劳动出版社精品课件 《传感器技术与应用》 A053188第三章湿度传感器.ppt

§3 —1 湿度的概念,学习目标,1. 掌握绝对湿度与相对湿度的概念 2.了解结露现象和露点,相关知识,一、绝对湿度 大气的水汽含量通常用大气中的水汽密度来表示，即每立方米大气中所含水汽的克数,其表达式为 式中 ——待测大气中的水汽质量（ɡ）； V ——待测气体的总体积（ ）饱和状态：在某一压力、温度下，大气中的水汽含量的最大值 直接测量大气中的水汽含量是非常困难的，而且许多与大气湿度相关的现象，如有机物的发霉、人的干湿感觉等都与大气的绝对湿度没有很大关系二、相对湿度（RH） 空气的绝对湿度与同温度和气压下的饱和状态空气绝对湿度的比值的百分数这是一个无量纲量，常用百分数表示，其表达式为 式中 ——某温度下待测气体的水汽分压； ——与待测气体温度相同时水的饱和水汽压相对湿度可以准确说明空气干、湿程度 例：在20℃、一个大气压下，1m3的大气中饱和状态时存在17ɡ的水汽，则绝对湿度17ɡ/m3，相对湿度为100%RH；相同条件下，如果绝对湿度为8.5ɡ/m3，则相对湿度为50%RH，此时，若温度降至10℃以下时，相对湿度又可能接近100%RH三、露点 在一定的大气压下，降低温度可以使原先未饱和的水汽变成饱和水汽，从气态变成液态而凝结成露珠，这种现象称为结露，此时的温度称为露点。

危害：结露会严重影响电子仪器的正常工作，甚至还会造成漏电、击穿和短路现象，必须提高重视§3 — 2 湿敏电阻传感器,1．掌握湿敏电阻的结构、原理、特点及分类 2．熟悉湿敏电阻传感器的基本参数 3．能根据实际应用场合正确选用湿敏电阻学习目标,一、湿敏电阻的结构、原理及特点 1.湿敏电阻的结构和原理 以绝缘材料为基片，通过蒸发、涂覆等工艺将金属、半导体、高分子薄膜或粉末状颗粒制成薄膜作为吸湿性物质，当空气中的水蒸气吸附在感湿层上后，两电极间的电阻值发生变化，这样直接将相对湿度的变化变换成电阻值的变化湿敏电阻结构示意图,封装后的外形,2.湿敏电阻的特点 （1）湿敏电阻灵敏度高，对温度的依存性小 （2）工作范围宽，测量精度较高 （3）湿滞回差小，重现性好 （4）湿敏元件的线性度及抗污染性较差二、湿敏电阻的基本参数 湿度量程 湿度测量的全量程为0％～100％RH，但对一种具体的传感器一般是无法覆盖全量程的，如木材干燥可测湿度量程为0%-40%，空调可测湿度量程为30%-70% 湿度灵敏度 湿度传感器的灵敏度即其感湿特性曲线的斜率湿滞特性 一个湿度传感器在吸湿和脱湿两种情况下的感湿特性曲线不相重复，一般可形成为一回线。

响应时间 表示当环境湿度发生变化时，传感器完成吸湿或脱湿以及动态平衡过程所需时间的特性参数三、湿敏电阻的分类 1.电解质式湿敏电阻 又称氯化锂湿敏电阻，是利用吸湿性盐类潮解离子导电率发生变化而制成的测湿元件 优点：滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度达±5%； 缺点：耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能的重复性不理想，使用寿命短将它放在被测气体中，当气体的湿度增大时，则氯化锂吸水量增加，导电性增强，电阻降低，反之，电阻增加2.陶瓷式湿敏电阻 用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷，这些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系和Fe3O4等，前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种材料的电阻率随湿度增加而增大，称为正特性湿敏半导体陶瓷Fe3O4半导体陶瓷正湿敏特性,,3.高分子式湿敏电阻 使用高分子固体电解质材料作为感湿膜，由于膜中存在可动离干而产生导电性 湿度增大时，其电离作用增强，便可使动离子的浓度增大，电极间的阻值减小；湿度减小时，电离作用也相应减弱，可动离子的浓度也减小，电极间的电阻值增大。

四、湿敏电阻的使用注意事项 1.供电电压要符合要求 湿敏传感器应使用交流电源供电，也采用方波代替正弦波 2.低湿度时阻抗处理 低湿度时，须选用场效应管输入型运算放大器，同时在传感器信号输入端周围制作电路保护环或者用聚四氟乙烯支架来固定输入端3.温度补偿 陶瓷式湿敏电阻的温度每升高1℃ ， 电阻下降引起的误差约为1%RH实际应用中，通常使用负温度系数的热敏电阻作为温度补偿元件 4.传感器引线 安装在空气流动的环境中，使其响应速度较快 5.烧结型湿敏电阻的加热处理 当加热到400℃以上时，可使污物挥发或烧掉，陶瓷恢复到初始状态，所以必须定期给加热丝通电五、湿敏电阻传感器的应用举例 1.电桥测湿电路,,振荡器对电路提供交流电源电桥的一臂为湿度电阻传感器，由于湿度变化使湿度传感器的阻值发生变化，于是电桥失去平衡，产生信号输出，放大器把不平衡信号加以放大，整流器将交流信号变成直流信号，由直流毫安表显示振荡器和放大器都由9V直流电源供给电桥法适合于氯化锂湿度传感器2.欧姆定律电路,,陶瓷式湿敏电阻可以承受较大电流,因此欧姆定律电路选择陶瓷式湿敏电阻传感器由于测湿电路可以获得较强信号，故可以省去电桥和放大器，可以用市电作为电源，只要用降压变压器即可。

§3 —1 湿度的概念,§3 —3 湿敏电容传感器,学习目标,1．掌握湿敏电容的结构、原理、特点及分类 2．熟悉湿敏电容传感器的基本参数 3．能根据实际应用场合正确选用湿敏电阻一、湿敏电容的结构、原理及特点 由物理学可知，由平行板组成的平行板电容器，如果忽略边缘效应，其电容量为 式中 A——两极板相互对应的面积（㎡）； d——两极板的距离（m）； ——两极板间介质的介电常数； ——真空的介电常数， =8.85×10-12F/m； ——两极板间介质的相对介电常数由上式可知，在A、d、 三个参量中，改变其中任意一个量，均可使电容量C改变因此，当相对湿度增大时，湿敏电容中的吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介质常数大为增加，电容量增大优点：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 缺点：精度一般比湿敏电阻低一些，不宜用于含有机溶媒气体的环境中以Humirel公司生产的HS1100型湿敏电阻为例，其测量范围为（1~99）%RH，在55%RH时的电容量为180pF（典型值）当相对湿度从0变化到100%时，电容量的变化范围为163~202pF。

温度系数为0.04pF/℃，湿度滞后量为±1.5%，响应时间为5s二、湿敏电容的分类及应用场合 根据吸湿性介质的不同，成品湿敏电容分为两种：一种是多孔性氧化铝湿敏电容，另一种是高分子稀释膜湿敏电容1.多孔性氧化铝湿敏电容 由于多孔性氧化铝可以吸附及释放水分子，所以其电容量将随空气相对湿度变大而变大，与此同时，其漏电电阻随湿度的增大而降低，形成介质损耗很大的电容器多孔性MOS湿敏电容结构示意图 1-铝电极 2-单晶硅基底 3-绝缘膜 4-多孔Au电极 5-稀释层 6-引线,,优点：具有良好的低湿度感湿特性、独特的形成机制和感湿机理，在工业中应用比较广泛； 缺点：在尘埃环境下，细孔容易被封堵导致元件失效，一般采用通电除尘的方法处理，但效果不够理想，且在易燃易爆环境下不能使用，且感湿材料具有表面结构天然老化的缺点，阻抗不稳定2.高分子吸湿膜湿敏电容 高分子吸湿膜湿敏电容传感器在基片上具有一层梳状金电极作为下电极，在上面涂有高分子感湿膜，在感湿膜的上方又镀有一层透水性好的金属膜作为上电极高分子电容传感器就是通过感湿膜在环境中吸附水分子时，介电常数发生改变，实现测量相对湿度的目的，其电容的变化量与相对湿度成正比。

常用高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚安、醋酸纤维等 高分子吸湿膜湿敏电容传感器线性度好、精度高、体积小，相应时间快，适合要求较高的场合，如气象、航空航天、国防工程、医疗卫生等各个领域的湿度测量和控制。