今日热文：小小湿度传感器有何大用途？

2023-03-20 09:07:08 来源：科普中国

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(资料图片)

作者：许永（中国科学院大学）

监制：中国科普博览

湿度是用来表征空气含水量的一个物理量，随着社会的不断发展进步，湿度的检测和控制变得越来越重要。当谈到湿度传感器，大家是不是很陌生呢？其实湿度传感器在我们的生活中就有很广泛的应用。湿度传感器虽小，但是却有很大的用途！接下来我们就具体了解一下什么是湿度传感器，湿度传感器的分类、工作原理以及应用吧！

湿度传感器分类及工作原理

根据信号转换方式的不同，湿度传感器可以分为声学式湿度传感器、电学式湿度传感器、光学式湿度传感器等。声学式湿度传感器是按照声学信号会随湿度的改变而变化的原理制作的。电学式湿度传感器包括电阻式湿度传感器和电容式湿度传感器。它们分别是根据电容或电阻随湿度的变化而改变的原理制作的。光学式湿度传感器是利用湿度改变导致媒介层性质改变，从而使光传播性质发生改变的原理制作的。下边以电学传感器为例，具体介绍其工作原理。

湿度传感器的工作原理是利用一些对湿度变化十分敏感的材料（湿敏材料），比如陶瓷或聚合物，它们吸收或释放水分时，湿敏材料的电导率会发生改变，这种变化被处理器读取，并按照一定的规律转换成模拟信号或者数字信号，最终显示出相应的湿度值。

目前，我们日常使用的湿度计大多使用电学传感器，而且很多内部集成了温度传感器，图中即为温湿度传感器的集成图片来源：wikipedia

湿度传感器的应用

湿度传感器在航空航天、工业制造、气象学、日常生活和医疗保健等许多领域都有着广泛的应用。

湿度传感器在航空航天中的应用。

当空气湿度高时，由于飞机机翼表面的气动性能将会大大降低，可能会导致结露现象以及飞行员视线模糊等问题。因此，为了确保飞行器的安全性和稳定性，我们常常利用湿度传感器来检测控制航空器的内外部湿度。在飞机内部，湿度传感器常常被安装在机舱内以及机组人员使用的区域。通过湿度的相关数据，飞行员可以合理地制定航行计划并应对意外的天气情况等。

湿度过大往往会造成机舱外结冰，影响飞机性能及飞行员视线图片来源：wikipedia

飞机外部的温湿度计一般都集成在一起，左图为温湿度计的结构，右图为其安装位置图片来源：Berkes F, Neis P, Schultz M G, et al. Two decades of in-situ temperature measurements in the upper troposphere and lowermost stratosphere from IAGOS long-term routine observation[J]. Atmospheric chemistry and physics/Discussions, 2017, 494(FZJ-2017-06050).

湿度传感器在工业制造中扮演着重要的角色。

在工业生产中，空气湿度不仅影响机器设备的使用寿命，而且对产品的质量有着很大影响。如果空气湿度偏高，会加剧设备的老化。因此，适当的空气湿度生产设备的保护十分重要。电子产品长期处于湿度偏高的环境中，甚至可能会发生短路现象。所以在工业制造中，湿度传感器的应用，对于湿度的检测控制尤为重要。

（图片来源：Veer图库）

在日常生活中，人们也会用到湿度传感器。

空气湿度过高可能会引起食品的快速发霉腐烂等问题。当空气湿度高时，一些对于人们身体有害霉菌会快速繁殖。食用含有有害霉菌的食物会影响人们的健康，甚至会导致生命危险。在食品生产和运输过程中，人们会运用湿度传感器对空气湿度进行检测并采取相应措施控制湿度。

（图片来源：Veer图库）

湿度传感器在气象学中的应用也十分广泛。

湿度表示空气中水蒸气的含量。在温度和体积一定时，空气中的水蒸气越多，空气越潮湿，湿度越大；相反，空气中的水蒸气越少，空气越干燥，湿度越小。

天气预报对农业生产、科学实验、军事和日常生活发挥着关键作用。因此气象站会利用湿度传感器检测空气中的相对湿度，并对数据进行分析来评估气象条件和空气质量。

（图片来源：Veer图库）

湿度传感器在医疗中也发挥着重要的作用。

近日，湘潭大学王秀锋课题组发明了这样一种隐汗湿度传感器，仅有相机内存卡大小，但具有显著的灵敏度、良好的透气性和快速响应，可以连续检测人体的汗液损失情况，实现持续监测人体体热状态与皮肤屏障功能，并评估用户心理活动和环境舒适度。

隐汗传感器的俯视图和侧视图图片来源：Liu Y, Li X, Yang H, et al. Skin-Interfaced Superhydrophobic Insensible Sweat Sensors for Evaluating Body Thermoregulation and Skin Barrier Functions[J]. ACS nano, 2023.

所谓的隐汗，也是人体出汗的一种类型。人体出汗最主要的功能之一就是散热，所以我们在剧烈运动之后往往大汗淋漓。但实际上，除了这些可见的汗液以外，人体还能以蒸汽的形式排出“隐汗”。

这种隐汗传感器小巧轻便，运用了具有超疏水性的织物。该织物可以让隐汗蒸汽渗透，同时不受外部水滴以及内部感汗液的影响。该传感器为评估神经系统活动、疾病和心理活动等提供了可行性途径，也为下一代的汗液检测设备奠定了基础。

该传感器小巧轻便，可以轻易安装在人体各个部位图片来源：Liu Y, Li X, Yang H, et al. Skin-Interfaced Superhydrophobic Insensible Sweat Sensors for Evaluating Body Thermoregulation and Skin Barrier Functions[J]. ACS nano, 2023.

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