化学物质传感器机工社版课件

第9章化学物质传感器2023/7/291学习目的

掌握气敏传感器、湿度传感器的工作原理。掌握电阻型气敏传感器、非电阻型气敏传感器的工作原理。熟悉气敏传感器的应用。掌握电阻式湿度传感器、电容式湿度传感器的工作原理。熟悉湿度传感器的应用。2023/7/292

9.1气敏传感器

9.2湿度传感器

本章小结

复习思考题主要内容返回主目录2023/7/293人类的日常生活和生产活动与周围环境气氛紧密相关。气氛的变化对人类有极大的影响。例如，气氛中缺氧或有毒气体会使人感到窒息甚至昏迷致死。可燃性气体的泄漏会引起爆炸和火灾，使人们的生命和财产遭受巨大的损失。在生产中使用的气体原料和生产过程中产生的气体种类和数量也在不断增加，特别是石油、化工、煤矿及汽车等工业的飞速发展以及火灾事故的不断发生，大气日益污染。因而我们需要使用大量的气敏传感器来检测气体的成分。气敏传感器就是能感知环境中某种气体及其浓度的一种器件，它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。9.1气敏传感器2023/7/294燃气报警器烟雾报警器2023/7/295酒精传感器2023/7/296

气敏传感器的种类很多，分类标准不一，根据传感器的气敏材料以及气敏材料与气体相互作用的机理和效应不同主要分为：9.1.1气敏传感器的分类半导体式固体电解质式电化学式接触燃烧式其他类型光学式气敏传感器石英振子式气敏传感器表面声波气敏传感器电阻型非电阻型2023/7/297固体电解质气敏传感器是利用被测气体在敏感电极上发生化学反应，所生成的离子通过固体电解质传递到电极，使电极间产生的电位随气体分压而变化的原理来对气体进行检测。电化学式气敏传感器是利用电极和电解质组成的电池中，气体与电极进行氧化还原反应，从而使两极间输出的电流或电压随气体浓度而变化的原理制作的。2023/7/298燃烧式气敏传感器则是基于强催化剂使气体在其表面燃烧时产生热量，而使贵金属电极电导随气体浓度发生变化来对气体进行检测的。半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，应用极其广泛；下面重点介绍半导体气敏传感器及其气敏元件。电阻型半导体气敏传感器是目前广泛应用的气敏传感器之一。2023/7/2999.1.2电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器是利用气体在金属氧化物半导体表面的氧化和还原反应，导致敏感元件阻值变化的原理来制作的。

如氧气等氧化型气体—电子接收性气体（具有负离子吸附倾向的气体）吸附到N型半导体上，半导体的载流子减少，电阻率上升；吸附到P型半导体上，半导体的载流子增多，电阻率下降；如氢、碳氧化合物、醇等还原型气体—电子供给性气体（具有正离子吸附倾向的气体）吸附到N型半导体上，半导体的载流子增多，电阻率下降；吸附到P型半导体上，半导体的载流子减少，电阻率上升。图9-1N型半导体与气体接触时的氧化还原反应2023/7/2910气敏电阻的材料是金属氧化物，合成时加敏感材料和催化剂烧结，金属氧化物有：N型半导体和P型半导体。P型半导体如：这些金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体后则显示出气敏特性。N型半导体如：2023/7/2911通常器件工作在空气中，由于氧化的作用，空气中的氧被半导体（N型半导体）材料的电子吸附负电荷，结果半导体材料的传导电子减少，电阻增加，使器件处于高阻状态；当气敏元件与被测气体接触时，会与吸附的氧发生反应，将束缚的电子释放出来，敏感膜表面电导增加使元件电阻减小。导电机理用一句话描述：半导体表面因吸附气体引起半导体元件电阻值变化，根据这一特性，从阻值的变化测出气体的种类和浓度。2023/7/2912

是电阻型金属氧化物半导体传感器的气敏材料的典型代表，这类半导体传感器的使用温度较高，大约200～500℃。为了进一步提高它们的灵敏度，降低工作温度，通常向母料中添加一些贵金属（如等），激活剂及粘接剂等。目前常见的—更具有潜力

系列气敏元件有烧结型薄膜型厚膜型—应用最多2023/7/29131．烧结型气敏元件烧结型气敏元件是目前工艺最成熟的气敏元件，其敏感体是用粒径很小的粉体为基本材料，与不同的添加剂混合均匀，采用典型的陶瓷工艺制备，工艺简单，成本低廉。主要用于检测可燃的还原性气体，敏感元件的工作温度约300℃。按照其加热方式，分为直热式旁热式2023/7/2914直热式气敏元件，又称为内热式器件。由芯片(包括敏感体和加热器)、基座和金属防爆网罩三部分组成。芯片结构的特点是在以为主要成分的烧结体中埋设两根作为电极并兼作加热器的螺旋形铂～铱合金线，其结构如9-2图所示。优点是结构简单，成本低廉，但其热容量小，易受环境气流的影响，稳定性差。图9-2直热式气敏器件结构2023/7/2915其可靠性和使用寿命都较直热式气敏元件为高。目前市售的系气敏元件大多为这种结构形式。旁热式气敏元件严格地讲是一种厚膜型元件，其结构如9-3图所示。在一根薄壁陶瓷管的两端设置一对金电极及铂一铱合金丝引出线，然后在瓷管的外壁涂覆以为基础材料配制的浆料层，经烧结后形成厚膜气体敏感层。在陶瓷管内放入一根螺旋形高电阻金属丝作为加热器(加热器电阻值一般为30～40Ω)。这种管芯的测量电极与加热器分离，避免了相互干扰，而且元件的热容量较大，减少了环境温度变化对敏感元件特性的影响。旁热式气敏元件图9-3旁热式气敏元件结构2023/7/29162．厚膜型气敏元件基片加热器气体敏感层厚膜型组成厚膜型SnO2气敏元件是用丝网印刷技术将浆料制备而成的，其机械强度和一致性都比较好，且与厚膜混合集成电路工艺能较好相容，可将气敏元件与阻容元件制作在同一基片上，利用微组装技术与半导体集成电路芯片组装在一起，构成具有一定功能的器件。图9-4厚膜型气敏元件结构示意图2023/7/29173．薄膜型

SnO2

气敏元件由于烧结型SnO2气敏元件的工作温度约300℃，此温度下贵金属与环境中的有害气体(如SO2

之类)作用会发生“中毒”现象，使其活性大幅度下降，因而造成气敏元件的气敏性能下降，长期稳定性、气体识别能力等降低。薄膜型SnO2

气敏元件的工作温度较低(约为250℃)，并且这种元件具有很大的表面积，自身的活性较高，本身气敏性很好；且催化剂“中毒”不十分明显。薄膜型器件一般是在绝缘基板上，蒸发或溅射一层SnO2薄膜再引出电极。具体结构如9-5图所示。并且可利用器件对不同气体的敏感特性实现对不同气体的选择性检测。图9-5薄膜型气敏传感器结构2023/7/2918非电阻型气敏传感器主要包括利用MOS二极管的电容—电压特性变化的MOS二极管型气敏传感器和利用MOS场效应管的阈值电压变化的MOS场效应管型气敏传感器。9.1.3非电阻型半导体气敏传感器2023/7/2919Pd-MOS二极管气敏元件是在P型硅上集成一层二氧化硅层，在氧化层蒸发一层钯（Pd）金属膜作栅电极。氧化层（）的电容Ca是固定不变的。而硅片与层电容Cs是外加电压的函数，所以总电容C是栅极偏压的函数，其函数关系称为该MOS管的电容一电压(C—U)特性。MOS二极管的等效电容C随电压U变化。图9-6Pd—MOS二极管敏感元件结构和等效电路2023/7/2920由于金属钯（Pd）对氢气特别敏感。当Pd吸附氢气以后，使Pd的功函数下降，且所吸附气体的浓度不同功函数变化量不同，这将引起MOS管的C—U特性向左平移（向负方向偏移），如图9-7所示。由此可测定氢气的浓度。图9-7MOS管的C—U特性2023/7/29219.1.4气敏传感器的应用各类易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警都可以用相应的气体传感器及其相关电路来实现，如气体成分检测仪、气体报警器、空气净化器等等已用于工厂、矿山、家庭、娱乐场所等。下面给出几个典型实例。2023/7/2922对于丙烷、丁烷、甲烷等气体，报警浓度一般选定在其爆炸下限的1／10，通过调整电阻来调节。1.简易家用气体报警图9-8是一种最简单的家用气体报警器电路，采用直热式气敏传感器TGSlO9，当室内可燃性气体浓度增加时，气敏器件接触到可燃性气体而电阻值降低，这样流经测试回路的电流增加，可直接驱动蜂鸣器BZ报警。图9-8最简单的家用气体报警器电路直热式气敏传感器2023/7/29232.有害气体鉴别、报警与控制电路旁热式烟雾、有害气体传感器。无有害气体时阻值较高(10左右)，有有害气体或烟雾进入时阻值急剧下降，A、B两端电压下降.V当5脚电压达到预定值时(调节可调电阻RP可改变5脚的电压预定值)，1、2两脚导通.吸合，合上排风扇电源开关自动排风声光报警电路一方面可鉴别实验中有无有害气体产生，鉴别液体是否有挥发性，另一方面可自动控制排风扇排气，使室内空气清新。2023/7/29240.53V时，则VL1

和VL2

点亮当7脚电位等于0.18V时,VL1

被点亮0.84V时,VL1

－VL3均点亮1.19V时，VL1

－VL4均点亮2V时，则使VL1

－

VL5

全部点亮采用低功耗、高灵敏的QM-N10型气敏检测管，它和电位器RP

组成气敏检测电路，气敏检测信号从RP的中心端旋臂取出。U257B是LED条形驱动器集成电路，其输出量(LED点亮只数)与输入电压成线性关系。LED被点亮的只数取决于输入端7脚电位的高低。通常IC的7脚电压低于0.18V时，其输出端2～6脚均为低电平，VL1-VL5均不亮。U257B的额定工作电压范围8～25V；输入电压最大25V；输入电流0.5mA；功耗690mW.它可用于家庭对煤气、一氧化碳、液化石油气等泄漏实现监测报警3.可燃性气体浓度检测电路图9-10可燃性气体浓度检测电路原理图2023/7/2925

当QM-N10不接触可燃性气体时，其A—B两电极间呈高阻抗，使得7脚电压趋于0V，相应VL1～VL5均不亮。当QM-N10处在一定的可燃性气体浓度中时，其A—B两电极间电阻变得很小，这时7脚存在一定的电压0.18V，使得相应的发光二极管点亮。如果可燃性气体的浓度越高，则VL1～VL5依次被点亮的只数越多。图9-10可燃性气体浓度检测电路原理图2023/7/2926限流电阻

QM-N5型气敏元件报警设定电位器

VT2和VT3互补式自激多谐振荡器图9-11矿灯瓦斯报警器电路4.矿灯瓦斯报警器2023/7/2927因为气敏元件在预热期间会输出信号造成误报警，所以气敏元件在使用前必须预热十几分钟以避免误报警。一般将矿灯瓦斯报警器直接安放在矿工的工作帽内，以矿灯蓄电池为电源。当瓦斯超限时，矿灯自动闪光并发出报警声。当瓦斯超过某设定点时，输出信号通过二极管VD加到VT1基极上，VT1导通，VT2、VT3便开始工作。而当瓦斯浓度低时，RP

输出的信号电位低，VT1截止，VT2、VT3也截止.

图9-11矿灯瓦斯报警器电路2023/7/2928图9-11矿灯瓦斯报警器电路在VT1导通后电源通过R3对C1充电，当充电至一定电压时VT3导通，C2很快通过VT3充电，使VT2导通，继电器K吸合。VT2导通后C1立即开始放电，C1正极经VT3的基极、发射极、VT1的集电结、电源负极，再经电源正极至VT2集电结至C1负极，所以放电时间常数较大。当C1两端电压接近零时，VT3截止。此时VT2还不能马上截止，原因是电容器C2上还有电荷，这时C2经R2和VT2的发射结放电，待C2两端电压接近零时VT2就截止了，自然K也就释放。当VT3截止，C1又进入充电阶段，以后过程又同前述，使电路形成自激振荡，K不断地吸合和释放。由于K与矿灯都是安装在工作帽上，K吸合时，衔铁撞击铁芯发出的“嗒嗒”声通过矿帽传递给矿工听见。同时，矿灯因K的吸合与释放也不断闪光，引起矿工的警觉，他可及时采取通风措施。2023/7/29295．烟雾报警器电路由电源、检测、定时报警输出三部分组成。电源部分将220V市电经变压器降至15V，由－组成的桥式整流电路整流并经滤波成直流。

图9-12烟雾报警器电路原理图HQ-2气敏管A—B之间的电阻，在无烟环境中为几十千欧，有烟雾环境中可下降到几千欧。

2023/7/2930一旦有烟雾存在，A—B间电阻便迅速减小，比较器通过电位器RP1所取得的分压随之增加，IC1翻转输出高电平使T2导通。IC2在IC1翻转之前输出高电平，因此T1也处于导通状态。只要IC1一翻转，输出端便可输出报警信号。输出端可接蜂鸣器或发光器件。IC1翻转后，由R3、C1组成的定时器开始工作(改变R3阻值可改变报警信号的长短)。当电容C1被充电达到阈值电位时，IC2翻转，则VT1关断，停止输出报警信号。烟雾消失后，比较器复位，C1通过IC1放电。该气敏管长期搁置首次使用时，在没有遇到可燃性气体时电阻也将减小，需经10分钟左右的初始稳定时间后方可正常工作。图9-12烟雾报警器电路原理图2023/7/29316．酒精检测报警器图9-13酒精检测报警控制器电路原理图由于气敏元件不仅对酒精敏感，而且对于汽油、香烟也敏感，经常造成检测驾驶员是否饮酒的报警器发生误动作而不能普遍推广使用。必须选用只对酒精敏感的QM-NJ9型酒精传感器，要求当检测器接触到酒精气味后立即发出连续不断的“酒后别开车’’的响亮语音报警，并切断车辆的点火电路，强制车辆熄火。QM-NJ9型酒精传感器

语言声光报警器2023/7/2932图9-13酒精检测报警控制器电路原理图三端稳压器7805将传感器的加热电压稳定在5V±0.2V，保证该传感器工作稳定性和具有高的灵敏度。

当酒精气敏元件接触到酒精味后B点电压升高，且升高值随检测到的酒精浓度增大而升高，当该电压达到1.6V时导通语言声光报警器2023/7/2933呼气管酒精测试仪2023/7/2934家庭用液化气报警器家庭用煤气报警器2023/7/2935一氧化碳传感器2023/7/2936汽车尾气分析2023/7/29372023/7/29382023/7/29399.2湿度传感器湿度的检测与控制在工业、农业、气象、医疗以及日常生活中的地位越来越重要。例如:许多储物仓库在湿度超过某一程度时，物品易发生变质或霉变现象；居室的湿度希望适中；而纺织厂要求车间的湿度保持在60－70％RH；在农业生产中的温室育苗、食用菌培养、水果保鲜等都需要对湿度进行检测和控制。2023/7/29402023/7/2941湿度是表示空气中水蒸气的含量的物理量，常用绝对湿度、相对湿度、露点等表示。待测空气中水蒸气质量待测空气的总体积，单位为g/m39.2.1湿度的表示方法1.绝对湿度所谓绝对湿度就是在一定温度和压力条件下，单位体积空气内所含水蒸气的质量，也就是指空气中水蒸气的密度。一般用一立方米空气中所含水蒸气的克数表示，即为绝对湿度（g/m3）2023/7/2942相对湿度是表示空气中实际所含水蒸气的分压（P）和同温度下饱和水蒸气的分压（Pmax）的百分比，即

通常，用％RH表示相对湿度。当温度和压力变化时，因饱和水蒸气变化，所以气体中的水蒸气压即使相同，其相对湿度也发生变化。显然，绝对湿度给出了水分在空间的具体含量，相对湿度则给出了大气的潮湿程度，故使用更广泛。日常生活中所说的空气湿度，实际上就是指相对湿度而言。2.相对湿度温度2023/7/2943在一定大气压下，将含水蒸气的空气冷却，当降到某温度时，空气中的水蒸气达到饱和状态，开始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或露点温度。如果这一特定温度低于0℃，水气将凝结成霜，此时称其为霜点。通常对两者不予区分，统称为露点，其单位为℃。

3.露点2023/7/29449.2.2湿度传感器的分类近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿度传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度、温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。湿敏元件是最简单的湿度传感器。产品的基本形式都是在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。湿敏元件根据工作方式的不同电阻式电容式湿敏元件是指对环境湿度具有响应或转换成相应可测信号的元件湿度传感器是由湿敏元件及转换电路组成的，具有把环境湿度转换为电信号的能力。2023/7/2945湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。1.湿敏电阻湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差.湿敏电阻的种类金属氧化物湿敏电阻硅湿敏电阻碳湿敏电阻氯化锂湿敏电阻陶瓷湿敏电阻高分子湿敏电阻2023/7/29462.湿敏电容当环境湿度发生改变时，湿敏电容极间介质的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，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，其精度一般比湿敏电阻要低一些。按照极间介质的不同，湿敏电容分为有机高分子陶瓷材料国外生产湿敏电容的主要厂家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件（利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率）、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。2023/7/2947氯化锂湿敏电阻是利用物质吸收水分子而使导电率变化来检测湿度。在氯化锂溶液中，Li和Cl以正负离子的形式存在，锂离子（Li+）对水分子的吸收力强，离子水合成度高，溶液中的离子导电能力与溶液浓度成正比，溶液浓度增加，导电率上升。当溶液置于一定湿度场中，若环境RH上升，溶液吸收水分子使浓度下降，电阻率ρ上升，反之RH下降，电阻率ρ下降。通过测量溶液电阻值R实现对湿度的测量。9.2.3电阻式湿度传感器1．氯化锂湿敏电阻2023/7/2948在梳状或柱状电极间的电阻值的变化反映了空气相对湿度的变化。氯化锂电阻湿度传感器分梳状和柱状，如图9-15所示

图9-15氯化锂电阻湿度传感器2023/7/2949

氯化锂浓度不同的单片湿度传感器，其感湿的范围也不同。浓度低的单片湿度传感器对高湿度敏感，而浓度高的单片湿度传感器对低湿度敏感。一般的单片湿度传感器的湿敏范围仅在30％RH左右，如10％～30％、20％～40％、40％～70％、70％～90％、80％～99％等。每一传感器的测量范围较窄，故应按照测量范围的要求，选用相应的量程。为扩大测量范围，可采用多片组合传感器。新型氯化锂湿度传感器具有长期工作稳定性好、精度高、响应迅速等优点，但在有结露时易失效。它适合空调系统使用2023/7/29502．陶瓷湿敏传感器半导体陶瓷湿敏电阻通常用两种以上的金属氧化物半导体在高温1300℃下烧结成多孔陶瓷。半导体陶瓷湿敏电阻分为两种一种材料的电阻率随湿度增加而下降，称为负特性半导体陶瓷湿敏电阻（例：ZnO-LiO2-V2O5）一种材料(如Fe3O4半导瓷)的电阻率随着湿度的增加而增大，称为正特性半导体陶瓷湿敏电阻。2023/7/2951由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导体陶瓷表面附着时，就可能从半导体陶瓷表面俘获电子，使半导体陶瓷表面带负电，相当于表面电势变负。P型半导体陶瓷N型半导体陶瓷水表面电势下降电阻下降已知一系列的金属氧化物，特别是过渡金属氧化物及其盐类都具有这样特性，如对于N半体陶导瓷，由于水分子附着同样会使表面电势下降，如果表面电势下降比较多，不仅使表面的电子耗尽，同时将大量的空穴吸引到表面层，以至有可能达到表面层的空穴浓度高于电子浓度的程度，出现所谓表面反型层，这些空穴称为反型载流子

，它们同样可以在表面迁移而对电导做出贡献。这就说明水分子的附着同样可以使N型半导瓷材料的表面电阻下降。由于水分子的吸附使表面电势下降，这类材料就是负特性湿敏半导体陶瓷。它的阻值随着湿度的增加可以下降三至四个数量级。2023/7/2952对于阻值随湿度增加而增大的这类正特性湿敏半导体陶瓷，这类材料的结构、电子能量状态与负特性有所不同。当水分子的附着使表面电势变负时，造成表面层电子浓度的下降，但还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型的程度，此时仍以电子导电为主。于是表面电阻将由于电子浓度的下降而增大，这类半导瓷材料的表面层电阻将随环境湿度的增加而加大。如果对于某一种半体陶导瓷，它的晶粒间界电阻与体内电阻相比并不很大，那么表面层电阻的加大对总电阻将不起多大作用。不过，通常湿敏半导体陶瓷材料都是多孔型的，表面电阻占的比例很大，故表面层电阻的升高，必将引起总阻值的明显升高。但由于晶体内部低阻支路依然存在，所以总阻值的升高不像负特性材料中的阻值下降那么明显。正特性湿敏半导体陶瓷

2023/7/2953由金属氧化物粉末或某些金属氧化物烧结体研成的粉末，通过一定方式的调合、喷洒或涂覆在具有叉指电极的陶瓷基片上而制成的。涂覆膜型的湿敏元件水电阻下降涂覆膜型的湿敏元件由其结构所造成的。由于粉粒之间通常是很松散的“准自由”表面，这些表面都非常有利于水分子附着，特别是粉粒与粉粒之间不太紧密的接触更有利于水分子的附着。极性的、离解力极强的水分子在粉粒接触处的附着将使其接触程度强化，并且接触电阻显著降低。2023/7/2954因此环境湿度越高，水分子附着越多，接触电阻就越低。由于接触电阻在湿敏元件中是起主导作用的，所以随着环境湿度的增加，元件的电阻下降。而且，不论是用负特性型还是正特性型的湿敏瓷粉作为原料，只要其结构是属于粉粒堆集型的，其阻值都将随着环境湿度的增高而显著下降。例如，烧结型Fe3O4湿敏电阻具有正特性，而瓷粉膜型Fe3O4湿敏电阻具有负特性。2023/7/2955在诸多的金属氧化物陶瓷材料中，由铬酸镁－二氧化钛固溶体组成的多孔性半导体陶瓷是性能较好的湿敏材料，它的表面电阻率能在很宽的范围内随着湿度的变化而变化，而且能在高温条件下进行反复的热清洗，性能仍保持不变。

图9-16

陶瓷湿敏元件结构多孔陶瓷湿敏传感器的结构，气孔大部分为粒间气孔，气孔直径随添加量的增加而增大，平均气孔直径在100～300nm内。粒间气孔与颗粒大小无关，可看作相当于一种开口毛细管，容易吸附水分。这种传感器材料的主晶相是相，此外，还有相等，湿敏体是一个多晶多相的混合物。经汞压法测定，各种配方的湿敏气孔率各不相同，气孔率在20％～35％之间，平均粒径在左右。湿敏体的两个侧面制成多孔的氧化钌电极，电极的引线一般为(铂-铱）丝。陶瓷基片在周围装置有一只坎瑟尔电阻丝绕制的加热器。陶瓷湿敏体和加热器固定在陶瓷基座上，陶瓷基座上采用带有护圈的绝缘子，这样能消除传感器接头之间因电解质粘附而引起的泄漏电流的影响。2023/7/2956陶瓷湿敏传感器具有较好的热稳定性，较强的抗沾污能力，能在恶劣、易污染的环境中测得准确的湿度数据等优点；另外测湿范围宽，基本上可以实现全湿范围内的湿度测量；工作温度高，常温湿敏传感器的工作温度在150℃以下，而高温湿敏传感器的工作温度可达800℃；响应时间短，精度高，工艺简单，成本低等。所以在实用中占有很重要的位置。2023/7/2957高分子电阻式湿度传感器使用高分子固体电解质材料制作感湿膜，由于膜中的可动离子而产生导电性，随着湿度的增加，其电离作用增强，使可动离子的浓度增大，电极间的电阻值减小。反之，电阻值增大。因此，湿度传感器对水分子的吸附和释放情况，可通过电极间电阻值的变化检测出来，从而得到相应的湿度值。3．高分子电阻式湿度传感器由于它们的检测范围不同，因而在实用上各自有着不同的用途。下面以高分子结构效应型湿度传感器为例讲述其工作原理。高分子电阻式湿度传感器可以分为两类一类是高分子结构效应型湿度传感器另一类是高分子尺寸效应型湿度传感器2023/7/2958高分子结构效应型湿度传感器水电阻下降通常是将含有强极性基的高分子电解质及其盐类、、-NH2等高分子材料制成感湿电阻式膜。水吸附在强极性基高分子上，随着湿度的增大吸附量增加，吸附水之间凝聚化呈液态水状态。测定这种湿度传感器电阻值时，在低湿吸附量少的情况下，由于没有电荷离子产生，电阻值很高。当相对湿度增加时，凝聚化的吸附水就成为导电通道，高分子电解质的成对离子主要起载流子作用。此外，由吸附水自身离解出来的质子及水和氢离子也起电荷载流子作用，这就使传感器的电阻急剧下降。利用高分子电解质在不同湿度条件下电离产生的导电离子数量不等使阻值变化，就可测定环境中的湿度。高分子结构效应型湿度传感器

2023/7/2959图9-17为元件结构图，感湿膜是由PVA(聚乙烯醇)和PSS(聚苯乙烯磺酸铵)组成。基极用厚O.6mm的氧化铅，电极用Au做成叉指型。组件外面用发泡体聚丙烯包封构成过滤器，以防止灰尘、水和油等直接与感湿膜接触。利用导电性高分子对水蒸气的物理吸附作用引起电导率变化的高分子湿度传感器，其优点是测量湿度范围大，工作温度在0～50℃，响应时间短(<30s)，可作为湿度检测和控制用。图9-17元件结构图2023/7/29609.2.4电容式湿度传感器湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，高分子电容式湿度传感器基本上是一个电容器，如图9-18所示，在高分子薄膜上的电极是很薄的金属微孔蒸发膜，水分子可通过两端的电极被高分子薄膜吸附或释放，随着水分子被吸附或释放，高分子薄膜的介电系数将发生相应的变化。图9-18高分子电容式湿敏元件基本结构因为介电系数随空气的相对湿度变化而变化，所以只要测定电容值就可测得相对湿度。2023/7/2961常用的高分子材料是醋酸纤维素、尼龙、硝酸纤维素、聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。高分子湿敏元件的薄膜做得极薄,一般约5000埃,使元件易于很快的吸湿与脱湿,减少了滞后误差,响应速度快。高分子电容式湿度传感器具有响应速度快、线性好、重复性好、测量范围宽、尺寸小等优点。缺点是不宜用于含有机溶媒气体的环境，元件也不能耐80℃以上的高温。其广泛用于气象、仓库、食品、纺织等领域的湿度检测。2023/7/29629.2.5常见湿度传感器2023/7/2963

对于不同环境的湿度测量应选用不同的湿度传感器。例如，当环境温度在一40～70℃时，可采用高分子湿度传感器和陶瓷湿度传感器；在70～100℃范围和超过100℃时使用陶瓷湿度传感器。在干净的环境通常使用高分子湿度传感器，在污染严重的环境则使用陶瓷湿度传感器。为了使传感器准确稳定地工作，还需附加自动加热清洗装置。下面介绍几种典型的应用实例。9.2.6湿度传感器的应用2023/7/2964图9-20直读式湿度计电路氯化锂湿度传感器

测湿电桥的电源，其振荡频率为250～1000Hz

微安表，指示出由于相对湿度的变化引起电流的改变，经标定并把湿度刻划在微安表盘上.

1.直读式湿度计2023/7/2965图9-21湿度检测器电路湿度传感器

多谐振荡器,输出方波信号

读出与相对湿度相应的指数来将多谐振荡器输出的方波信号变为三角波。当相对湿度变化时，湿度传感器的电容量将随着改变，它将使多谐振荡器输出的频率及三角波的幅度都发生相应的变化。

2.湿度检测器整流和滤波仪器调零2023/7/2966图9-20高湿显示器电路图SMOI—A型湿敏电阻，当环境的相对湿度在20％～90％RH变化时，它的电阻值在几十千欧到几百欧范围内改变9V当环境湿度增大时

RV导通截至导通发光高湿度显示电路可应用于蔬菜大棚、粮棉仓库、花卉温室、医院等对湿度要求比较严格的场合。3.高湿度显示器为防止湿敏电阻产生极化现象，采用变压器降压供给检测电路9V交流电压。

2023/7/2967图9-23湿度控制器原理电路图将湿敏电容置于RC振荡电路中，直接将湿敏元件的电容信号转换成电压信号。由双稳态触发器及RC组成双振荡器，其中一支路由固定电阻和湿敏电容组成，另一支路由多圈电位器和固定电容组成。设定在O％RH时，湿敏支路产生一脉冲宽度的方波，调整多圈电位器使其方波与湿敏支路脉宽相同，则两信号差为0，湿度变化引起脉宽变化，两信号差通过RC滤波后经标准化处理得到电压输出，输出电压随相对湿度几乎成线性增加，这是KSC－6V集成相对湿度传感器的原理，其相对湿度0％～100％RH对应的输出为0～100mV。当湿度V导通吸合发绿光,空气干燥接通超声波加湿器

4.房间湿度控制器高电平2023/7/2968图9-23湿度控制器原理电路图当湿度V释放发红光,空气潮湿接通排气扇排除潮气导通吸合高电平2023/7/2969

图9-24汽车后窗玻璃自动去湿电路嵌入玻璃的加热电阻湿度传感器

施密特触发电路偏置电路

在常温常湿条件下较大导通截止断开无电流流过5.汽车后窗玻璃自动去湿装置2023/7/2970

图9-24汽车后窗玻璃自动去湿电路嵌入玻璃的加热电阻湿度传感器施密特触发电路偏置电路

当室内外温差较大，且湿度过大时

减小导通截止闭合有电流流过，加热电阻开始加热，后窗玻璃上的潮气被驱散。2023/7/29716.浴室镜面水汽清除器图9-25镜面水汽清除器的整体结构图由电热丝、结露传感器、控制电路等组成，其中电热丝和结露传感器安装在玻璃镜子的背面，用导线将它们和控制电路联接。2023/7/2972图9-26浴室镜面水汽清除器电路图结露传感器，感知水汽后的阻值变化如果玻璃镜面周围的湿度变低时，结露传感器阻值变小到2时。截止截止无电流流过调节其阻值，可使加热丝在确定的某一相对湿度条件下开始加热。导通2023/7/2973图9-26浴室镜面水汽清除器电路图结露传感器，感知水汽后的阻值变化如果玻璃镜面周围的湿度增加，使结露传感器阻值增大到50时。截止导通有电流流过调节其阻值，可使加热丝在确定的某一相对湿度条件下开始加热。导通玻璃镜面加热，随着镜面温度逐步升高，从而使镜面水汽被蒸发恢复清晰。

2023/7/2974土壤的电阻值与其湿度有关，潮湿的土壤电阻仅有几百欧姆，干燥时土壤电阻可增大到数十千欧姆以上，因此，可以利用土壤电阻值的变化来判断土壤是否缺水。

图9-27土壤缺水告知器电路原理图

振荡器缓冲电路基准电压其两端电压较低当土壤潮湿时，其阻值变小整流低电位

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