湿度传感器及其测量电路

1、3.5 湿度传感器及其测量电路湿度传感器及其测量电路 湿度的测量与控制在工农业生产、气象、环保、国防、科湿度的测量与控制在工农业生产、气象、环保、国防、科 研、航天等部门及人们的舒适与健康方面至关重要。但是研、航天等部门及人们的舒适与健康方面至关重要。但是 在常规的环境参数中，由于大气压强、温度等因素同时影在常规的环境参数中，由于大气压强、温度等因素同时影 响着湿度的高低，因而湿度的准确测量具有极大难度。使响着湿度的高低，因而湿度的准确测量具有极大难度。使 用常规的干湿球湿度计或毛发湿度计测量湿度时，测量误用常规的干湿球湿度计或毛发湿度计测量湿度时，测量误 差在差在5%5%20%20%之间，已

2、经无法满足现代科技发展的需要，之间，已经无法满足现代科技发展的需要， 并且存在校准困难，即使如此也不能确保标定精度。近年并且存在校准困难，即使如此也不能确保标定精度。近年 来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步，湿度来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步，湿度 传感器正从简单的湿度元件向着集成化、智能化、多参数传感器正从简单的湿度元件向着集成化、智能化、多参数 检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度测控系统创造了检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度测控系统创造了 非常有利的条件，也将湿度测量技术提高到了一个崭新的非常有利的条件，也将湿度测量技术提高到了一个崭新的 水平。水平。 精密仪

3、器、半导体集成电路与元器件制造场所，气象预报、精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所，气象预报、 医疗卫生、食品加工等行业都有广泛的应用医疗卫生、食品加工等行业都有广泛的应用 3.5.1 湿度传感器的类型及性能湿度传感器的类型及性能 1. 湿度测量的名词术语湿度测量的名词术语 湿度这一概念随被测物质的物理状态不同而有着不同的含义。对于气态物 质，在测量其湿度时，常用绝对湿度、相对湿度和露点来表示；而对于固 态物质，其湿度常用含湿量和湿度予以表示。 (1)气体的湿度 绝对湿度：指在一定温度和压力下，单位体积混合气体中所含的水蒸气量。 用符号dv表示，单位为g/m3。 dv=m/V=217.6p

4、/(Tab+273.16) 式中，p为水蒸气的压强，单位为帕斯卡(Pa)，Tab代表混合气体的温度， 单位采用。 相对湿度：以某温度下饱和水蒸气量为基准，相对湿度是指绝对湿度占同 一温度下饱和水蒸气量的百分数，用RH(Relative Humidity)表示。由于混 合气体中水蒸气产生的分压强与其含量成正比，因此有 RH=p1(T)/ p2(T)100% (3.28) 式中，p1(T)表示温度为T时混合气体中水蒸气的分压强，p2(T)表示在温度 T下饱和水蒸气中水蒸气的分压强。显然，RH是压强和温度的函数。 露（霜）点露（霜）点 水的饱和蒸气压随温度的降低而逐渐下降。在同样的空气水水的饱和蒸气

5、压随温度的降低而逐渐下降。在同样的空气水 蒸气压下，温度越低，则空气的蒸气压下，温度越低，则空气的水蒸气压水蒸气压与同温度下水的与同温度下水的饱饱 和蒸气压和蒸气压差值越小。当空气温度下降到某一温度时，空气中差值越小。当空气温度下降到某一温度时，空气中 的水蒸气压与同温度下水的饱和水蒸气压相等。此时，空气的水蒸气压与同温度下水的饱和水蒸气压相等。此时，空气 中的水蒸气将向液相转化而凝结成中的水蒸气将向液相转化而凝结成露珠露珠，相对湿度为，相对湿度为100 RH。该温度，称为空气的。该温度，称为空气的露点温度露点温度，简称露点。如果这一，简称露点。如果这一 温度低于温度低于0时，水蒸气将结霜时，

6、水蒸气将结霜，又称为又称为霜点温度霜点温度。两者统。两者统 称为露点。空气中水蒸气压越小，露点越低，因而可用露点称为露点。空气中水蒸气压越小，露点越低，因而可用露点 表示空气中的湿度表示空气中的湿度。 5010203040-10 0 10 20 30 40 50 温度 / 10%R H 露点 / 90%R H 80%R H 70%R H 60%R H 50%R H 40%R H 20%R H 30%R H 露点：在一定温度下，气体所容纳的水蒸气含量超过某限量露点：在一定温度下，气体所容纳的水蒸气含量超过某限量 时，多余的水从气态变为液态的现象称为结露。随着温度的时，多余的水从气态变为液态的现象

7、称为结露。随着温度的 降低，含水量一定的不饱和气体将首先达到饱和状态；随着降低，含水量一定的不饱和气体将首先达到饱和状态；随着 温度的再进一步下降，将引起结露，并且不饱和气体的含水温度的再进一步下降，将引起结露，并且不饱和气体的含水 量越少，结露所要求的温度越低，含水量越多，结露所要求量越少，结露所要求的温度越低，含水量越多，结露所要求 的温度也越高。我们把在水气冷却过程中最初发生结露时的的温度也越高。我们把在水气冷却过程中最初发生结露时的 温度称为露点，其单位采用温度单位温度称为露点，其单位采用温度单位。露点可用来表示不。露点可用来表示不 饱和气体的含水量，因此也是在测量气体湿度时常用的一个

8、饱和气体的含水量，因此也是在测量气体湿度时常用的一个 名词。名词。 (2)固体的湿度固体的湿度 含湿量含湿量：指物质中水分的含量：指物质中水分的含量M1与不含水分的干物质质量与不含水分的干物质质量 M0之比的百分数。之比的百分数。 = M1/ M0=(M- M0)/ M0100% (3.29) 式中式中M为含水物质的质量，为含水物质的质量，M0为相应的干物质质量，为相应的干物质质量，M1为为 含水物质中所含水分质量。含水物质中所含水分质量。 湿度湿度F：固态物质的湿度：固态物质的湿度F定义为定义为 F= M1/M=(M- M0)/ M100% (3.30) 式中符号的含义同上。式中符号的含义同

9、上。 二、湿度传感器的主要参数二、湿度传感器的主要参数 1 1、湿度量程、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 范围用相对湿度范围用相对湿度(0100)RH表示，它是湿度传感器表示，它是湿度传感器 工作性能的一项重要指标。工作性能的一项重要指标。 2 2、感湿特征量、感湿特征量相对湿度特性相对湿度特性 每种湿度传感器都有其感湿特征量，如电阻、电容等，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

10、变化的关系特性围内，湿度传感器的电阻值随环境湿度变化的关系特性 曲线，简称曲线，简称阻湿特性阻湿特性。有的湿度传感器的电阻值随湿度。有的湿度传感器的电阻值随湿度 的增加而增大，这种为的增加而增大，这种为正特性湿敏电阻器正特性湿敏电阻器，如，如Fe3O4湿湿 敏电阻器。有的阻值随着湿度的增加而减小，这种为敏电阻器。有的阻值随着湿度的增加而减小，这种为负负 特性湿敏电阻器特性湿敏电阻器，如，如TiO2SnO2陶瓷湿敏电阻器。陶瓷湿敏电阻器。 4 4、特征量温度系数、特征量温度系数 反映湿度传感器在感湿特征量反映湿度传感器在感湿特征量相对湿度特性曲线随相对湿度特性曲线随 环境温度而变化的特性。感湿特

11、征量随环境温度的变化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。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，称为量与对应的温度变化量之比，称为特征量温度系数特征量温度系数。 100 1 21 TR RR 100 1 21 TC CC T温度温度25与另一规定环境温度之差；与另一规定环境温度之差； R1( (C1) )温度温度25时湿度传感器的电阻值时湿度传感器的电阻值( (或电容值或电容值) )； R2( (C2

12、) )另一规定环境温度时湿度传感器的电阻值另一规定环境温度时湿度传感器的电阻值( (或电容值或电容值) )。 电容温度系数电容温度系数(%/)= 电阻温度系数电阻温度系数(%/)= 5 5、感湿温度系数、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 (或电容值或电容值)达到相等时，其对应的相对湿度之差与两个达到相等时，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。或环境温规定的温度变化量之比，称为感湿温度系数。

13、或环境温 度每变化度每变化1时，所引起的湿度传感器的湿度误差。感时，所引起的湿度传感器的湿度误差。感 湿温度系数湿温度系数 T温度温度25与另一规定环境温度之差；与另一规定环境温度之差； H1温度温度25时湿度传感器某一电阻值时湿度传感器某一电阻值(或电容值或电容值)对对 应的相对湿度值；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另一规定环境温度下湿度传感器另一电阻值(或电或电 容值容值)对应的相对湿度。对应的相对湿度。 下图为感湿温度系数示意图。下图为感湿温度系数示意图。 T HH 21 (%RH/)= 相对湿度/% H1H2H2 感湿温度系数示意图 相对湿度/% H1H2

14、H2 RC T2 T2 T2 T2 25 25 (a) 电阻型 (b)电容型 6 6、响应时间、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是以相应的起始和终止这一相对湿度变化区间的63作作 为相对湿度变化所需要的时间，也称时间常数，它是反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。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

15、是单位是s。也有规定从起始到终止。也有规定从起始到终止90的相对湿度变化作的相对湿度变化作 为响应时间的。响应时间又分为为响应时间的。响应时间又分为吸湿响应时间吸湿响应时间和和脱湿响脱湿响 应时间应时间。大多数湿度传感器都是脱湿响应时间大于吸湿。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。时间。 7 7、电压特性、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用直流电压。这是由于加直流电压

16、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。采用交流电压。 右图表示湿度传感器的电阻右图表示湿度传感器的电阻 与外加交流电压之间的关系。与外加交流电压之间的关系。 可见，测试电压小于可见，测试电压小于5V时，时， 电压对阻电压对阻湿特性没有影湿特性没有影 响。但交流电压大于响。但交流电压大于15V时，时， 由于产生焦耳热，对湿度传由于产生焦耳热，对湿度传 感器的阻感器的阻湿特性产生了湿特性产生了 较大影响，因而一般湿度传较大影响，因而一般湿度传 感的使用电压都小于感的使用电压都小于10V。 Lg R / 0

17、12345 6 5 7 8 4 20 100Hz 11% RH 33% RH 75% RH 100% RH U/V 2. 湿敏元件湿敏元件 湿度传感器依据使用材料分类湿度传感器依据使用材料分类 电解质型电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电极，：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。湿度升高而电阻减小。 陶瓷型陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一：一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

18、敏感特种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特 性而制成。性而制成。 高分子型高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极,通过浸渍通过浸渍 或涂覆或涂覆,使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜。有机高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分子的材料种类也很多,工作原理也各不相同。工作原理也各不相同。 单晶半导体型单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制：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成。制成二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件等。其特湿度敏感器件等。其特 点是易于和半导体电

19、路集成在一起。点是易于和半导体电路集成在一起。 湿敏元件是最简单的湿度传感器，主要有电阻式和电容式两大类。湿敏元件是最简单的湿度传感器，主要有电阻式和电容式两大类。 (1) 湿敏电阻湿敏电阻 湿敏电阻是覆盖在基片上的一层感湿材料膜，当空气中的水蒸气湿敏电阻是覆盖在基片上的一层感湿材料膜，当空气中的水蒸气 吸附于感湿膜上时，将引起其电阻率和电阻值变化，利用这一特吸附于感湿膜上时，将引起其电阻率和电阻值变化，利用这一特 性可以对湿度进行测量。湿敏电阻主要有金属氧化物湿敏电阻、性可以对湿度进行测量。湿敏电阻主要有金属氧化物湿敏电阻、 硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等种类，如国产硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等种

20、类，如国产SM1型硅湿敏电阻，型硅湿敏电阻， 其相对湿度的测量范围为其相对湿度的测量范围为1%100%，测量精度达，测量精度达4%。灵敏。灵敏 度高是湿敏电阻的主要优点，但存在较严重的非线性，互换性也度高是湿敏电阻的主要优点，但存在较严重的非线性，互换性也 不是很理想。不是很理想。 (2) 湿敏电容湿敏电容 湿敏电容一般是用聚苯乙烯、聚烯亚胺、酪酸醋酸纤维等高分子湿敏电容一般是用聚苯乙烯、聚烯亚胺、酪酸醋酸纤维等高分子 材料制成的薄膜电容。环境湿度的改变，引起高分子材料的介电材料制成的薄膜电容。环境湿度的改变，引起高分子材料的介电 常数变化，导致湿敏电容的电容量也发生变化，并且其电容变化常数变

21、化，导致湿敏电容的电容量也发生变化，并且其电容变化 量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互 换性好、滞后量小、响应速度快，便于制造，易于实现小型化和换性好、滞后量小、响应速度快，便于制造，易于实现小型化和 集成化，但其精度一般低于湿敏电阻。目前湿敏电容的主要制造集成化，但其精度一般低于湿敏电阻。目前湿敏电容的主要制造 公司有哈米瑞尔公司有哈米瑞尔(Humirel)、飞利浦、飞利浦(Philips)、西门子、西门子(Siemens) 等。等。 除电阻式、电容式湿敏元件外，还有电解质离子型、重量型、光除电阻式、电容式湿敏元件

22、外，还有电解质离子型、重量型、光 强型、声表面波型等湿敏元件。湿敏元件的线性度和抗污染性差，强型、声表面波型等湿敏元件。湿敏元件的线性度和抗污染性差， 在检测环境中由于易被污染而使其精度和稳定性受到影响。在检测环境中由于易被污染而使其精度和稳定性受到影响。 3. 湿敏传感器 (1)普通型湿度传感器 它由湿敏元件构成，能将湿度转化为毫伏级电压信号，但不具备温度补偿及湿度信 号调理功能。如国产CSR1型湿度传感器，其相对湿度的测量范围为0100%， 测量精度为2%4%，输出电压达0+100mV，可在-10+50温度范围内正 常工作，工作电流15mA，响应时间不超过10s。 (2)典型集成湿度传感器

23、 线性电压输出式集成湿度传感器：典型产品有Honeywell公司的HIH3605/3610、 Humirel公司的HM1500/1520。它们采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对 湿度成比例的伏特级电压信号，响应速度快、重复性好，抗污染能力强。 线性频率输出式集成湿度传感器：目前典型产品有Humirel公司的HF3223。它采用 模块结构，能将相对湿度转换成频率信号并以频率信号形式输出。当相对湿度从 10%变到95%，输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。HF3223具有良好的线性度 和抗干扰能力，便于适配数字电路或单片机，并且价格低。 频率/温度输出式集成湿度传感器：目前典型产品也

24、是由Humirel公司推出的 HTF3223。除了具有HF3223的全部功能外，还增加了NTC型热敏电阻作为温度传 感器，因而既可输出湿度频率信号测量湿度，也可输出电阻信号实现温度测量。 单片智能化湿度/温度传感器：2002年瑞士森斯瑞(Sensiron)公司率先研制出SHT11、 SHT15型两种超小型、高精度、多功能式智能湿度/温度传感器，可用来测量相对 湿度、温度和露点等参数。SHT11和SHT15电路原理相同，只是测量精度不同。它 们被广泛应用于工农业生产、环境监测、医疗仪器、通风及空调设备中。 三、电解质湿度传感器三、电解质湿度传感器 电解质是以离子形式导电的物质，分为电解质是以离子

25、形式导电的物质，分为固体电解质固体电解质和和液液 体电解质体电解质。若物质溶于水中，在极性水分子作用下，能。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。液的浓度，在一定的温度下又是环境相对湿度的函数。 氯化锂湿度传感器的结构 A B B 钯丝 A 涂有聚苯乙烯薄膜的圆筒 电解质氯化锂湿度传感器最为典型电解质氯化锂湿度传感器最为典型 0306090 0.01

26、0.1 1 10 R/108 相对湿度/% 1.0 % LiCl 2.2%LiCl 0.5% LiCl 0.25% LiCl PVAC 氯化锂湿度传感器的阻湿特性组合式氯化锂的阻湿特性 030 60 90 0.01 0.1 1 10 相对湿度/% R/108 把不同感湿范围的单片湿把不同感湿范围的单片湿 度传感器组合起来度传感器组合起来, ,可制成可制成 相对湿度工作量程为相对湿度工作量程为20 90RH的湿度传感器的湿度传感器 四、陶瓷湿度传感器四、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

27、围内的湿度测量；工优点：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作温度高，常温湿度传感器的工作温度在150150以下，而以下，而 高温湿度传感器的工作温度可达高温湿度传感器的工作温度可达800800，响应时间较短，响应时间较短， 精度高，抗污染能力强，工艺简单，成本低廉。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典型产品是烧结型陶瓷湿敏元件是MgCr2O4TiO2系。系。 此外，还有此外，还有TiO 2-V2O5系、 系、ZnOLi 2O V 2O5系、 系、 ZnCr2O4系、系、ZrO2MgO系、系、Fe3O4系、系、

28、Ta2O5系等。这系等。这 类湿度传感器的感湿特征量大多数为电阻。除类湿度传感器的感湿特征量大多数为电阻。除Fe3O4外，外， 都为负特性湿度传感器，即随着环境相对湿度的增加，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。为电容。 1 1、结构、结构 该湿度传感器的感湿体是该湿度传感器的感湿体是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。这系多孔陶瓷。这 种多孔陶瓷的气孔大部分为粒间气孔种多孔陶瓷的气孔大部分为粒间气孔, ,气孔直径随气孔直径随TiO2 添加量的增加而增大。粒间气孔与颗粒大小无

29、关添加量的增加而增大。粒间气孔与颗粒大小无关, , 相当相当 于一种开口毛细管于一种开口毛细管, ,容易吸附水分。材料的主晶相是容易吸附水分。材料的主晶相是 MgCr2O4相相, ,此外此外, ,还有还有TiO2相相等等, ,感湿体是一个多晶多感湿体是一个多晶多 相的混合物。相的混合物。 陶瓷湿敏元件结构图 护圈电极 感湿陶瓷 氧化钌电极 加热器 基板 电极引线 2 2、主要特性与性能、主要特性与性能 （1 1）电阻一湿度特性）电阻一湿度特性 MgCr2O4TiO2系陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特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，基本按指性，随着相对湿度的增

30、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，电阻数规律下降。在单对数的坐标中，电阻湿度特性近似湿度特性近似 呈线性关系。当相对湿度由呈线性关系。当相对湿度由0变为变为100RH时，阻值从时，阻值从 107下降到下降到104，即变化了三个数量级。，即变化了三个数量级。 20406080100 103 104 105 106 107 108 相对湿度/% R/ （2 2）电阻）电阻温度特性温度特性 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，从湿度特性。从图可见，从20到到80各条曲线的变化规各条曲线的变化规 律

31、基本一致，具有负温度系数，其感湿负温度系数为律基本一致，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。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。度传感器进行温度补偿。 20406080100 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 MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的时间响应特性 20 40 60 80 100 0102030 94%RH 50%RH 1%RH 50%RH t /s %RH （3 3）响应时间）响应时间 响应时间特性如图。

32、根据响应时间的规定，从图中响应时间特性如图。根据响应时间的规定，从图中 可知，响应时间小于可知，响应时间小于10s。 （4 4）稳定性）稳定性 制成的制成的MgCr2O4-TiO2系陶瓷类湿度传感器，需要实验：系陶瓷类湿度传感器，需要实验： 高温负荷实验高温负荷实验(大气中，温度大气中，温度150，交流电压，交流电压5V，时间，时间 104h)；高温高湿负荷试验；高温高湿负荷试验(湿度大于湿度大于95RH，温度，温度60， 交流电压交流电压5V，时间，时间104h)；常温常湿试验；常温常湿试验湿度湿度(1090) RH，温度，温度(1040)；油气循环试验；油气循环试验(油蒸气油蒸气 加热清洗

33、循环加热清洗循环25万次，交流电压万次，交流电压5V)。经过以上各种。经过以上各种 试验，大多数陶瓷湿度传感器仍能可靠地工作，说明稳试验，大多数陶瓷湿度传感器仍能可靠地工作，说明稳 定性比较好。定性比较好。 五、高分子湿度传感器五、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，湿性与胀缩性。某些高分子电介质吸湿后，介电常数介电常数明明 显改变，制成了电容式湿度传感器；某些高分子电解质显改变，制成了电容式湿度传感器；某些高分子电解质 吸湿后，吸湿后，电阻电阻明显变化，制成了电阻式湿度传感器

34、；利明显变化，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，在吸湿之用胀缩性高分子（如树脂）材料和导电粒子，在吸湿之 后的后的开关特性开关特性，制成了结露传感器。，制成了结露传感器。 （一）电容式湿度传感器（一）电容式湿度传感器 1 1、结构、结构 高分子薄膜电介质电容式湿高分子薄膜电介质电容式湿 度传感器的基本结构。度传感器的基本结构。 高分子薄膜上部电极 下部电极 2 2、感湿机理与性能、感湿机理与性能 电容式高分子湿度传感器，其上部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，室温时约为的介电系数

35、比较大，室温时约为79。 感湿高分子材料的介电常数并不大，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，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。电容量的变化可测得相对湿度。 （2 2）响应特性）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，一般都小于短，一般都小于5s，有的响应时间仅为，有的响

36、应时间仅为1s。 （3 3）电容一温度特性）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，在小，在550范围内范围内,电容温度系数约为电容温度系数约为0.06RH/ 相对湿度/% 050100 200 250 300 350 电容湿度特性 C/pF （f=1.5MHZ） （1 1）电容）电容湿度特性湿度特性 其电容随着环境温度的增加而增加其电容随着环境温度的增加而增加, , 基本上呈线性关系。当测试频率为基本上呈线性关系。当测试频率为 l.5MHzl.5MHz左右时左右时, ,其输出特性有良好的其输出特性有良好的 线性度。

37、对其它测试频率线性度。对其它测试频率, ,如如1kHz1kHz、 10kHz10kHz，尽管传感器的电容量变化很，尽管传感器的电容量变化很 大大, ,但线性度欠佳。可外接转换电路但线性度欠佳。可外接转换电路, , 使电容使电容湿度特性趋于理想直线。湿度特性趋于理想直线。 （二）电阻式高分子膜湿度传感器（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 2 2、主要特性、主要特性 （1 1）电阻）电阻湿度特性湿度特性 当环境湿度变化时，传感器在吸湿和脱湿两种情况的当环境湿度变化时，传感器在吸湿和脱湿两种情况的

38、 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 30405060 708090 吸湿 10K 100K 1M 10M 相对湿度/% R/ 脱湿 40%后，IC3b反相输入电压高 于同相输入电压，使VD6和VT4都截止，断点放大器不工作， 只有在RH40%范围内断点放大器方可工作，从而实现对0 40%RH的进一步线性化。 当环境温

39、度发生变化时，晶体管当环境温度发生变化时，晶体管VT1的直流工作点也会改变，这必然影响的直流工作点也会改变，这必然影响 对数放大器的输出特性，因此必须对对数放大器的输出特性，因此必须对VT1采取一定的温度补偿措施。温度采取一定的温度补偿措施。温度 补偿电路是由基准电压源补偿电路是由基准电压源IC4(LM329)、低电压音频放大器、低电压音频放大器IC5 (LM389)、 +12V输出的三端稳压器输出的三端稳压器IC6(7812)和和VT2、VT3组成，组成，VT2的集电结与发射的集电结与发射 结作温度传感器使用，结作温度传感器使用，VT3作为加热器给作为加热器给VT1提供一个提供一个+50的工

40、作温度，的工作温度， 使之不受外界环境温度变化的影响。对该电路进行调试时，首先将使之不受外界环境温度变化的影响。对该电路进行调试时，首先将VT3的的 基极接地并置于基极接地并置于+50环境，然后通电调节环境，然后通电调节R19使使IC5反相输入端电压与反相输入端电压与 VT2的基极电压一致，最后将将的基极电压一致，最后将将VT3的基极与地脱开，即可使温度补偿电的基极与地脱开，即可使温度补偿电 路具有路具有+50的恒温特性。的恒温特性。 相对湿度测量仪的校准方法是：在输出端与地之间接一块满量程为相对湿度测量仪的校准方法是：在输出端与地之间接一块满量程为20V的的 41/2DVM，用一只，用一只3

41、5M电阻代替湿敏电阻，调节电阻代替湿敏电阻，调节RP1使仪表读数为使仪表读数为 100.00%RH，再用一只，再用一只8 M电阻代替湿敏电阻，调节电阻代替湿敏电阻，调节RP2使仪表读数为使仪表读数为 40.00%RH，如此重复，直至调节，如此重复，直至调节RP1和和RP2时互不影响仪表读数。最后时互不影响仪表读数。最后 用一只用一只60M电阻代替湿敏电阻，适当调节断点放大器中电阻代替湿敏电阻，适当调节断点放大器中R12的阻值使仪表的阻值使仪表 读数为读数为24.00%RH即完成全部调试工作，调试完毕后仪表即可投入使用测即完成全部调试工作，调试完毕后仪表即可投入使用测 量相对湿度。量相对湿度。

42、上述相对湿度测量仪的测量范围为上述相对湿度测量仪的测量范围为0.00%RH100.00%RH，测量精度达，测量精度达 2%，分辨力为，分辨力为0.01%，由于全部使用通用元器件，因而成本低廉，易于，由于全部使用通用元器件，因而成本低廉，易于 推广应用。但在更换湿敏电阻后，必须重新校准，并且也需要根据所用湿推广应用。但在更换湿敏电阻后，必须重新校准，并且也需要根据所用湿 敏电阻的工作温度特性来修正其敏电阻的工作温度特性来修正其RH读数。读数。 3.5.3 基于湿敏电容的相对湿度测量基于湿敏电容的相对湿度测量 电路电路 湿敏电容是利用其电容量随环境湿度变化而 变化的原理来进行湿度测量的，其电容变化

43、 量与环境湿度之间存在单值对应关系。根据 电容测量方法，基于湿敏电容的相对湿度测 量电路可以采用电压输出式和频率输出式两 种主要形式。下面结合美国Humirel公司生产 的HS1100/1101型湿敏电容，介绍基于湿敏 电容的相对湿度测量电路的设计。 1. HS1100/1101型湿敏电容型湿敏电容 图3.37 电容与湿度关系响应曲线 C/pF1602102052001951901851801751701651009080706050403020 100RH(%)TA=25 f=10kHz HS1100/1101型湿敏电容在电路中都用可变电容符号表示，2个引脚，为 使测量具有良好重复性，通常将

44、其中1个引脚接地。HS1100和HS1101 具有相同的性能，区别仅仅是封装形式不同，HS1100靠顶部来接触空气， HS1101靠侧面接触空气。HS1100/1101应用于相对湿度测量时，其测量 范围为0100%RH，在33%75%RH内的平均灵敏度可达0.34pF/RH， 输出电容容量在55%RH下的标称值为180 pF，变化范围为163201 pF， 湿度滞后量为1.5%RH，响应时间典型值为5s。 图3.37给出了在室温25、工作频率为10kHz测试条件下， HS1100/1101型湿敏电容的电容量与相对湿度的响应曲线。不难看出， RH =55%时HS1100/1101的电容量C0=1

45、81.5 pF，当RH从0%变到100% 时，HS1100/1101的电容量就从163 pF变到201 pF。并且由于电容量与 相对湿度之间关系存在非线性，因而需要对湿敏电容量进行修正。在上 述测试条件下，电容量的修正可按下式进行： C=(0.90+0.208RH)C0 (3.31) 如果湿敏电容的工作频率不等于10kHz，则其实际电容C 为 C =(1.027-0.01185Inf) C (3.32) 2. 湿敏电容式相对湿度测量电路湿敏电容式相对湿度测量电路 (1)线性电压输出式相对湿度测量电路线性电压输出式相对湿度测量电路 线性电压输出式相对湿度测量电路框图如图线性电压输出式相对湿度测量

46、电路框图如图3.38所示。其特点是将所示。其特点是将 HS1100/1101作为电容器接入桥式振荡器中，当相对湿度发生变化时，作为电容器接入桥式振荡器中，当相对湿度发生变化时， 湿敏电容随之改变，使得振荡频率也发生变化，再经过整流滤波器和放湿敏电容随之改变，使得振荡频率也发生变化，再经过整流滤波器和放 大器，即可输出与相对湿度成线性关系的电压信号大器，即可输出与相对湿度成线性关系的电压信号UO。当电源电压。当电源电压 UCC=+5V、TA=+25时，输出电压与相对湿度的数据对照列见表时，输出电压与相对湿度的数据对照列见表3.7。 输出电压与相对湿度之间的比例系数为正，输出电压既可直接使用数字输

47、出电压与相对湿度之间的比例系数为正，输出电压既可直接使用数字 电压表电压表(DVM)测量，亦可经测量，亦可经A/D转换后由微处理器系统测量。转换后由微处理器系统测量。 (2) 线性频率输出式相对湿度测量电路 线性频率输出式相对湿度测量电路如图线性频率输出式相对湿度测量电路如图3.39所示。利用一片所示。利用一片 CMOS定时器定时器TLC555，配上，配上HS1100/1101和电阻和电阻R2、R4构构 成单稳态电路，将相对湿度转换成频率信号，电路的输出频成单稳态电路，将相对湿度转换成频率信号，电路的输出频 率范围为率范围为7351Hz6033 Hz，所对应的相对湿度为，所对应的相对湿度为0

48、100%。当。当RH=55%时，时，f=6660Hz。输出频率可送到数字频。输出频率可送到数字频 率计或单片机系统，测量并显示出相对湿度值。率计或单片机系统，测量并显示出相对湿度值。 电路中，由电路中，由UCC、R4、R2、HS1100/1101和地构成和地构成 HS1100/1101的充电回路，的充电回路，HS1100/1101、R2、D端、内部端、内部 放电管和地构成放电管和地构成HS1100/1101的放电回路。当的放电回路。当HS1100/1101 被充电至被充电至TLC555的高触发电平的高触发电平(UH=0.67UCC)，TLC555翻翻 转，从转，从OUT端输出低电平；当端输出低

49、电平；当HS1100/1101被放电至被放电至 TLC555的低触发电平的低触发电平(UL=0.33UCC)，TLC555再次翻转，再次翻转， 从从OUT端输出高电平。周而复始地充电、放电，即形成了振端输出高电平。周而复始地充电、放电，即形成了振 荡。荡。 HS1100/1101的充电时间t1、放电时间t2分别为 t1=C(R2+ R4)In2 t2= CR2 In2 输出波形的频率f和占空比P分别为 f=T-1=( t1+ t2)-1= C(2R2+ R4)In2-1 (3.33) P= t1/T= t1/(t1+ t2)=( R2+ R4)/ (2R2+ R4) (3.34) 通常取R4”

50、后先输入字母“S”，然后再输入相应数字， 即可获得下述结果： 输入数字“1”时，测量并显示出摄氏温度dgC=xx.x； 输入数字“2”时，测量并显示出相对湿度 %RH=xx.x； 输入数字“3”时，打开加热器，使传感器温度升高 5； 输入数字“4”时，关闭加热器，使传感器降温； 输入数字“5”时，显示出露点温度dpC=xx.x。 SCKDATAC 0.1FRH显示器温度显示器露点显示器显示器温度显示器露点显示器P0口口P2口口P3口口 P1.0P1.1P1.2 P1.7GND键盘键盘1234SHT1589C51+2.5V+5V图图3.41 相相 对湿度对湿度/温度测量系统温度测量系统 SHT1

51、1/15响应速度快，抗干扰能力强，外围电路简单，用响应速度快，抗干扰能力强，外围电路简单，用 于构建湿度于构建湿度/温度智能检测系统时基本上不需要外围元件。温度智能检测系统时基本上不需要外围元件。 由由SHT15构成的相对湿度构成的相对湿度/温度测试系统如图温度测试系统如图3.41所示。该所示。该 系统能测量并显示相对湿度、温度和露点。系统能测量并显示相对湿度、温度和露点。SHT15作为从机，作为从机， 单片机作为主机，二者通过二线串行总线进行通信。单片机作为主机，二者通过二线串行总线进行通信。C为电为电 源退耦电容。源退耦电容。P0口、口、P2口和口和P3口分别接口分别接3组组LED显示器。

52、显示器。 其中相对湿度的测量范围是其中相对湿度的测量范围是099.99%RH，测量精度是，测量精度是 2%RH，分辨力为，分辨力为0.01%RH；温度测量范围是；温度测量范围是-40 +123.8，测量精度是，测量精度是1，分辨力为，分辨力为0.01；露点测量；露点测量 精度精度1，分辨力也是，分辨力也是0.01。 总结 (1) 温度是表征物体冷热程度的物理量，其测量主要有接触式测温和非温度是表征物体冷热程度的物理量，其测量主要有接触式测温和非 接触式测温两种方法，本章对几种常用接触式测温方法重点进行了分析接触式测温两种方法，本章对几种常用接触式测温方法重点进行了分析 讨论。在接触式测温过程中

53、，目前采用的温度传感器主要有金属或半导讨论。在接触式测温过程中，目前采用的温度传感器主要有金属或半导 体热敏电阻、热电偶以及为满足温度自动测控需求而发展起来的各种智体热敏电阻、热电偶以及为满足温度自动测控需求而发展起来的各种智 能温度传感器芯片。能温度传感器芯片。 (2) 热电阻利用导体或半导体材料的电阻随温度而变化来测量温度。常热电阻利用导体或半导体材料的电阻随温度而变化来测量温度。常 用的金属热电阻主要有铂热电阻和铜热电阻，它们的温度系数较小，适用的金属热电阻主要有铂热电阻和铜热电阻，它们的温度系数较小，适 用于低温、中温测量场合；而半导体热电阻主要采用用于低温、中温测量场合；而半导体热电

54、阻主要采用NTC，它们的灵敏，它们的灵敏 度较高，但目前测温范围大都在度较高，但目前测温范围大都在300以下，仅适合于点温、表面温度以下，仅适合于点温、表面温度 及快速变化温度的测量。对热电阻阻值的测量，既可采用非数字化测量及快速变化温度的测量。对热电阻阻值的测量，既可采用非数字化测量 方法，也可以采用数字化测量方法。非数字化测量电路常用不平衡电桥方法，也可以采用数字化测量方法。非数字化测量电路常用不平衡电桥 和自动平衡电桥两种形式，而数字化测量电路需要将热阻值转换成电压和自动平衡电桥两种形式，而数字化测量电路需要将热阻值转换成电压 或频率之后方可进行。在使用热电阻测温时，除热电阻本身的分度、

55、非或频率之后方可进行。在使用热电阻测温时，除热电阻本身的分度、非 线性和所用显示仪表会引起测量误差外，引线电阻也是产生误差的主要线性和所用显示仪表会引起测量误差外，引线电阻也是产生误差的主要 原因。引线电阻误差可根据实际测量精度要求，通过适当的接线方式将原因。引线电阻误差可根据实际测量精度要求，通过适当的接线方式将 热电阻接入测量电路来予以消除；热电阻阻值与温度之间的非线性，在热电阻接入测量电路来予以消除；热电阻阻值与温度之间的非线性，在 非数字化测量系统中一般采用串联、并联电阻的方法进行补偿，在数字非数字化测量系统中一般采用串联、并联电阻的方法进行补偿，在数字 化测量系统中还可以设计一段程序来实现软件补偿。化测量系统中还可以设计一段程序来实现软件补偿。 (3) 热电偶是另一种更为常用的温度传感器，其测温范围更宽，在选定热电偶是另一种更为常用的温度传感器，其测温范围更宽，在选定 热电材料、固定冷端温度后，其热电势与热端温度间为单值函数关系，热电材料、固定冷端温度后，其热电势与热端温度间为单值