第七章其它传感器第一节湿度传感器

1、CHAPTER 6 其它传感器其它传感器Miscellaneous Sensors第二篇第二篇 传感器原理及应用传感器原理及应用 7 7 其它传感器其它传感器7.1 湿度传感器湿度传感器7.2 机器人传感器机器人传感器7.3 网络传感器网络传感器第二篇第二篇 传感器原理及应用传感器原理及应用7.1 湿度传感器湿度传感器7 其它传感器其它传感器 湿度和温度是人类和其它生物生存环境舒适度湿度和温度是人类和其它生物生存环境舒适度的重要指标。的重要指标。7.1 湿度传感器湿度传感器7 其它传感器其它传感器 太空舱太空舱手术室手术室恒温箱恒温箱7.1 湿度传感器湿度传感器7 其它传感器其它传感器 烘干机

2、烘干机打印机打印机洗碗机洗碗机冰箱冰箱7.1 湿度传感器湿度传感器7 其它传感器其它传感器香烟厂香烟厂谷仓谷仓博物馆博物馆图书馆图书馆实验室实验室纺织厂纺织厂7.1 湿度传感器湿度传感器7 其它传感器其它传感器7.1.1 湿度概念湿度概念7.1.2 经典湿度计经典湿度计7.1.3 湿度传感器湿度传感器 7.1 湿度传感器湿度传感器7 其它传感器其它传感器7.1.1 湿度的概念湿度的概念 7.1 湿度传感器湿度传感器p 湿度湿度就是空气中所含水蒸气的量。就是空气中所含水蒸气的量。p 湿度表示方法：湿度表示方法： 绝对湿度绝对湿度 相对湿度相对湿度 露点温度露点温度 绝对湿度：绝对湿度：表示单位体

3、积空气里所含水汽的质量。表示单位体积空气里所含水汽的质量。VMVV式中：式中：v 被测空气的绝对湿度被测空气的绝对湿度; MV一被测空气中水汽的质量一被测空气中水汽的质量; V 被测空气的体积被测空气的体积.7.1.1 湿度的概念湿度的概念7.1 湿度传感器湿度传感器 相对湿度：相对湿度：是气体的绝对湿度与在同一温度下水是气体的绝对湿度与在同一温度下水蒸气已达饱和的气体的绝对湿度之比。蒸气已达饱和的气体的绝对湿度之比。例：例：当温度为当温度为20时，水蒸气能够在时，水蒸气能够在1m3 的大气体中的大气体中最多有最多有17.3g（即水的饱和绝对湿度为（即水的饱和绝对湿度为17.3g），），若此时

4、测得气体的绝对湿度为若此时测得气体的绝对湿度为8.65g ，相对湿度，相对湿度为多少呢？为多少呢？相对湿度为：相对湿度为：8.6517.350RH【答案【答案】7.1.1 湿度的概念湿度的概念7.1 湿度传感器湿度传感器p 空气有干燥空气和潮湿空气两类空气有干燥空气和潮湿空气两类p 理想的干燥空气：理想的干燥空气：78氮气氮气21氧氧1其它气体其它气体p 多尔顿分压定律：多尔顿分压定律：空气的压强空气的压强P应该等于该混合物应该等于该混合物中各种气体分压之和：中各种气体分压之和： 7.1.1 湿度的概念湿度的概念7.1 湿度传感器湿度传感器avPPP 式中：式中：Pa干空气分压；干空气分压；

5、Pv水汽分压。水汽分压。 露点温度露点温度( (露点露点) )：在一定的空气压力下，逐渐降在一定的空气压力下，逐渐降低空气的温度，当空气中所含水蒸气达到饱和状低空气的温度，当空气中所含水蒸气达到饱和状态，而开始结露或结霜时的温度。态，而开始结露或结霜时的温度。7.1.1 湿度的概念湿度的概念7.1 湿度传感器湿度传感器 露点露点（C）饱和水蒸气压饱和水蒸气压 (Pa)绝对湿度绝对湿度 (g/m3)0611.214.5185872.576.450101228.189.078151705.7412.61202339,2117.29253169.7523.43304246.9631.39355628

6、.6241.60407384.4354.587.1.1 湿度的概念湿度的概念7.1 湿度传感器湿度传感器 n 毛发湿度毛发湿度计计n 干湿球湿度干湿球湿度计计n 露点湿度计露点湿度计7.1.2 经典湿度计经典湿度计7.1 湿度传感器湿度传感器1. 毛发湿度毛发湿度计计p 空气湿度的变化影响毛发空气湿度的变化影响毛发长度的变化，从而带动指长度的变化，从而带动指针位置的变化。针位置的变化。 7.1.2 经典湿度计经典湿度计 7.1 湿度传感器湿度传感器p优点：使用简单，测量工优点：使用简单，测量工程装置安装成本低程装置安装成本低湿度测量范围小湿度测量范围小测量慢测量慢非电量输出非电量输出要频繁地对

7、毛发进行长度还原要频繁地对毛发进行长度还原p缺点：缺点： 2. 干湿球湿度计干湿球湿度计 1 干球温度计干球温度计2 湿球温度计湿球温度计3 纱布条纱布条4 水水7.1.2 经典湿度计经典湿度计 7.1 湿度传感器湿度传感器利用干球和湿球温度计的温度求相对湿度（利用干球和湿球温度计的温度求相对湿度（RH）。）。干球温干球温度计读度计读数数(0)干干 球球 温温 度度 计计 和和 湿湿 球球 温温 度度 计计 的的 温温 度度 差（差（ ）0123456789100100816345281141008570564228148 100877563514028181412 1008978685748

8、38292517916 1009081716254453730221520 1009183746659514440342828 1009385787265595348423736 100948781757064595450457.1.2 经典湿度传感器经典湿度传感器 7.1 湿度传感器湿度传感器10.1.2 Traditional methods for humidity measurement干干球球温温度度计计湿湿球球温温度度计计刻度盘刻度盘纱布纱布水槽水槽7.1 湿度传感器湿度传感器1 温度计温度计 12 温度计温度计 23 金属杯金属杯4 乙醚溶液乙醚溶液 3. 露点湿度露点湿度计计4

9、 记录金属杯外开始结露的温度值。记录金属杯外开始结露的温度值。7.1.2 经典湿度计经典湿度计 7.1 湿度传感器湿度传感器 冷镜式露点仪冷镜式露点仪HNP-50HNP-50型冷镜式露点仪型冷镜式露点仪7.1.2 经典湿度计经典湿度计7.1 湿度传感器湿度传感器 7.1.3 湿度传感器湿度传感器n 电解质系电解质系n 有机物及高分子聚合物系有机物及高分子聚合物系n 半导体及陶瓷系半导体及陶瓷系7.1 湿度传感器湿度传感器p有些物质的水溶液是能够导电的称为有些物质的水溶液是能够导电的称为电解质电解质。无机物中的酸、碱、盐绝大部分属于电解质。无机物中的酸、碱、盐绝大部分属于电解质。p 电解质的导电

10、机理：电解质的导电机理： 电解质溶于水电解质溶于水离解为正负离子离解为正负离子在电场作在电场作用下做定向运动用下做定向运动电极通电电极通电正负离子分别移向正负离子分别移向负极和正极负极和正极放电放电电流的导通。电流的导通。1. 电解质系湿度传感器电解质系湿度传感器7.1.3 电气湿度传感器电气湿度传感器1）登莫（）登莫（Dunmore）式）式p由由Dunmore于于1938年首先制造成功，用于遥测探空仪。年首先制造成功，用于遥测探空仪。p 结构：由支架、感湿膜、金属导线组成。结构：由支架、感湿膜、金属导线组成。p 特点：特点： 支架：毛玻璃管支架：毛玻璃管薄铝管薄铝管 感湿膜：聚苯乙烯感湿膜：

11、聚苯乙烯(憎水层憎水层)聚乙烯醇和氯化锂聚乙烯醇和氯化锂(感湿膜感湿膜) 金属导线：镀锡铜线金属导线：镀锡铜线 黄金丝黄金丝 单个传感器的测湿量程较窄，为单个传感器的测湿量程较窄，为20RH； 氯化锂不能用于氯化锂不能用于15 RH以下的低湿范围；以下的低湿范围； 聚乙烯醇的高温特性差。聚乙烯醇的高温特性差。1. 电解质系湿度传感器电解质系湿度传感器7.1.3 电气湿度传感器电气湿度传感器2) 浸渍式浸渍式p在基片材料上直接浸渍氯化锂溶液构成的。在基片材料上直接浸渍氯化锂溶液构成的。p基片材料：天燃树皮基片材料：天燃树皮p特点：体积小、高温特性好特点：体积小、高温特性好1. 电解质系湿度传感器

12、电解质系湿度传感器7.1.3 电气湿度传感器电气湿度传感器3）光硬化树脂电解质湿敏元）光硬化树脂电解质湿敏元件件p由于由于Dunmore的高温特性差，不耐高温，主要是由于采用的高温特性差，不耐高温，主要是由于采用了聚乙烯醇（了聚乙烯醇（PVA）；）；p所以，用所以，用“光硬化树脂光硬化树脂”代替代替PVA。p光硬化树脂电解质湿敏元件特点：耐高温，可用于光硬化树脂电解质湿敏元件特点：耐高温，可用于80以以上。上。4） 高分子电解质系湿度传感器高分子电解质系湿度传感器如：聚苯乙烯磺酸锂如：聚苯乙烯磺酸锂具有一定的强度、具有一定的强度、绝缘性，且是憎绝缘性，且是憎水性的高分子聚水性的高分子聚合物合物

13、通过化学反应引通过化学反应引入磺酸基团，形入磺酸基团，形成亲水层，提高成亲水层，提高感湿性感湿性通过离子交换，通过离子交换，引入锂，进一步引入锂，进一步提高感湿性能提高感湿性能p 特点：特点：1) 整个相对湿度内均有感湿特性；整个相对湿度内均有感湿特性；2）湿滞误）湿滞误 差小；差小；3）稳定性好；）稳定性好；4）耐水性好）耐水性好1. 电解质系湿度传感器电解质系湿度传感器7.1.3 电气湿度传感器电气湿度传感器2. 有机物及高分子聚合物湿度传感器有机物及高分子聚合物湿度传感器p 有机物湿敏元件有机物湿敏元件 利用有机纤维素具有利用有机纤维素具有吸湿溶胀、脱湿收缩吸湿溶胀、脱湿收缩的特性，将的

14、特性，将导电的微粒或离子，如碳粒渗入其中作为导电材料，就可导电的微粒或离子，如碳粒渗入其中作为导电材料，就可将其体积随环境的变化转换为将其体积随环境的变化转换为感湿材料电阻感湿材料电阻的变化。的变化。p 高分子聚合物湿度传感器高分子聚合物湿度传感器 高分子聚合物能随周围环境的相对湿度大小，成比高分子聚合物能随周围环境的相对湿度大小，成比例的例的吸附和释放水分子吸附和释放水分子。由于这类高分子电介常数较小，。由于这类高分子电介常数较小，而水分子介电常数较大，可测定其电容的变化。而水分子介电常数较大，可测定其电容的变化。7.1.3 电气湿度传感器电气湿度传感器3. 半导体及陶瓷湿度传感器半导体及陶

15、瓷湿度传感器p半导体及陶瓷湿度传感器按其制做工艺可分为：半导体及陶瓷湿度传感器按其制做工艺可分为：l 烧结体型烧结体型l 涂覆膜型涂覆膜型l 厚膜型厚膜型l 薄膜型薄膜型l MOS型型7.1.3 电气湿度传感器电气湿度传感器1）烧结体型）烧结体型p 代表性品种，如：代表性品种，如： 铬酸镁二氧化钛（铬酸镁二氧化钛（MgCr2O4-TiO2）p 器件的生产工艺，采用陶瓷器件生产工艺；器件的生产工艺，采用陶瓷器件生产工艺； 配料：用天然的配料：用天然的MgCr2O4和和TiO2按适当比例配料；按适当比例配料； 压模成型：研磨压模成型：研磨24h，待粒度符合要求压模成型；，待粒度符合要求压模成型；

16、烧结：在烧结：在12501300的空气中烧结的空气中烧结2h左右；左右； 切割成片：切割成切割成片：切割成4mm5mm0.3mm的薄片。的薄片。p 特点：体积小、测湿范围宽、承受温度达特点：体积小、测湿范围宽、承受温度达600 、可、可反复清洗。反复清洗。3. 半导体及陶瓷湿度传感器半导体及陶瓷湿度传感器7.1.3 电气湿度传感器电气湿度传感器2）涂覆膜型）涂覆膜型p 最具代表性的品种：最具代表性的品种： Fe3O4p 器件的制做过程：器件的制做过程： 调浆：将纯净的调浆：将纯净的Fe3O4胶粒用水调成适当粘度的胶粒；胶粒用水调成适当粘度的胶粒； 涂覆：用滑石瓷作基片，采用刷涂和喷涂法；涂覆：用滑石瓷作基片，采用刷涂和喷涂法； 干燥：热处理（干燥：热处理（100200）及老化（）及老化（80）。）。p 特点：特点： 可在全湿范围内测量；可在全湿范围内测量； 高温时湿滞误差较大；高