第15章湿度传感器[共30页].ppt

第15章湿度传感器,一、湿度表示法 空气中含有水蒸气的量称为湿度，含有水蒸气的空气是一种混合气体主要有质量百分比和体积百分比、相对湿度和绝对湿度、露点（霜点）等表示法 1、质量百分比和体积百分比 质量为M的混合气体中，若含水蒸气的质量为m，则质量百分比为,vV100,这两种方法统称为水蒸气百分含量法mM100,在体积为V的混合气体中，若含水蒸气的体积为v，则体积百分比为,15.1湿度及湿度传感器,2、相对湿度和绝对湿度 水蒸气压是指在一定的温度条件下，混合气体中存在的水蒸气分压(p) 饱和水蒸气压是指在同一温度下，混合气体中所含水蒸气压的最大值(ps)温度越高，饱和水蒸气压越大 在某一温度下，其水蒸气压同饱和蒸气压的百分比，称为相对湿度m待测空气中水蒸气质量；V待测空气的总体积； v待测空气的绝对湿度绝对湿度表示单位体积内，空气里所含水蒸气的质量，其定义为,二、湿度传感器的主要参数 1、湿度量程 指湿度传感器技术规范中所规定的感湿范围全湿度范围用相对湿度(0100)RH表示，它是湿度传感器工作性能的一项重要指标2、感湿特征量相对湿度特性 每种湿度传感器都有其感湿特征量，如电阻、电容等，通常用电阻比较多。

以电阻为例，在规定的工作湿度范围内，湿度传感器的电阻值随环境湿度变化的关系特性曲线，简称阻湿特性有的湿度传感器的电阻值随湿度的增加而增大，这种为正特性湿敏电阻器，如Fe3O4湿敏电阻器有的阻值随着湿度的增加而减小，这种为负特性湿敏电阻器，如TiO2SnO2陶瓷湿敏电阻器对于这种湿敏电阻器，低湿时阻值不能太高，否则不利于和测量系统或控制仪表相连接5,3、感湿灵敏度 简称灵敏度，又叫湿度系数其定义是在某一相对湿度范围内，相对湿度改变1RH时，湿度传感器电参量的变化值或百分率 各种不同的湿度传感器，对灵敏度的要求各不相同，对于低湿型或高湿型的湿度传感器，它们的量程较窄，要求灵敏度要很高但对于全湿型湿度传感器，并非灵敏度越大越好，因为电阻值的动态范围很宽，给配制二次仪表带来不利，所以灵敏度的大小要适当4、特征量温度系数 反映湿度传感器在感湿特征量相对湿度特性曲线随环境温度而变化的特性感湿特征量随环境温度的变化越小，环境温度变化所引起的相对湿度的误差就越小 在环境温度保持恒定时，湿度传感器特征量的相对变化量与对应的温度变化量之比，称为特征量温度系数,T温度25与另一规定环境温度之差； R1(C1)温度25时湿度传感器的电阻值(或电容值)； R2(C2)另一规定环境温度时湿度传感器的电阻值(或电容值)。

电容温度系数(%/)=,电阻温度系数(%/)=,7,5、感湿温度系数 反映湿度传感器温度特性的一个比较直观、实用的物理量它表示在两个规定的温度下，湿度传感器的电阻值(或电容值)达到相等时，其对应的相对湿度之差与两个规定的温度变化量之比，称为感湿温度系数或环境温度每变化1时，所引起的湿度传感器的湿度误差感湿温度系数 T温度25与另一规定环境温度之差； H1温度25时湿度传感器某一电阻值(或电容值)对应的相对湿度值； H2另一规定环境温度下湿度传感器另一电阻值(或电容值)对应的相对湿度RH/)=,6、湿滞现象 脱湿比吸湿迟后的现象 吸湿和脱湿特性曲线所构成的回线为湿滞回线9,7、响应时间 在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的电参量达到稳态变化量的规定比例所需要的时间一般是以相应的起始和终止这一相对湿度变化区间的63作为相对湿度变化所需要的时间，也称时间常数，它是反映湿度传感器相对湿度发生变化时，其反应速度的快慢单位是s也有规定从起始到终止90的相对湿度变化作为响应时间的响应时间又分为吸湿响应时间和脱湿响应时间大多数湿度传感器都是脱湿响应时间大于吸湿响应时间，一般以脱湿响应时间作为湿度传感器的响应时间。

10,8、电压特性 当用湿度传感器测量湿度时，所加的测试电压，不能用直流电压这是由于加直流电压引起感湿体内水分子的电解，致使电导率随时间的增加而下降，故测试电压采用交流电压右图表示湿度传感器的电阻与外加交流电压之间的关系可见，测试电压小于5V时，电压对阻湿特性没有影响但交流电压大于15V时，由于产生焦耳热，对湿度传感器的阻湿特性产生了较大影响，因而一般湿度传感的使用电压都小于10VLg R /,0,1,2,3,4,5,6,5,7,8,4,20 100Hz,11% RH,33% RH,75% RH,100% RH,U/V,二、湿度传感器 水是一种极强的电解质水分子有较大的电偶极矩，在氢原子附近有极大的正电场，因而它有很大的电子亲和力，使得水分子易吸附在固体表面并渗透到固体内部 利用水分子这一特性制成的湿度传感器称为水分子亲和力型传感器 而把与水分子亲和力无关的湿度传感器称为非水分子亲和力型传感器 在现代工业上使用的湿度传感器大多是水分子亲和力型传感器，它们将湿度的变化转换为阻抗或电容值的变化后输出湿度传感器分类,13,电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小。

陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多孔陶瓷利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成 高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极,通过浸渍或涂覆,使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜有机高分子的材料种类也很多,工作原理也各不相同 单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成制成二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件等其特点是易于和半导体电路集成在一起14,15.2 电解质湿度传感器 电解质是以离子形式导电的物质，分为固体电解质和液体电解质若物质溶于水中，在极性水分子作用下，能全部或部分地离解为自由移动的正、负离子，称为液体电解质电解质溶液的电导率与溶液的浓度有关，而溶液的浓度，在一定的温度下又是环境相对湿度的函数电解质氯化锂湿度传感器最为典型,把不同感湿范围的单片湿度传感器组合起来,可制成相对湿度工作量程为2090RH的湿度传感器,15,15.3 陶瓷湿度传感器 利用半导体陶瓷材料制成的陶瓷湿度传感器具有许多优点：测湿范围宽，可实现全湿范围内的湿度测量；工作温度高，常温湿度传感器的工作温度在150以下，而高温湿度传感器的工作温度可达800，响应时间较短，精度高，抗污染能力强，工艺简单，成本低廉。

典型产品是烧结型陶瓷湿敏元件是MgCr2O4TiO2系此外，还有TiO2-V2O5系、ZnOLi2OV2O5系、ZnCr2O4系、ZrO2MgO系、Fe3O4系、Ta2O5系等这类湿度传感器的感湿特征量大多数为电阻除Fe3O4外，都为负特性湿度传感器，即随着环境相对湿度的增加，阻值下降也有少数陶瓷湿度传感器，它的感湿特性量为电容16,1、结构 该湿度传感器的感湿体是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷这种多孔陶瓷的气孔大部分为粒间气孔,气孔直径随TiO2添加量的增加而增大粒间气孔与颗粒大小无关, 相当于一种开口毛细管,容易吸附水分材料的主晶相是MgCr2O4相,此外,还有TiO2相等,感湿体是一个多晶多相的混合物17,2、主要特性与性能 （1）电阻一湿度特性 MgCr2O4TiO2系陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特性，随着相对湿度的增加，电阻值急骤下降，基本按指数规律下降在单对数的坐标中，电阻湿度特性近似呈线性关系当相对湿度由0变为100RH时，阻值从107下降到104，即变化了三个数量级20,40,60,80,100,103,104,105,106,107,108,相对湿度/%,R/,18,（2）电阻温度特性 是在不同的温度环境下，测量陶瓷湿度传感器的电阻湿度特性。

从图可见，从20到80各条曲线的变化规律基本一致，具有负温度系数，其感湿负温度系数为0.38RH如果要求精确的湿度测量，需要对湿度传感器进行温度补偿20,40,60,80,100,103,104,105,106,107,108,相对湿度/%,20,40,60,80,R/,MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的电阻温度特性,19,MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的时间响应特性,20,40,60,80,100,0,10,20,30,94%RH 50%RH,1%RH 50%RH,t /s,%RH,（3）响应时间 响应时间特性如图根据响应时间的规定，从图中可知，响应时间小于10s20,15.4 高分子湿度传感器 用有机高分子材料制成的湿度传感器，主要是利用其吸湿性与胀缩性某些高分子电介质吸湿后，介电常数明显改变，制成了电容式湿度传感器；某些高分子电解质吸湿后，电阻明显变化，制成了电阻式湿度传感器；利用胀缩性高分子（如树脂）材料和导电粒子，在吸湿之后的开关特性，制成了结露传感器 （一）电容式湿度传感器 1、结构,高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的基本结构21,2、感湿机理与性能 电容式高分子湿度传感器，其上部多孔质的金电极可使水分子透过，水的介电系数比较大，室温时约为79。

感湿高分子材料的介电常数并不大，当水分子被高分子薄膜吸附时，介电常数发生变化随着环境湿度的提高，高分子薄膜吸附的水分子增多，因而湿度传感器的电容量增加所以根据电容量的变化可测得相对湿度22,（2）响应特性 由于高分子薄膜可以做得极薄，所以吸湿响应时间都很短，一般都小于5s，有的响应时间仅为1s （3）电容一温度特性 电容式高分子膜湿度传感器的感湿特性受温度影响非常小，在550范围内,电容温度系数约为0.06RH/,（1）电容湿度特性 其电容随着环境温度的增加而增加,基本上呈线性关系当测试频率为l.5MHz左右时,其输出特性有良好的线性度对其它测试频率,如1kHz、10kHz，尽管传感器的电容量变化很大,但线性度欠佳可外接转换电路,使电容湿度特性趋于理想直线23,（二）电阻式高分子膜湿度传感器 1、结构 聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的结构引线端,感湿膜,聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的结构,梳状电极,基片,24,2、主要特性 （1）电阻湿度特性 当环境湿度变化时，传感器在吸湿和脱湿两种情况的感湿特性曲线，如图在整个湿度范围内，传感器均有感湿特性，其阻值与相对湿度的关系在单对数坐标纸上近似为一直线吸湿和脱湿时湿度指示的最大误差值为(34)RH。

1K,30,40,50,60,70,80,90,吸湿,10K,100K,1M,10M,相对湿度/%,R/,脱湿,3%RH,电阻湿度特性,25,（2）温度特性 聚苯乙烯磺酸锂的电导率随温度的变化较为明显，具有负温度系数在(055)时，温度系数为(0.61.0)RH/0,40,20,104,60,80,100,50,10,102,103,聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的湿度特性,25,40,R/,相对湿度/%,26,（3）其它特性 聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的升湿响应时间比较快，降湿响应时间比较慢，响应时间在一分钟之内湿滞比较小，在(12)RH之间这种湿度传感器具有良好的稳定性存储一年后，其最大变化不超过2RH，完全可以满足器件稳定性的要求 高分子薄膜湿度传感器的缺点是：对于含有机溶媒气体的环境下测湿时，器件易损坏；另外不能用于80以上的高温15.6 湿度传感器的应用 一、湿度传感器的选择 1选择测量范围 2、选择测量精度 3、考虑时漂和温漂,二、湿度传感器的应用注意事项 (1) 电源选择湿敏电阻必须工作于交流回路中，若用直流供电，会引起多孔陶瓷表面结构改变，湿敏特性变劣采用交流电源频率过高，将由于元件的附加容抗而影响测湿灵敏度和准确性， 因此应以不产生正、负离子积聚为原则， 使电源频率尽可能低。

对离子导电型湿敏元件，电源频率应大于50 Hz，一般以1000 Hz为宜对电子导电型，电源频率应低于50 Hz2) 线性化一般湿敏元件的特性均为非线性， 为便于测量， 应将其线性化。