第9章湿度传感器.

第9章湿度传感器•分类、湿度表示法•主要参数•电解质湿度传感器•陶瓷湿度传感器•高分子湿度传感器•湿度传感器的测量电路•应用案例第9章湿度传感器•分类、湿度表示法•主要参数•电解质湿度传感器•陶瓷湿度传感器•高分子湿度传感器•湿度传感器的测量电路•应用案例1、应用场合：精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所，气象预报、医疗卫生、食品加工等行业都有广泛的应用。2、湿度传感器依据使用材料分类：电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小。陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极,通过浸渍或涂覆,使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜。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：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成。制成二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。3、湿度表示法空气中含有水蒸气的量称为湿度，含有水蒸气的空气是一种混合气体。主要有质量百分比和体积百分比、相对湿度和绝对湿度、露点（霜点）等表示法。（1）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v／V×100％这两种方法统称为水蒸气百分含量法。m／M×100％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（2）相对湿度和绝对湿度水蒸气压是指在一定的温度条件下，混合气体中存在的水蒸气分压(p)。而饱和蒸气压是指在同一温度下，混合气体中所含水蒸气压的最大值(ps)。温度越高，饱和水蒸气压越大。在某一温度下，其水蒸气压同饱和蒸气压的百分比，称为相对湿度绝对湿度表示单位体积内，空气里所含水蒸气的质量，其定义为%100sppRHVmvm——待测空气中水蒸气质量；V——待测空气的总体积；ρv——待测空气的绝对湿度。如果把待测空气看作是由水蒸气和干燥空气组成的二元理想混合气体，根据道尔顿分压定律和理想气体状态方程，可得出：RTpMP：空气中水蒸气分压；M：水蒸气的摩尔质量R：理想气体常数；T：空气的绝对温度。3、露（霜）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，5010203040-1001020304050温度/℃10%RH露点/℃90%RH80%RH70%RH60%RH50%RH40%RH20%RH30%RH称为空气的露点温度，简称露点。如果这一温度低于0℃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。第9章湿度传感器•分类、湿度表示法•主要参数•电解质湿度传感器•陶瓷湿度传感器•高分子湿度传感器•湿度传感器的测量电路•应用案例二、湿度传感器的主要参数1、湿度量程指湿度传感器技术规范中所规定的感湿范围。全湿度范围用相对湿度(0～100)％RH表示，它是湿度传感器工作性能的一项重要指标。2、感湿特征量——相对湿度特性每种湿度传感器都有其感湿特征量，如电阻、电容等，通常用电阻比较多。以电阻为例，在规定的工作湿度范围内，湿度传感器的电阻值随环境湿度变化的关系特性曲线，简称阻湿特性。有的湿度传感器的电阻值随湿度的增加而增大，这种为正特性湿敏电阻器，如Fe3O4湿敏电阻器。有的阻值随着湿度的增加而减小，这种为负特性湿敏电阻器，如TiO2－SnO2陶瓷湿敏电阻器。对于这种湿敏电阻器，低湿时阻值不能太高，否则不利于和测量系统或控制仪表相连接。3、感湿灵敏度简称灵敏度，又叫湿度系数。其定义是在某一相对湿度范围内，相对湿度改变1％RH时，湿度传感器电参量的变化值或百分率。各种不同的湿度传感器，对灵敏度的要求各不相同，对于低湿型或高湿型的湿度传感器，它们的量程较窄，要求灵敏度要很高。但对于全湿型湿度传感器，并非灵敏度越大越好，因为电阻值的动态范围很宽，给配制二次仪表带来不利，所以灵敏度的大小要适当。4、特征量温度系数反映湿度传感器在感湿特征量——相对湿度特性曲线随环境温度而变化的特性。感湿特征量随环境温度的变化越小，环境温度变化所引起的相对湿度的误差就越小。在环境温度保持恒定时，湿度传感器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。100121TRRR100121TCCCΔT——温度25℃与另一规定环境温度之差；R1(C1)——温度25℃时湿度传感器的电阻值(或电容值)；R2(C2)——另一规定环境温度时湿度传感器的电阻值(或电容值)。电容温度系数(%/℃)=电阻温度系数(%/℃)=5、感湿温度系数反映湿度传感器温度特性的一个比较直观、实用的物理量。它表示在两个规定的温度下，湿度传感器的电阻值(或电容值)达到相等时，其对应的相对湿度之差与两个规定的温度变化量之比，称为感湿温度系数。或环境温度每变化1℃时，所引起的湿度传感器的湿度误差。感湿温度系数ΔT——温度25℃与另一规定环境温度之差；H1——温度25℃时湿度传感器某一电阻值(或电容值)对应的相对湿度值；H2——另一规定环境温度下湿度传感器另一电阻值(或电容值)对应的相对湿度。下图为感湿温度系数示意图。THH21(%RH/℃)=相对湿度/%H1H2H2感湿温度系数示意图相对湿度/%H1H2H2RCT2T2T2T225℃25℃(a)电阻型(b)电容型6、响应时间在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的电参量达到稳态变化量的规定比例所需要的时间。一般是以相应的起始和终止这一相对湿度变化区间的63％作为相对湿度变化所需要的时间，也称时间常数，它是反映湿度传感器相对湿度发生变化时，其反应速度的快慢。单位是s。也有规定从起始到终止90％的相对湿度变化作为响应时间的。响应时间又分为吸湿响应时间和脱湿响应时间。大多数湿度传感器都是脱湿响应时间大于吸湿响应时间，一般以脱湿响应时间作为湿度传感器的响应时间。7、电压特性当用湿度传感器测量湿度时，所加的测试电压，不能用直流电压。这是由于加直流电压引起感湿体内水分子的电解，致使电导率随时间的增加而下降，故测试电压采用交流电压。右图表示湿度传感器的电阻与外加交流电压之间的关系。可见，测试电压小于5V时，电压对阻——湿特性没有影响。但交流电压大于15V时，由于产生焦耳热，对湿度传感器的阻——湿特性产生了较大影响，因而一般湿度传感的使用电压都小于10V。LgR/Ω0123456578420℃100Hz11%RH33%RH75%RH100%RHU/V电阻－频率特性20℃5V11%RH33%RH100%RHLgf/Hz0123456578475%RHLgR/Ω8、频率特性湿度传感器的阻值与外加测试电压频率的关系，如图。在高湿时，频率对阻值的影响很小，当低湿高频时，随着频率的增加，阻值下降。对这种湿度传感器，在各种湿度下，当测试频率小于103Hz时，阻值不随使用频率而变化，故该湿度传感器使用频率的上限为103Hz。湿度传感器的使用频率上限由实验确定。直流电压会引起水分子的电解，因此，测试电压频率也不能太低。第9章湿度传感器•分类、湿度表示法•主要参数•电解质湿度传感器•陶瓷湿度传感器•高分子湿度传感器•湿度传感器的测量电路•应用案例三、电解质湿度传感器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。氯化锂湿度传感器的结构ABB钯丝A涂有聚苯乙烯薄膜的圆筒电解质氯化锂湿度传感器最为典型03060900.010.1110R/108Ω相对湿度/%①②③④⑤④1.0%LiCl⑤2.2%LiCl③0.5%LiCl②0.25%LiCl①PVAC氯化锂湿度传感器的阻—湿特性组合式氯化锂的阻—湿特性03060900.010.1110相对湿度/%R/108Ω把不同感湿范围的单片湿度传感器组合起来,可制成相对湿度工作量程为20％～90％RH的湿度传感器第9章湿度传感器•分类、湿度表示法•主要参数•电解质湿度传感器•陶瓷湿度传感器•高分子湿度传感器•湿度传感器的测量电路•应用案例四、陶瓷湿度传感器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。四、陶瓷湿度传感器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。1、结构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。陶瓷湿敏元件结构图护圈电极感湿陶瓷氧化钌电极加热器基板电极引线2、主要特性与性能（1）电阻一湿度特性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—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107Ω下降到104Ω，即变化了三个数量级。20406080100103104105106107108相对湿度/%R/Ω（2）电阻—温度特性是在不同的温度环境下，测量陶瓷湿度传感器的电阻—湿度特性。从图可见，从20℃到80℃各条曲线的变化规律基本一致，具有负温度系数，其感湿负温度系数为–0.38％RH／℃。如果要求精确的湿度测量，需要对湿度传感器进行温度补偿。20406080100103104105106107108相对湿度/%20℃40℃60℃80℃R/ΩMgCr2O4-TiO2系湿度传感器的电阻—温度特性MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的时间响应特性20406080100010203094%RH50%RH1%RH50%RHt/s%RH（3）响应时间响应时间特性如图。根据响应时间的规定，从图中可知，响应时间小于10s。（4）稳定性制成的MgCr2O4-TiO2系陶瓷类湿度传感器，需要实验：高温负荷实验(大气中，温度150℃，交流电压5V，时间104h)；高温高湿负荷试验(湿度大于95％RH，温度60℃，交流电压5V，时间104h)；常温常湿试验[湿度(10～90)％RH，温度(–10℃～＋40℃)]；油气循环试验(油蒸气↔加热清洗循环25万次，交流电压5V)。经过以上各种试验，大多数陶瓷湿度传感器仍能可靠地工作，说明稳定性比较好。第9章湿度传感器•分类、湿度表示法•主要参数•电解质湿度传感器•陶瓷湿度传感器•高分子湿度传感器•湿度传感器的测量电路•应用案例五、高分子湿度传感器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。五、高分子湿度传感器（一）电容式湿度传感器1、结构高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的基本