Welche großen Einsatzmöglichkeiten bietet ein kleiner Feuchtigkeitssensor?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Xu Yong (Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Luftfeuchtigkeit ist eine physikalische Größe zur Charakterisierung des Wassergehalts der Luft. Mit der kontinuierlichen Entwicklung und dem Fortschritt der Gesellschaft ist die Erkennung und Kontrolle der Luftfeuchtigkeit immer wichtiger geworden. Sind Ihnen Feuchtigkeitssensoren unbekannt? Tatsächlich werden Feuchtigkeitssensoren in unserem Leben häufig verwendet. Feuchtigkeitssensoren sind zwar klein, können aber sehr nützlich sein! Als Nächstes sehen wir uns genauer an, was Feuchtigkeitssensoren sind, wie sie klassifiziert werden, wie sie funktionieren und welche Anwendungen sie bieten.

Klassifizierung und Funktionsprinzip des Feuchtigkeitssensors

Je nach Methode der Signalumwandlung können Feuchtigkeitssensoren in akustische Feuchtigkeitssensoren, elektrische Feuchtigkeitssensoren, optische Feuchtigkeitssensoren usw. unterteilt werden. Akustische Feuchtigkeitssensoren basieren auf dem Prinzip, dass sich akustische Signale mit Änderungen der Feuchtigkeit ändern. Zu den elektrischen Feuchtigkeitssensoren zählen resistive Feuchtigkeitssensoren und kapazitive Feuchtigkeitssensoren. Sie basieren auf dem Prinzip, dass sich Kapazität oder Widerstand mit der Feuchtigkeit ändern. Optische Feuchtigkeitssensoren basieren auf dem Prinzip, dass Änderungen der Feuchtigkeit zu Änderungen der Eigenschaften der Mediumschicht führen und dadurch die Eigenschaften der Lichtausbreitung verändern. Im Folgenden wird das Funktionsprinzip am Beispiel elektrischer Sensoren detailliert vorgestellt.

Das Funktionsprinzip eines Feuchtigkeitssensors besteht in der Verwendung von Materialien, die sehr empfindlich auf Feuchtigkeitsänderungen reagieren (hygroskopische Materialien), wie beispielsweise Keramik oder Polymere. Durch die Aufnahme oder Abgabe von Feuchtigkeit verändert sich die Leitfähigkeit der hygroskopischen Materialien. Diese Veränderung wird vom Prozessor eingelesen und nach bestimmten Regeln in analoge Signale bzw. digitale Signale umgewandelt und schließlich der entsprechende Feuchtigkeitswert angezeigt.

Derzeit verwenden die meisten Hygrometer, die wir im täglichen Leben verwenden, elektrische Sensoren und viele von ihnen verfügen über integrierte Temperatursensoren. Das Bild zeigt die Integration von Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren. Bildquelle: Wikipedia

Anwendungen für Feuchtigkeitssensoren

Feuchtigkeitssensoren werden in vielen Bereichen eingesetzt, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, der industriellen Fertigung, der Meteorologie, im täglichen Leben und im Gesundheitswesen.

Anwendungen von Feuchtigkeitssensoren in der Luft- und Raumfahrt.

Bei hoher Luftfeuchtigkeit wird die aerodynamische Leistung der Flugzeugflügeloberfläche stark reduziert, was zu Kondensation und verschwommener Sicht für den Piloten führen kann. Um die Sicherheit und Stabilität des Flugzeugs zu gewährleisten, verwenden wir daher häufig Feuchtigkeitssensoren, um die innere und äußere Luftfeuchtigkeit des Flugzeugs zu erfassen und zu kontrollieren. In Flugzeugen werden häufig Feuchtigkeitssensoren in der Kabine und in den von Besatzungsmitgliedern genutzten Bereichen installiert. Mithilfe von Feuchtigkeitsdaten können Piloten sinnvolle Flugpläne erstellen und mit unerwarteten Wetterbedingungen usw. umgehen.

Übermäßige Luftfeuchtigkeit führt häufig zur Bildung von Eis außerhalb der Kabine, was die Leistung des Flugzeugs und die Sicht des Piloten beeinträchtigt. Bildquelle: Wikipedia

Thermohygrometer an der Außenseite von Flugzeugen sind in der Regel integriert. Das linke Bild zeigt den Aufbau des Thermohygrometers, das rechte Bild seinen Einbauort. Bildquelle: Berkes F, Neis P, Schultz MG, et al. Zwei Jahrzehnte In-situ-Temperaturmessungen in der oberen Troposphäre und der untersten Stratosphäre aus der langfristigen Routinebeobachtung von IAGOS[J]. Atmosphärenchemie und -physik/Diskussionen, 2017, 494 (FZJ-2017-06050).

Feuchtigkeitssensoren spielen in der industriellen Fertigung eine wichtige Rolle.

In der industriellen Produktion beeinflusst die Luftfeuchtigkeit nicht nur die Lebensdauer von Maschinen und Anlagen, sondern hat auch großen Einfluss auf die Produktqualität. Eine zu hohe Luftfeuchtigkeit beschleunigt die Alterung der Geräte. Daher ist ein angemessener Schutz der Produktionsanlagen vor Luftfeuchtigkeit sehr wichtig. Wenn elektronische Produkte längere Zeit hoher Luftfeuchtigkeit ausgesetzt sind, kann es zu Kurzschlüssen kommen. Daher ist in der industriellen Fertigung der Einsatz von Feuchtesensoren zur Feuchtigkeitserfassung und -regelung besonders wichtig.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Auch im Alltag kommen Feuchtigkeitssensoren zum Einsatz.

Zu hohe Luftfeuchtigkeit kann zu Problemen wie schneller Schimmelbildung und Verderben der Lebensmittel führen. Bei hoher Luftfeuchtigkeit vermehren sich einige gesundheitsschädliche Schimmelpilze rasant. Der Verzehr von Lebensmitteln, die schädlichen Schimmel enthalten, kann die Gesundheit beeinträchtigen und sogar lebensbedrohlich sein. Bei der Produktion und beim Transport von Lebensmitteln werden Feuchtigkeitssensoren eingesetzt, um die Luftfeuchtigkeit zu erfassen und entsprechende Maßnahmen zur Kontrolle der Luftfeuchtigkeit zu ergreifen.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Auch in der Meteorologie finden Feuchtigkeitssensoren breite Anwendung.

Die Luftfeuchtigkeit gibt die Menge an Wasserdampf in der Luft an. Bei konstanter Temperatur und Volumen gilt: Je mehr Wasserdampf in der Luft ist, desto feuchter ist die Luft und desto höher ist die Luftfeuchtigkeit. Umgekehrt gilt: Je weniger Wasserdampf in der Luft ist, desto trockener ist die Luft und desto geringer ist die Luftfeuchtigkeit.

Wettervorhersagen spielen eine Schlüsselrolle in der landwirtschaftlichen Produktion, bei wissenschaftlichen Experimenten, beim Militär und im täglichen Leben. Daher verwenden Wetterstationen Feuchtigkeitssensoren, um die relative Luftfeuchtigkeit zu ermitteln und die Daten zu analysieren, um die meteorologischen Bedingungen und die Luftqualität zu beurteilen.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Auch in medizinischen Anwendungen spielen Feuchtigkeitssensoren eine wichtige Rolle.

Kürzlich hat die Forschungsgruppe von Wang Xiufeng an der Xiangtan-Universität einen versteckten Schweißfeuchtigkeitssensor erfunden, der nur die Größe einer Kamera-Speicherkarte hat, aber über eine hohe Empfindlichkeit, gute Luftdurchlässigkeit und schnelle Reaktion verfügt. Es kann kontinuierlich den Schweißverlust des Körpers erfassen, den Körperwärmestatus und die Hautbarrierefunktion des Körpers kontinuierlich überwachen und die psychologischen Aktivitäten und den Umgebungskomfort des Benutzers bewerten.

Draufsicht und Seitenansicht des unsichtbaren Schweißsensors. Bildquelle: Liu Y, Li X, Yang H, et al. Mit der Haut verbundene superhydrophobe, unempfindliche Schweißsensoren zur Bewertung der Körpertemperaturregulierung und der Hautbarrierefunktionen[J]. ACS nano, 2023.

Auch der sogenannte versteckte Schweiß ist eine Art des Schwitzens im menschlichen Körper. Eine der Hauptfunktionen des Schwitzens im menschlichen Körper besteht darin, Wärme abzuleiten. Daher schwitzen wir nach anstrengenden Übungen oft stark. Tatsächlich kann der menschliche Körper neben diesem sichtbaren Schweiß auch „versteckten Schweiß“ in Form von Dampf ausscheiden.

Dieser unsichtbare Schweißsensor ist klein und leicht und besteht aus superhydrophobem Gewebe. Der Stoff lässt verborgenen Schweißdampf durch, ist aber unempfindlich gegenüber äußeren Wassertropfen und innerer Schweißbildung. Der Sensor bietet eine praktikable Möglichkeit zur Bewertung der Aktivität des Nervensystems, von Krankheiten und psychischen Aktivitäten und legt zudem den Grundstein für die nächste Generation von Geräten zur Schweißerkennung.

Der Sensor ist klein und leicht und kann einfach an verschiedenen Stellen des menschlichen Körpers installiert werden. Bildquelle: Liu Y, Li X, Yang H, et al. Mit der Haut verbundene superhydrophobe, unempfindliche Schweißsensoren zur Bewertung der Körpertemperaturregulierung und der Hautbarrierefunktionen[J]. ACS nano, 2023.