湿度传感器教案

教学部门*****主讲人学习专题传感器应用授课学时10课时教学地点教室班级*****教学资源教案教学设备桌椅、黑板、讲台、PPT教学内容.了解绝对湿度与相对湿度的概念；.了解结露现象和露点；.掌握湿敏电阻的结构、原理、特点及分类；.熟悉湿敏电阻传感器的基本参数；.能根据实际应用场合正确选用湿敏电阻；.掌握湿敏电容的结构、原理、特点及分类；.熟悉湿敏电容传感器的基本参数；.能根据实际应用场合正确选用湿敏电阻。教学重点电阻式湿敏电阻的工作原理电容式湿敏电阻的工作原理教学难点电桥测湿电路教学方法讲授评价方法通过提问和作业的形式来衡量学生是否理解，通过学生是否理解来衡量同学的掌握情况教学内容第三章湿度传感器3.1湿度的概念3.1.1相关知识.湿度的概念湿度：指大气中所含的水蒸气量。最常用的两种表示方法：绝对湿度和相对湿度。.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，其表达式为中 一一待测大气中的水汽质量（9）;V——待测气体的总体积（ ）。.饱和状态饱和状态：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。.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P…〜①=/X100%W式中 一一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179的水汽，则绝

对湿度17g/m3,相对湿度为100%RH；相同条件下，如果绝对湿度为8.5g/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。.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m/MX100%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V/vX100%3.1.2结露现象和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。水的饱和蒸气压随温度的降低而逐渐下降。在同样的空气水蒸气压下，温度越低，则空气的水蒸气压与同温度下水的饱和蒸气压差值越小。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，空气中的水蒸气将向液相转化而凝结成露珠，相对湿度为100%RH。该温度，称为空气的露点温度，简称露点。如果这一温度低于0c时，水蒸气将结霜，又称为霜点温度。两者统称为露点。空气中水蒸气压越小，露点越低，因而可用露点表示空气中的湿度。

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。3.2.2应变片结构与类型湿敏电阻结构示意图封装后的外形湿敏电阻的特点（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。湿敏电阻的基本参数1）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%。其中，d11:纵向压电常数；//作用力。2）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。3）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。4）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。湿敏电阻的分类1）电解质式湿敏电阻

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72/10sO72/10sO0.25%LQ0.5%LQL0%LQ2.2%LQ0306090相对湿度/%氯化锂湿度传感器的阻一湿特性氯化锂湿度传感器的结构A涂有聚苯乙烯薄膜的圆筒B耙丝优点：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。命短。人电阻（Q）6.5.5-5-4.5-4-50 60 7080 904050 60 7080 90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MgCr2O4-TiO2系。此外，还有TiO2-V2O5系、ZnO-Li2O-V2O5系、ZnCr2O4系、ZrO2-MgO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。

陶瓷湿敏元件结构图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。MgCr2O4-TiO2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，电阻一湿度特性近似呈线性关系。当相对湿度由0变为100%RH时，阻值从107Q下降到104Q，即变化了三个数量级。3）高分子湿敏电阻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。高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的基本结构3.2.4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400c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。3.2.5湿敏电阻传感器的应用举例

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。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。3.3湿敏电容传感器湿敏电容的结构、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C_8A_808A0dr式中A——两极板相互对应的面积（成）；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，=8.85X10-12F/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。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。2I 6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