致材料的脫水，材料體積收縮，電極間的距離增加，電容值減小。

通過測量電容的變化，可以推斷環境中的濕度水分含量。電容式濕度傳感器通常使用電路中的振蕩器或諧振電路來測量電容值。傳感器的輸出可以是模擬信號或數字信號，經過相應的信號處理和轉換后，得到濕度的讀數。

類型：

1.叉指電極傳感器：這些傳感器由形成電容器的叉指電極組成。 電容隨濕度變化，傳感器測量電容的變化以確定濕度水平。

2.聚合物薄膜傳感器：這些傳感器使用對濕度敏感的聚合物薄膜，該薄膜會吸收或釋放水分，從而導致薄膜的介電常數和電容發生變化。 然后電容變化與濕度水平相關。

優點：

1.高精度和靈敏度：電容式濕度傳感器擁有高精度和對濕度水平變化的高靈敏度。

2.寬測量范圍：這些傳感器提供寬測量范圍，使其適用于需要濕度監測和控制的廣泛應用。

3.快速響應時間：電容式濕度傳感器通常具有快速響應時間，可以實時監控和快速檢測濕度變化。

4.低功耗：電容式濕度傳感器通常具有較低的功耗要求，使其節能且適合電池供電的設備或系統。

缺點：

1.對污染物的敏感性：電容式濕度傳感器對灰塵、油或化學品等污染物很敏感。 污染物會影響傳感器的準確性和性能，因此需要定期清潔和維護。

2.溫度依賴性：一些電容式濕度傳感器可能表現出溫度依賴性。 溫度波動會影響電容測量，需要溫度補償技術來獲得準確的濕度讀數。

3.成本：電容式濕度傳感器與其他類型的濕度傳感器相比可能更昂貴，盡管其精度和性能證明了許多應用的成本合理。

4.脆弱性：電容式濕度傳感器可能很脆弱，機械應力或操作不當可能會影響其性能。 安裝和使用過程中應小心謹慎，避免損壞。

熱導濕度傳感器的工作原理是基于測量由于濕度變化而導致的氣體或材料的熱導率變化。

熱導式濕度傳感器的傳感元件由兩個溫度敏感元件組成，通常由金屬或陶瓷制成，加熱至恒溫。

當空氣中存在濕氣時，它比干燥空氣更有效地將熱量從傳感元件傳導走。 因此，與參考元件相比，暴露于濕度的傳感元件的溫度降低。

傳感器測量兩個傳感元件之間的溫差。 該溫差與濕度水平成正比。 傳感器的電子器件精確測量和處理該溫差。

熱導濕度傳感器需要校準，將溫差轉換為濕度讀數。 校準通常是通過將傳感器置于已知的濕度水平下并確定溫差與相應濕度值之間的關系來完成的。

濕度傳感器提供輸出信號，通常以電壓或數字信號的形式，代表濕度水平。 該信號可以與其他設備連接以進行顯示、數據記錄或進一步處理。

熱導濕度傳感器的工作原理是測量兩個傳感元件之間的溫度變化，一個傳感元件暴露在濕度下，另一個保持在干燥的參考環境中。 通過分析這個溫差，可以確定濕度水平。 這些傳感器具有良好的精度、線性度和穩定性等優點，適合工業、環境監測和 HVAC 系統中的各種應用。

類型：

1.傳熱傳感器：這些傳感器測量由于濕度變化而導致的氣體或材料的熱導率變化。 他們通常使用加熱元件并測量干燥參考元件和暴露于濕氣的元件之間的溫差。

2.薄膜傳感器：這些傳感器采用吸收或釋放水分、改變熱導率的薄膜材料。 熱導率的變化與濕度水平相關。

優點：

1.測量范圍寬：熱導濕度傳感器提供寬測量范圍，使其適合需要在整個范圍內進行濕度監測的各種應用。

2.高靈敏度：這些傳感器對濕度水平的變化表現出高靈敏度，可以實現精確且靈敏的濕度測量。

3.穩定性：熱導濕度傳感器往往能夠提供長期穩定性，在長期使用過程中保持一致的性能。

4.低漂移：這些傳感器通常具有低漂移，確保長期可靠且準確的測量。

缺點：

1.功耗：與其他濕度傳感器類型相比，熱導濕度傳感器的功耗較高。

2.響應時間：與其他一些傳感器類型相比，熱導濕度傳感器的響應時間可能更慢。

3.溫度依賴性：熱導濕度傳感器可能表現出一定程度的溫度依賴性。 溫度波動會影響熱導率測量，需要溫度補償技術來獲得準確的濕度讀數。

4.耐污染物能力有限：這些傳感器可能對灰塵或油等污染物敏感，可能會影響其準確性和性能。 可能需要定期清潔和維護。

1.天氣預報：濕度傳感器在天氣監測和預報中發揮著至關重要的作用。 通過提供準確、實時的濕度數據，這些數據有助于了解大氣狀況，幫助預測降水、霧和其他天氣模式。

2.室內環境控制：濕度傳感器用于HVAC（供暖、通風和空調）系統和智能家居自動化，以保持最佳的室內舒適度和空氣質量。 通過監測和控制濕度水平，這些傳感器有助于防止霉菌生長、冷凝和不適等問題。 它們有助于提高能源效率、居住者健康和整體舒適度。

3.工業過程：濕度傳感器用于工業應用，例如制造、食品加工、藥品生產和儲存設施。 它們確保產品質量控制、工藝優化和保存所需的適當濕度條件。 保持適當的濕度水平可以防止腐敗、保持產品完整性并提高工業運營效率。

4.農業和園藝：濕度傳感器在農業環境中用于監測和控制溫室環境。 它們有助于優化植物生長的濕度、防止疾病爆發并確保高效用水。 濕度傳感器有助于精準農業，使農民能夠優化灌溉、控制與濕度相關的作物病害，并提高總體產量和質量。

5.博物館和檔案館：濕度傳感器用于文化遺產保護，以保持文物、藝術品和檔案材料的最佳濕度水平。 通過確保穩定的濕度條件，這些傳感器可以防止在濕度過高的環境中發生退化、霉菌生長和其他形式的損壞。

6.醫療和保健：濕度傳感器應用于醫療設備、呼吸設備和培養箱，其中精確的濕度控制至關重要。 它們有助于患者舒適、準確的藥物輸送和無菌環境的維護。 濕度傳感器還用于藥品和實驗室樣品的濕度控制存儲系統。

7.能源效率：濕度傳感器被納入節能系統中，例如能量回收通風機和除濕系統。 通過根據濕度水平智能調節通風和除濕，這些傳感器有助于節約能源、降低能源成本并改善室內空氣質量。

1.Sensirion (瑞士賽塞爾公司)

2.Honeywell (霍尼韋爾)

3.TE Connectivity (泰科電子)

4.Amphenol Advanced Sensors (安費諾先進傳感器)

5.Vaisala (威賽拉)

6.STMicroelectronics (意法半導體)

7.Texas Instruments (德州儀器)

HIH-4030

介紹：

HIH-4030濕度傳感器由霍尼韋爾制造，是一款廣泛應用于各種應用的電阻式濕度傳感器。其中濕度敏感聚合物薄膜的電阻變化與濕度水平相關。 它提供準確可靠的濕度測量。

測量范圍：

測量范圍通常為 0% 至 100% 相對濕度 (RH)。

測量精度：

通常在 ±3.5% RH 以內 輸出接口：

模擬輸出，通常采用與測量的相對濕度水平成正比的電壓信號形式

HIH-5030

介紹：

HIH-5030濕度傳感器由霍尼韋爾制造，是一款電容式濕度傳感器，通過檢測濕度變化引起的電容變化來測量濕度。 它提供準確可靠的濕度測量。

測量范圍：

0% 至 100% 相對濕度 (RH)

測量精度：

±3% RH 以內的精度

輸出接口：

模擬輸出，通常采用與測量的相對濕度水平成正比的電壓信號形式

DHT11

介紹：

DHT11是一款數字溫濕度傳感器。它是一種經濟實惠、簡單易用的環境傳感器，廣泛應用于各種電子項目和設備中。DHT11傳感器可以同時測量環境的溫度和濕度。

測量范圍：

DHT11傳感器可以測量的溫度范圍為攝氏0度至50度。測量相對濕度范圍為20%到90%。這些范圍通常適用于室內環境的監測。

測量精度：

溫度測量，DHT11的精度約為±2攝氏度。濕度測量，其精度約為±5%。

輸出接口：

DHT11傳感器使用數字單線接口進行數據通信。它只需要一根數據線與主控設備相連，通過該線路進行數據傳輸。數據傳輸采用一種簡單的協議，傳感器將溫度和濕度數據編碼后發送給主控設備，主控設備再解析數據并進行相應的處理。

DHT11測量溫濕度

import machine
from oled import oled
from ssd1306 import SSD1306_SPI
from board import pin_cfg
import time
import framebuf

# 定義連接到 DHT11 數據線的引腳
data_pin=machine.Pin(17, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_UP)

def readdata():
    # 向 DHT11 傳感器發送啟動信號
    data_pin.init(machine.Pin.OUT)
    data_pin.low()
    time.sleep_ms(20)#微處理器的I/O設置為輸出同時輸出低電平，且低電平保持時間不能小于18ms（最大不得超過30ms）
    data_pin.high()
    data_pin.init(machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_UP)
    # 等待 DHT11 傳感器響應
    while data_pin.value() == 1:
        pass
    while data_pin.value() == 0:
        pass
    while data_pin.value() == 1:
        pass
    data_pro = []
    j=0
    k=0
    while j < 40:
        k = 0
        while data_pin.value() == 0:
            pass
        while data_pin.value() == 1:
            k += 1
            if k > 100:
                break
        if k < 3:
            data_pro.append(0)
        else:
            data_pro.append(1)
        j += 1
    return data_pro

def read():
    # 讀取傳感器數據并驗證校驗和
    data=[]
    data = readdata()
    humidity_bit=data[0:8]
    humidity_point_bit=data[8:16]
    temperature_bit=data[16:24]
    temperature_point_bit=data[24:32]
    check_bit=data[32:40]
    humidity=0
    humidity_point=0
    temperature=0
    temperature_point=0
    check=0
    #溫度、濕度、校驗位計算
    for i in range(8):
        #濕度計算
        humidity+=humidity_bit[i]*2**(7-i)
        humidity_point+=humidity_point_bit[i]*2**(7-i)
        #溫度計算
        temperature+=temperature_bit[i]*2**(7-i)
        temperature_point+=temperature_point_bit[i]*2**(7-i)
        #校驗位計算
        check+=check_bit[i]*2**(7-i)
    tmp=humidity+humidity_point+temperature+temperature_point
    return temperature, humidity

while True:
    # 嘗試從DHT11傳感器讀取溫度和濕度數據
    temperature, humidity = read()
    print("Temperature:", temperature, "°C")
    print("Humidity:", humidity, "%")
    oled.fill(0)
    oled.show()
    oled.text("Humidity:"+str(humidity)+"%",16,20)
    oled.text("Temperature:"+str(temperature)+"C",5,30)
    oled.show()
    time.sleep(2)  # 等待 2 秒，然后進行下一次讀數