舌体湿分含量测量仪的设计与研究 第5页
透时，由于水分子间及水分子和聚合物链段之间相互作用可能有成簇迁移、溶胀
等现象发生[17]，使水分子在膜中的溶解不符合Henry定律，因此这里认为水分子
在膜涂层和致密表皮层中的渗透系数P1（p）和P2（p）是舌体侧压力的正比例函
数。
基于对水分子在毛细管内的流动分析，Carman等提出水分子通过多孔介质
的流动主要是努森流动和粘性流动的共同作用[23]。水分子通过膜多孔部分渗透
速率为：式中第一项为努森流动的贡献，第二项为粘性流动的贡献。其中=273K，
参数a和b为：=i i i p(2-14)
式中，m为平均孔径，T为操作温度，ε为孔隙率，L为膜厚度，q为弯曲
率因子，R为气体渗透阻力，M为分子量，η为粘度，△p为膜孔两侧压力差，和k为膜孔形状参数，Carman认为对所有多孔膜：
1=0.8，k=2.5。
因此，水分子通过聚砜非对称膜致密皮层有孔和多孔支撑层部分传质阻力可
以分别表达为：i i i
(2-16)
L4和ε分别为支撑层厚度和孔隙率，m和m’分别为支撑层和皮层缺陷孔平均
孔径。
我们选用的聚砜多孔膜表面质地均匀，基本无缺陷，涂层厚度0.5μm，致密
层厚度0.05μm，平均孔径20nm，孔隙率1.0*10
-6
。
水分子渗透速率J是渗透量Q与膜两侧压差△p的比值，与总阻力成反比，
-9-天津大学硕士学位论文第二章[检测原理及敏感组件]由相对湿度的定义可知，水分子的压力可以用相对湿度与对应温度下饱和水
蒸气压力的乘积表示，因此，将式(2-9)~(2-11)和(2-14)中各项含水蒸气压力的因
子都除以对应温度下的饱和水蒸气压力，即可用相对湿度与对应温度下饱和水蒸
气压力的乘积表示渗透速率。式中，pTN为舌面温度下饱和水蒸气压力，HT为舌面相对湿度，pSN为传感器
侧温度下饱和水蒸气压力，HS为传感器侧湿度。
通过分析仍然可以得出和2.2节类似的结论，即水分子渗透速率随着水分子
压力差的变化而变化。虽然随着渗透过程的进行，压力差会逐渐减小，然而由于
舌体的水分子压力远大于传感器侧水分子压力，所以可以看成水分渗透速率正比
于舌体水分子压力，即正比于舌体水分子含量。在后面的论述中，为了表示方便，
用舌体湿度来表示舌体水分子含量。
在相同的环境湿度、温度和舌面温度下，渗透速率正比于舌体湿度，而传感
器检测到的湿度变化率与对应温度下饱和水蒸气压力的乘积，即传感器侧水分子
压力变化率则正比例于渗透速率。也就是说，如果传感器侧水分子压力变化率越
大，则表明渗透速率越大，舌体湿度也就越大。相反，如果传感器侧水分子压力
变化率越小，则表明渗透速率越小，舌体湿度也就越小。因此，我们采用计算传
感器侧水分子压力变化率的方法来检测舌体的干湿润燥程度。
2.4湿度传感器
2.4.1湿度传感器的分类
-10-天津大学硕士学位论文第二章[检测原理及敏感组件]
湿度测量是一门古老的科学。湿度测量仪器从早期的毛发湿度计、干湿球湿
度计、露点湿度计，发展到当代利用各种物质吸收水分时电性能（如电阻、电容、
频率等）的变化而设计的各种湿度计，以及利用湿空气光学特性的红外、紫外吸
收湿度计，乃至光纤湿度计。
国家标准GB/T11605和GB5832规定了以下7类湿度测量方法，其中涉及到
以上大多数类型的仪器[17,21,24]。
（1）伸缩法利用毛发等材料的长度随湿度而变化的特性直接指示相对湿
度。
（2）干湿球法用两支相同的温度计分别测量干球和湿球的温度，导出湿
度值。其中湿球温度计的温泡套有脱脂纱布套并用蒸馏水保持湿润。
（3）冷凝露点法用等压冷却的方法使被测气样中的水汽在露层传感器表
面与水（或冰）的水平表面呈热力学平衡状态，此时的镜面温度即为该气样的露
点（霜点）。
（4）氯化锂露点法通过测量氯化锂饱和水溶液的水汽压与气样的水汽压
平衡时的温度确定露点。
（5）电阻、电容法利用湿敏组件的电阻、电容随环境湿度的变化而按一
定规律变化的特性，经湿度标准标定后，获得湿度值。
（6）电解法气样流经一个特殊结构的电解池时，所含的水汽被五氧化二
磷膜层吸收并电解，当吸收和电解过程平衡时，电解电流正比于气样中的水汽含
量，通过测量电解电流可知气样的湿度。
（7）重量法在密闭气路中利用五氧化二磷吸收气样中的水汽，准确测量
气样的体积和吸收水分的质量即可获得气样的湿度。
其中电阻、电容法是最简单也是常用的测量方法，受到极大的关注，近年来
发展飞速。
2.4.2电阻式湿度传感器
电阻式湿度传感器最早是从电解质氯化锂湿敏组件开始的。其特点是在基片
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，组件的
电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的种类很多，
五花八门，其中主要有电解质、溶胀性有机物、高分子有机聚合物和金属氧化物
多孔陶瓷几大类。电阻式湿度传感器的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产
品的互换性差。
2.4.3电容式湿度传感器
-11-天津大学硕士学位论文第二章[检测原理及敏感组件]
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、酷酸醋酸纤文等。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。电容式湿敏组
件性能好，自1974年问世以来，发展迅速，已成为“电湿度计”中的佼佼者。
湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、
便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。
2.5数字式湿度传感器
通过多方面的比较和测试之后，设计最终采用了具有I
2
C总线接口的单片全
校准数字式相对湿度和温度传感器SHT11。
2.5.1 SHT11的内部框图与测量原理
（1）内部框图
加热器
相对湿度
传感器
温度传感器
放大器
控制
单元
低电压监测电路
校准存储器EEPRROM
随机存取存储器RAM
14位A/D
转换器
循环冗余校验码
（CRC）寄存器
状态寄存器图2-2 SHT11内部结构图
数字式相对湿度和温度传感器SHT11采用独特的CMOSens TM技术，将相
对湿度传感器、温度传感器、信号放大调理、A/D转换、总线接口全部集成于同
一个芯片上面，从而发挥出它们强大的优势互补作用，具有数字式输出、免调试、
免标定、响应超快、免外围电路及全互换的特点。图2-2是SHT11的内部结构
图。
（2）测量原理
SHT11的测量原理是首先利用两只传感器分别产生相对湿度、温度的信号，
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