第十二章-湿度传感器

第12章湿度传感器第12章湿度传感器湿度电信号（电阻、电容等）12.1湿度及湿度传感器的特性和分类12.2电解质湿度传感器12.3半导体及陶瓷湿度传感器12.4有机物及高分子聚合物湿度传感器12.5非水分子亲合力型湿度传感器12.6湿度传感器的应用12.1湿度及湿度传感器的特性和分类12.1.1湿度的定义及其表示方法1.绝对湿度(V)V=mV/V(mg/m3)2.相对湿度(RH)RH=(V/W)T100%露点也能反映相对湿度mV—被测气中水蒸气的质量W—同温度下的饱和水蒸气密度12.1湿度及湿度传感器的特性和分类12.1.2湿度传感器的基本原理和分类1.水分子亲和力型湿度传感器湿敏材料吸附（物理吸附和化学吸附）水分子后，使其电气性能（电阻、电介常数、阻抗等）变化。湿敏电阻、湿敏电容等。2.非水分子亲和力型湿度传感器利用物理效应的湿度传感器。热敏电阻式、红外吸收式、超声波式和微波式湿度传感器。12.1.3湿敏元件的主要特性参数1.湿度量程即感湿范围。理想情况：0~100%RH；一般情况：5~95%RH。2.感湿特性曲线感湿特征量：湿度变化所引起的传感器的输出量。感湿特性曲线：感湿特征量与环境湿度关系。3.感湿灵敏度在一定湿度范围内，相对湿度变化1%RH时，其感湿特征量的变化值或变化百分率。12.1湿度及湿度传感器的特性和分类电阻、电容、电压、频率等一般要求：全量程连续、线性、斜率适当。4.响应时间——湿度传感器的动态响应特湿度传感器响应相对湿度变化量的63.2%所需要的时间。分为吸湿响应时间和脱湿响应时间5.湿度温度系数——感湿特性曲线随温度变化特性湿敏元件吸湿和脱湿响应时间不同，具有滞后现象12.1湿度及湿度传感器的特性和分类constkdTRHdCTRRRo%/100112CTCCCo%/100112k—湿敏元件的感湿特征量一般情况下：湿敏电阻的温度系数12.2电解质湿度传感器12.1.2无机电解质湿度传感器无机电解质是以离子导电的物质。LiCl湿敏元件。感湿原理：LiCl吸湿潮解，离子导电率变化——湿敏电阻。1.登莫（Dunmore）式湿度传感器结构：涂覆式LiCl聚乙烯醋酸盐水溶液混合液薄膜、钯电极结构登莫式湿度传感器结构和感湿特性曲线12.2电解质湿度传感器2．浸渍式湿度传感器结构：天然树皮或玻璃带基片上直接浸渍LiCl溶液构成。感湿特性与登莫式湿度传感器相似。3．光硬化树脂电解质湿敏元件采用光硬化树脂胶合剂，浸渍或蒸镀LiCl溶液，并经干燥、光硬化处理，增强其耐湿耐温性，可在80℃高温下使用。玻璃带上浸LiCl湿度传感器12.2电解质湿度传感器12.2.2高分子电解质湿度传感器高分子湿度传感器湿敏电容(材料电介常数变化)湿敏电阻(材料导电性变化)湿敏电阻(材料胀缩+导电微粒)12.2电解质湿度传感器1．聚苯乙烯磺酸锂湿敏元件在聚苯乙烯磺酸锂强电解质感湿膜上制作多孔性梳状金电极而成——湿敏电阻。工作温度：–30~90℃；测湿范围：0~100%RH。2．有机季铵盐高分子电解质湿敏元件离子导电高分子湿敏材料，吸湿电离导致电极间电阻变化测湿——湿敏电阻。工作温度：–20~90℃；测湿范围：20~99.9%RH；响应时间约30s；滞后2%RH；测湿精度：(2~3)%RH。3．聚苯乙烯磺酸铵湿敏元件湿敏电阻；测湿范围：20~99.9%RH；温度系数：=0.6%RH；耐水性好。(a)感湿特性；(b)抗水浸性能；(c)温度特性；(d)稳定性实验12.3半导体及陶瓷湿度传感器12.3.1涂覆膜型结构：感湿材料粉末（Fe3O4）调浆，喷洒涂覆于带电极的基片上构成。主要性能：湿敏电阻；测湿范围：0~100%RH；稳定性好；响应时间长。其它涂覆膜型湿敏材料：Cr2O3，Mn2O3，Al2O3，ZnO，TiO2等金属氧化物。涂覆膜型Fe3O4湿敏元件的结构和性能12.3半导体及陶瓷湿度传感器12.3.2烧结体型将两种以上金属氧化物半导体材料烧结而成的多孔陶瓷的半导体陶瓷湿敏元件。1.MgCr2O4-TiO2湿敏元件结构：按MgCr2O4:TiO2=70%:30%混合烧结（1300℃）成陶瓷体，切片，印制电极制成感湿体。感湿机理：陶瓷烧结体微结晶表面对水分子的吸、脱，电极间电阻变化——湿敏电阻。感湿特性：工作温度：150℃，最高达600℃；测湿范围：1~100%RH；稳定性好；响应时间20s；等。MgCr2O4-TiO2湿敏元件的结构和感湿特性曲线12.3半导体及陶瓷湿度传感器2.V2O5-TiO2陶瓷湿敏元件体积吸附多孔陶瓷烧结体湿敏元件，湿敏电阻。主要特点：测湿范围宽；耐高湿；响应快；但容易发生飘移。3.羟基磷灰石陶瓷湿敏元件4.ZnO-Cr2O5陶瓷湿敏元件无需加热清洗的半导体陶瓷烧结体湿敏元件。稳定性好；响应快：湿度变化20%时，响应时间约2s，吸湿、脱湿几乎无滞后现象。12.3半导体及陶瓷湿度传感器12.3.3薄膜型薄膜型陶瓷湿敏传感器主要为湿敏电容，基于感湿材料吸湿后电介常数变化。使用时一般将电容信号调理成频率输出。1.Al2O3薄膜湿敏元件优点：工作温度范围宽；体积小；响应快；低湿测量灵敏度高，无“冲蚀”现象；缺点：对污染敏感而影响精度；高湿精度差；工艺复杂；易老化，稳定性差。2．Ta电容湿敏元件阳极氧化法形成的多孔TaO薄膜（1m）电介质构成湿敏电容器。稳定性好12.4有机物及高分子聚合物湿度传感器12.4.1胀缩性有机物湿敏元件利用有机纤维吸湿溶胀、脱湿收缩的特性，将导电微粒或离子掺入其中作为导电材料，便可将环境湿度的变化转换为感湿材料电阻的变化。1．碳湿敏元件—湿敏电阻结构：丙烯酸塑料基片（两长边制作电极）；浸涂羟乙基纤微素、导电碳黑和润湿性分散剂组成的浸涂液，蒸发后形成具有胀缩性的导电感湿膜，如图12-8（a）所示。12.4有机物及高分子聚合物湿度传感器图12-8羟乙基纤微素碳湿敏元件12.4有机物及高分子聚合物湿度传感器感湿特性如图12-8（b）所示。注意：其一，湿度大于90%RH，感湿特性曲线具有负的斜率，曲线出现“隆起”或者说曲线被“压弯”。图12-9给出三种不同感湿元件感湿特性曲线“隆起”情况；其二，在25℃和33.3%RH条件下，元件的湿滞回线有一交叉点。图12-9羟乙基纤微素碳湿敏元件感湿特性曲线的“隆起”现象12.4有机物及高分子聚合物湿度传感器2．结露敏感元件—湿敏电阻结构：在印刷梳状电极的氧化铝基片上涂覆由新型树脂和碳粒组成的电阻式感湿膜构成湿敏电阻。感湿特点：灰尘和其它气体的表面污染对元件的感湿特性影响小；能检测并区别结露、水份等高湿状态；具有急剧的开关特性，其工作点变动小；导电无极化现象，可用直流电源设计测量电路。12.4有机物及高分子聚合物湿度传感器12.4.2高分子聚合物薄膜湿敏元件利用高分子聚合物（r=2~7）随环境湿度的变化成比例地吸附和释放水分子（r=83）使其电介常数改变的特性，将其作为电介质制成感湿电容器，则其电容量随环境湿度的变化而变化。12.4有机物及高分子聚合物湿度传感器1.等离子聚合法聚苯乙烯薄膜湿敏元件—湿敏电容结构原理：利用聚苯乙烯的亲水性，当环境湿度变化时吸湿或脱湿从而引起介电常数的改变特性，在玻璃基片上镀一层铝薄膜作为下电极，用等离子聚合法在铝膜上镀一层（0.05m）聚苯乙烯作为电容器的电介质（感湿材料），再在上面镀一层多孔金膜作为上电极，制作成湿敏电容。感湿特点：感湿范围宽，几乎覆盖全湿范围；使用温度范围宽（-40~+150℃）；响应速度快（1s）；结构尺寸小；湿度温度系数小。12.4有机物及高分子聚合物湿度传感器2．醋酸纤维有机膜湿敏元件—湿敏电容结构原理：利用醋酸纤维吸湿或脱湿从而引起介电常数的改变特性，制作成平板湿敏电容器。感湿特点：响应速度快（1s）；重复性好；工作温度范围：0~80℃；测湿范围宽（0~100%RH）；湿度温度系数小（0.05%RH/℃）；测湿精度：（1~2）%RH。12.5非水分子亲合力型湿度传感器12.5.1热敏电阻式湿度传感器利用潮湿空气与干燥空气的热传导差异测定湿度，感湿功能材料是热敏电阻，其结构和测量电路如图12-10所示。图12-10热敏电阻式湿度传感器12.5非水分子亲合力型湿度传感器12.5.2其他非水分子亲合力型湿度传感器微波湿度传感器：利用微波在含水蒸汽的空气中传播时，微波传输损耗能量与环境湿度有关的特性构成湿度传感器。红外湿度传感器：利用水蒸汽能吸收特定波长的红外线的特性构成湿度传感器。还有很多其他非水分子亲合力型湿度传感器。这类湿度传感器能克服水分子亲合力型湿度传感器的缺点，成为开发新型湿度传感器的研究方向。12.6湿度传感器的应用湿度传感器广泛应用于气象、军事、工业（特别是纺织、电子、食品、烟草工业）、农业、医疗、建筑、家用电器及日常生活等各种场合的湿度监测、控制与报警。12.4湿度传感器的应用1．自动去湿器图12-11自动去湿装置12.4湿度传感器的应用2．房间湿度控制器图12-12房间湿度控制器电路原理图12.4湿度传感器的应用3．湿度电压变送器ZHG湿敏电阻特性参数ZHG湿敏电阻以多孔半导体陶瓷材料为感湿体，设置金属电极和引线，其电阻值随环境湿度而变化。ZHG湿敏元件的典型电阻值与湿度对照关系如表12-3所示。表12-3ZHG湿敏元件湿度-阻值对照表相对湿度/%RH2030405060708090电阻值/4M2.2M1.2M650k320k170k86k44k12.4湿度传感器的应用湿度电压变送器图12-13湿度电压变送器电路图12.4湿度传感器的应用4．HOS103结露传感器图12-14HOS103结露传感器应用电路12.4湿度传感器的应用图12-15HOS103结露传感器特性曲线图12-16录像机结露报警电路第12章湿度传感器作业12-1，12-2，12-3，12-4，12-6