《建筑环境与能源应用工程专业综合实验》 教案 3-10电子式湿度传感器

电子式湿度传感器1.氯化锂电阻式湿度计氯化锂电阻式湿度计是利用氯化锂吸湿后电阻率变化的特性制成的仪表。氯化锂是一种稳定的离子型无机盐，在空气中具有强烈的吸湿特性，其吸湿量又与空气的相对湿度成一定的函数关系，即空气中的相对湿度越大，氯化锂吸收的水分也就多、反之减小。同时氯化锂的导电性能，即电阻率的大小又随其吸湿量而变化，吸收水分越多、电阻率越小，吸收水分越少，电阻率越大。因此，根据氯化锂的电阻率变化可确定空气相对湿度大小。氯化锂电阻式测湿传感器按结构分为梳状和柱状，如图1所示。是用梳状的金属箔制在绝缘板上，或用两根平行的铂丝绕在绝缘柱表面上，外面再涂上氯化锂溶液，形成氯化锂薄膜层。由于两组平行的梳状金属箔或两根平行的铂丝本身并不接触，仅靠氯化锂薄膜层导电而构成回路。将测湿传感器置于被测空气中，当相对湿度改变时，氯化锂中薄膜层含水量也改变，随之湿度测量传感器的两梳状金属箔片或两根平行的铂丝间的电阻也发生变化，将此随湿度变化的电阻值输入显示仪表或变送器，就能显示相应的相对湿度值。但一定浓度的氯化锂测湿传感器的测湿范围较窄，一般在20%以内，而需要测量的相对湿度通常在5%~95%范围内，因此，需制成几种不同浓度氯化锂涂层的测湿传感器、一般分成四种：5%~38%，15%~50%，35%~75%，55%~95%。根据具体测量范围选择合适的测湿传感器。环境温度对氯化锂电阻湿度计有很大的影响，因氯化锂的电阻值不仅与湿度有关，而且还与空气温度有关。因此氯化锂电阻湿度计带有温度补偿电路。为避免氯化锂电阻测湿传感器的氧化锂溶液发生电解，电极两端应接交流电。为防止氯化锂薄膜层中的水分蒸发，最高安全工作温度为55℃。为保证测量精度，传感器需定期更换。（a）梳状（b）柱状图1氯化锂电阻式测湿传感器1—端子；2—电极；3—塑料底板；4—插座；5—引线DWS-P型氯化锂湿敏电阻，是近年来研发的一种新型湿敏电阻。它采用真空镀膜工艺在玻璃片上镀上一层梳状金电极，然后在电极上涂上一层氯化锂和聚氯乙烯醇等的感湿膜。由于聚氯乙烯醇是一种黏合性很强的多孔性物质，它与氯化锂结合后，水分子会很容易地在感湿膜中吸附与释放，从而使湿敏电阻的电阻值发生迅速的变化。为了增强这种湿敏电阻的优点是长期工作稳定性好，制作湿度测量仪时会有较高的精度，响应迅速。其缺点是有结露时易失效。DWS-P型氯化锂湿敏电阻特别适合空调系统中进行湿度监测。表1列出了DWS-P型氯化锂湿敏电阻的基本参数。表1DWS-P型氯化锂湿敏电阻基本参数项目参数项目参数湿度测量范围（%RH)15~95工作频率（Hz)50工作温度范围（℃)5~50工作电压（V）6(AC)测量精度（%RH)±2温度系数（%RH/℃）—湿滞（%RH)—稳定性（%RH/年）2响应时间（s）10成分及结构氯化锂薄膜2）高分子湿度传感器高分子湿度传感器主要有高分子电容式湿度传感器和高分子电阻式湿度传感器两种。（1）高分子电容式湿度传感器高分子电容式湿度传感器的结构如图2所示。这种传感器基本上是一个电容器，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。随着这种水分子吸附或释放，高分子薄膜的介电系数将发生相应的变化。因为介电系数随空气中的相对湿度变化而变化，所以只要测定电容C就可测得相对湿度。传感器的电容值可由下式确定，即：C式中ε——极板间电介质的介电常数；A——极板间的有效面积，m²；d——极板间的距离，m。目前，大多采用醋酸丁酸纤维素作为高分子薄膜的材料。这种薄膜吸附水分子后，能维持其传感特性，尤其在与多孔金电极结合时，可使传感器具有响应速度快、无湿滞等特点。高分子电容式湿度传感器的电容值与相对湿度的关系，如图3所示。表2列出了RHS型电容式湿度传感器的基本参数。图2高分子电容式湿度传感器的结构1—底板；2—高分子薄膜；3—过滤网；4—电极；5—支架；6—引线图3高分子电容式湿度传感器的电容值与相对湿度的关系表2RHS型电容式湿度传感器基本参数项目参数项目参数湿度测量范围（%RH)15~95响应时间（s）＜10工作温度范围（℃)5~50工作频率（Hz）50~300K测量精度（%RH)±2工作电压（V）＜12（AC）湿滞（%RH)1温度系数（%RH/℃）-2.高分子电阻式湿度传感器高分子电阻式湿度传感器是目前发展迅速且应用广泛的新型湿度传感器。它具有灵敏度高、线性度好、响应时间快、易小型化以及制作工艺简单、成本低、使用方便等优点。高分子电阻式湿度传感器主要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。当湿度减小时，电离作用也随之减弱，可动离子的浓度也减小，电极间的电阻值增大。这样，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（图4）。传感器可使用的材料很多，如高氯酸锂—一聚氯乙烯、有亲水性基的有机硅氧烷、四乙基硅烷的等离子共聚膜等。图4高分子电阻式湿度传感器3.金属氧化物陶瓷湿度传感器金属氧化物陶瓷湿度传感器是由金属氧化物多孔性陶瓷烧结而成。烧结体上有微细孔，可使湿敏层吸附或释放水分子，造成其电阻值的改变。利用多孔陶瓷构成的这种湿度传感器，具有工作范围宽、稳定性好、寿命长、耐环境能力强等特点。由于它们的电阻值与湿度的关系为非线性，而其电阻的对数值与湿度的关系为线性，因此在电路处理上应加入线性化处理单元。另外，由于这类传感器有一定的温度系数，在应用时还需进行温度补偿。金属氧化物陶瓷湿度传感器是当今湿度传感器的发展方向，近几年世界上许多国家通过各种研究发现了不少能作为电阻型湿敏多孔陶瓷的材料，如LaO3-TiO₃、SnO2-Al2O3-TiO₂、La2O3-TiO₂-V2O5、TiO2-Nb2O₅、MnO2-Mn2O₃等。以下对实用化的两种金属氧化物陶瓷湿度传感器作进行介绍。1）MgCr₂O₄-TiO₂陶瓷湿度传感器MgCr2O4-TiO₂陶瓷湿度传感器的结构如图5相对湿度与电阻值之间的关系如REF_Ref31742\h图6所示。MgCr2O4-TiO₂陶瓷片为4mm×5mm×0.3mm,气孔率为25%～30%,孔径小于1μm,具有良好的吸湿性。陶瓷片两面涂覆有多孔金电极，金电极与引出线烧结在一起。为了减少测量误差，在陶瓷片的外围设置由镍铬丝制成的加热线圈，以便对器件加热清洗，排除恶劣环境对器件的污染，整个器件安装在陶瓷基片上。MgCr2O4-TiO₂陶瓷湿度传感器的相对湿度与电阻值之间的关系见REF_Ref31840\h图6。由图可知，传感器的电阻值随相对湿度的增加而减少，而且也与周围环境有关。MgCr₂O₄-TiO₂陶瓷湿度传感器在使用前，应先加热约1min左右，以消除由于油污及各种有机蒸汽等的污染所引起的性能恶化。图5MgCr2O4-TiO₂陶瓷湿度传感器结构1—加热线圈；2—湿敏陶瓷片；3—金电极；4—固定端子；5—陶瓷基片；6—引线图6陶瓷湿度传感器的相对湿度与电阻值之间的关系2）NiO陶瓷湿度传感器NiO陶瓷湿度传感器主要由氧化镍金属氧化物烧结而成的多孔状陶瓷体，它的结构及外形如REF_Ref600\h图7所示。在NiO多孔状陶瓷体的两端有多孔电极，电极由引线引出传感器的外部。在电极的外部还设置有过滤层，以防恶劣环境对传感器性能产生影响。整个器件安装在塑料外壳内。NiO陶瓷湿度传感器就是利用其微细多孔本身对水分子吸附及释放的现象，从而使其电阻值发生变化的一种传感器。它具有工作稳定性好、寿命较长的特点，对丙酮、苯等蒸汽有抗污染能力。由于在结构上加上了过滤层，所以响应时间较长，适合在空调系统中使用。国产UD-8NiO湿度传感器的基本参数见表3。（a）(b)图7NiO陶瓷湿度传感器结构及外形1—外壳；2—过滤层；3—孔状电极；4—NiO陶瓷；5—引线表3UD-8NiO湿度传感器的基本参数项目参数项目参数湿度测量范围（%RH)5~90工作频率（Hz)50~100工作温度范围（℃)0~60工作电压（V）1(AC)测量精度（%RH)±2温度系数（%RH/℃）0.5湿滞（%RH)＜3稳定性（%RH/年）1~2响应时间（s）≤3成分及结构NiO烧结体3）金属氧化物膜湿度传感器Cr2O₃、Fe2O₃、Fe3O₄、Al2O₃、MgO、ZnO及TiO2等金属氧化物的细粉，它们吸附水分后有极快的速干特性，利用这种现象可以制造出多种金属氧化物膜湿度传感器。金属氧化物膜湿度传感器的结构如图8所示。在陶瓷基片上先制作钯银梳状电极，然后采用丝网印制、涂布或喷射等工艺方法，将调制好的金属氧化物的糊状物加工在陶瓷基片及电极上，采用烧结或烘干方法使之固化成膜。这种膜可以吸附或释放水分子而改变其电阻值，通过测量电极间的电阻值即可检测相对湿度。金属氧化物膜湿度传感器的特点是传感器电阻的对数值与湿度呈线性关系，具有测湿范围及工作温度范围宽的优点，测量精度为2%～4%RH，使用寿命在两年以上。表4列出了一些国产这类传感器的基本参数。图8金属氧化物膜湿度传感器结构图1—陶瓷基片；2—梳状电极；3—金属氧化物感湿膜；4—引线表4金属氧化物膜