第15章湿度传感器.ppt

1、第15章湿度传感器，一、湿度表示法空气中含有的水蒸气的量称为湿度，含有水蒸气的空气为混合气。 主要有质量百分率和体积百分率、相对湿度和绝对湿度、露点(霜点)等表示法。 1 .在质量百分率和体积百分率的质量为m的混合气体中，将含有水蒸气的质量设为m时，质量百分率为vV100，这两种方法统称为水蒸气百分含有法。 在mM100、体积v的混合气体中，设含有水蒸气的体积为v，则体积百分率为15.1湿度及湿度传感器，2、相对湿度及绝对湿度水蒸气压是指在一定的温度条件下存在于混合气体中的水蒸气分压(p )。 饱和水蒸气压是指同一温度下混合气体中含有的含水水蒸气压的最大值(ps )。 温度越高，饱和水蒸气压越

2、大。 在某个温度下，其水蒸气压和饱和水蒸气压的百分率称为相对湿度。 m被测定空气中的水蒸气质量v应该测定的空气的总体积v测定的空气的绝对湿度。 绝对湿度表示空气中每单位体积所含水蒸气的质量，二是湿度传感器的主要残奥表1，湿度范围是指湿度传感器技术规格规定的湿度范围。 总湿度范围以相对湿度(0100)RH表示，是湿度传感器工作性能的重要指标。 2 .感湿特征量每个相对湿度特性湿度传感器都有感湿特征量，例如电阻、电容器等，通常电阻多。 以电阻为例，将在规定的工作湿度范围内湿度传感器的电阻值根据环境湿度而变化的关系特性曲线简称为遮湿特性。 有些湿度传感器的电阻值会随着湿度的升高而升高。 这是Fe3O

3、4湿式电阻器等正特性湿式电阻器。 有的电阻值会随着湿度的升高而减少。 这是TiO2SnO2陶瓷湿电阻器等负特性的湿电阻器。 在这样的湿式电阻器中，低湿时的电阻值不能太高，不利于与测量系统和控制订正的连接。 5、3、感湿灵敏度简称灵敏度，也称湿度系数。 其定义是在某个相对湿度范围内相对湿度变化1RH时的湿度传感器的电量变化值或百分率。 不同的湿度传感器对灵敏度的要求不同，对于低湿型或高湿型的湿度传感器，要求它们的范围狭窄，灵敏度高。 但是，在全湿型湿度传感器中，灵敏度越大并非越好，电阻值的动态范围宽，不利于二次校正器的制备，因此灵敏度的大小必须适当。 4 .特征量温度系数反映湿度传感器的感湿特征

4、量相对湿度特性曲线根据环境温度而变化的特性。 感湿特征量的环境温度变化越小，环境温度变化引起的相对湿度误差越小。 当环境温度保持恒定时，将湿度传感器的特征量的相对变化量与对应的温度变化量之比称为特征量温度系数，规定t温度25与其他规定的环境温度之差R1(C1)温度25下的湿度传感器的电阻值(或电容值):R2(C2)周围温度的另一个湿度传感器的电阻值静电容量温度系数(%/)=、电阻温度系数(%/)=、7，5，感湿温度系数是反映湿度传感器的温度特性的比较直观且实用的物理量。 这表示在两个规定的温度下湿度传感器的电阻值(或电容值)相等时，其对应的相对湿度的差和两个规定的温度变化量之比，称为感湿温度系

5、数。 或每当环境温度变化1时引起的湿度传感器的湿度误差。 与感湿温度系数t的温度25和其他规定的环境温度之差H1温度25下的湿度传感器的某个电阻值(或电容值)对应的相对湿度值H2与另外一个规定周围温度下的湿度传感器的另外一个电阻值(或电容值)对应的相对湿度。 (%RH/)=、6、湿滞现象的脱湿迟于吸湿后的现象。 由吸湿和脱湿特性曲线构成的线路是湿滞线路。9、7、响应时间为一定温度，当相对湿度上升时，湿度传感器的电量达到稳定变化量的规定比例所需的时间。 一般将相应的开始和结束这样的相对湿度变化区间63作为相对湿度变化所需要的时间，也称为时间常数，是反映湿度传感器的相对湿度变化时的反应速度的速度。

6、 单位是s。也有将从开始到结束的相对湿度变化规定为响应时间的。 响应时间分为吸湿响应时间和脱湿响应时间。 多数湿度传感器将脱湿响应时间大于吸湿响应时间、脱湿响应时间作为湿度传感器的响应时间。 用10、8、电压特性湿度传感器测量湿度时，施加的测试电压不能使用直流电压。 由于通过加载直流电压，感湿体内的水分子发生电解，随着时间的经过，电导率降低，所以测试电压使用了交流电压。 右图表示湿度传感器的电阻与施加交流电压的关系。 可知测试电压不足5V时，电压不会影响湿电阻特性。 但是，如果交流电压超过15V，则会产生焦耳热，对湿度传感器的防湿特性产生很大影响，因此一般湿度传感器的使用电压会低于10V。 L

7、g R /、0、1、2、3、4、5、6、5、7、8、4水分子具有大的偶极矩，在氢原子附近有大的正电场，因此具有大的电子亲和力，水分子容易吸附在固体表面，容易渗透到固体内部。 利用水分子这一特性制作的湿度传感器称为水分子亲和力型传感器。 与水分子的亲和力无关的湿度传感器称为非水分子亲和力型传感器。 现代工业使用的湿度传感器多为水分子亲和性型传感器，将湿度的变化转换为阻抗和电容值的变化并输出。 湿度传感器分类，13，电解质型：以氯化锂为例，在绝缘基板上制作一对电极，涂抹氯化锂盐凝胶膜。 氯化锂容易潮解，引起离子传导，电阻随湿度升高而减少。 陶瓷型：以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺制造多孔质陶瓷。

8、多孔质陶瓷的电阻值是利用对空气中的水蒸气敏感的特性制成的。 高分子型：首先通过在玻璃等绝缘基板上蒸发、浸渍或涂布梳状电极，在基板上附着有机高分子感湿膜。 有机高分子的材料种类也很多，工作原理也各不相同。 单晶半导体型：使用材料主要为单晶硅，通过半导体工艺制作。 制作二极管湿式感应元件和MOSFET湿度感应元件等。 其特征是容易与半导体电路集成。 14、15.2电解质湿度传感器电解质作为离子是导电物质，分为固体电解质和液体电解质。 物质溶解于水中后，在极性水分子的作用下，全部或一部分自由移动，分解为正负离子，称为液体电解质。 电解质溶液的电导率与溶液的浓度有关，溶液的浓度是一定温度下环境相对湿度

9、的函数。 电解质氯化锂湿度传感器最典型，可以将不同湿度敏感范围的单片湿度传感器组合，制成相对湿度工作范围为2090RH的湿度传感器，15，15.3陶瓷湿度传感器采用半导体陶瓷材料制成的陶瓷湿度传感器。 有很多优点：测量范围宽，全湿范围内湿度测量可能的工作温度高，常温湿度传感器的工作温度在150以下，高温湿度传感器的工作温度可以达到800，响应时间短，精度高，防污能力强，工艺简单，成本低。 典型的产品是烧结型陶瓷湿敏元件为MgCr2O4TiO2系。 此外，还有TiO2-V2O5系、ZnOLi2OV2O5系、ZnCr2O4系、ZrO2MgO系、Fe3O4系、Ta2O5系等。 这种湿度传感器的感湿特

10、征量大多是电阻。 除Fe3O4外，均为负特性湿度传感器，随着环境相对湿度的增加，电阻值下降。也有少数陶瓷湿度传感器，其感湿特性量为电容器。 16、1、构成该湿度传感器的感湿体为MgCr2O4-TiO2系多孔质陶瓷。 该多孔质陶瓷的气孔大部分是晶间气孔，气孔直径随着TiO2添加量的增加而增大。 粒间气孔与粒的大小无关，相当于一种开口毛细管，容易吸附水分。 材料的主结晶相为MgCr2O4相，另外TiO2相等，感湿体为多晶多相的混合物。 17，2，主要特性和性能(1)电阻一湿度特性MgCr2O4TiO2基陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特性随着相对湿度的增加，电阻值急剧下降，几乎呈指数函数下降。 在单对数

11、坐标中，电阻湿度特性几乎呈直线关系。 当相对湿度从0变化到100RH时，电阻值从107降低到104，即变化了3位数。 从、20、40、60、80、100、103、104、105、106、107、108等图可知，20到80的各曲线的变化规则大致一致，具有负的温度系数，其感湿负的温度系数为0.38RH。 如果需要正确的湿度测量，需要湿度传感器的温度补偿。 根据、20、40、60、80、100、103、104、105、106、107、20、40、60、80、100、20响应时间的规定，从图中可以理解由、20、15.4高分子湿度传感器有机高分子材料构成的湿度传感器，主要利用吸湿性和膨胀收缩性。 一部分

12、高分子电介质吸湿时，介电常数显着变化，静电电容式湿度传感器制作的一部分高分子电解质吸湿后，电阻显着变化，使用成为电阻式湿度传感器的膨胀收缩性高分子(例如树脂)材料和导电粒子，利用吸湿后的开关特性，制作结露传感器。 (1)静电容量式湿度传感器1、构造、高分子薄膜电介质静电容量式湿度传感器的基本构造。 21、2、感湿机理和性能静电电容式高分子湿度传感器，其上部多孔质金电极能透过水分子，水介电常数较大，室温约79。 感湿高分子材料的介电常数不大，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，吸附在高分子薄膜上的水分子增多，湿度传感器的电容量增加，因此可以根据电容量的变化测量相对湿度

13、。 (2)有些响应特性高分子膜可以非常薄，使得吸湿响应时间均小于5s，并且响应时间仅为1s。 (3)容量一温度特性容量式高分子膜湿度传感器的感湿特性对温度的影响非常小，在550的范围内容量温度系数约为0.06RH/，(1)容量湿度特性容量随环境温度的增加而增加，基本呈线性关系。 在测试频率为l.5MHz左右的情况下，其输出特性具有良好的线性。 关于其他测试频率，例如1kHz、10kHz，传感器的电容变化大，但线性差。 外置转换电路，可使容量湿度特性接近理想直线。 23、(2)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。 在、引线端子、感湿膜、聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的结构、

14、梳状电极、基板、24、2、主要特性() 整个湿度范围内，传感器感到湿气特性，其电阻值与相对湿度的关系在单对数坐标纸上大致成一条直线。 吸湿和脱湿时湿度显示的最大误差值为(34)RH。温度系数为(0.61.0)RH/，其中，1K，30，40，50，60，70，80，90，吸湿，10K，100K (055 )为，、0，40，20，104，60，80，100，50，10，102，103湿滞比较小，在(12)RH之间。 这个湿度传感器的稳定性很好。 保存1年后，其最大变化在2RH以下，可完全满足器件稳定性的要求。 高分子膜的湿度传感器的缺点是，在含有有机溶剂气体的环境下测量湿度时，设备容易破损，不能在80以上的高温下使用。15.6湿度传感器的应用1、湿度传感器的选择1考虑测量范围2、测量精度3、时漂和温漂，2、湿度传感器的应用注意事项(1)电源选择湿敏电阻必须在交流电路中工作，直流供电会改变多孔陶瓷表面结构，湿敏特性恶化。 如果采用交流电源的频率过高，则部件的附加电容电阻会影响湿敏感度和准确性，因此请尽量降低电源频率，以免产生正、负离子的蓄积。 离子传导型湿式感应元件的电源频率大于50 Hz，优选1000 Hz。 电子导电型时，电源频率请控制在50 Hz以下。 (2)线性化等感湿元件的特性均为非线性，为了便于测量，请进行线性化。 (3)温度补偿通常氧化物半导体陶瓷的湿敏电阻湿度温度系数为