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湿度传感器目录一、简介二、湿度及湿度传感器三、电解质系湿度传感器四、半导体及陶瓷湿度传感器五、有机物及高分子聚合物湿度传感器六、湿度传感器的应用及发展动向本章小结电阻式电阻/电容式一、简介湿度测量技术：湿度测量技术发展已有200多年历史；人们对湿敏元件的认识是从1938年美国F.W.Dummore研制成功浸涂式LiCl湿敏元件才开始的，从此以后，已有几十种湿敏元件及传感器应运而生。（可参《湿度测量》一书）毛发湿度计干湿球湿度计湿度检测的重要性湿度与科研、生产、人们生活、植物生长有密切关系，环境的湿度具有与环境温度同等重要意义。目前人们对湿度的重视程度远不及对温度的重视。因此湿度测量技术的研究及其测量仪器远不如温度测量技术与仪器那样精确与完善。由于对湿度监测不够精确，致使大批精密仪器与机械装置锈蚀、谷物发霉等，每年因此造成巨大损失。电容式湿度传感器二、湿度及湿度传感器1、湿度及其表示方法2、湿度传感器及其特性参数3、湿度传感器的分类1、湿度及其表示方法在自然界中，凡是有水和生物的地方，在其周围的大气里总是含有或多或少的水汽。大气中含有水汽的多少，表示大气的干、湿程度，用湿度来表示，也就是说，湿度是表示大气干湿程度的物理量。大气湿度有两种表示方法：绝对湿度与相对湿度。①绝对湿度绝对湿度表示单位体积空气里所含水汽的质量，其表达式为:式中：ρ—被测空气的绝对湿度MV一被测空气中水汽的质量V—被测空气的体积VV②相对湿度相对湿度是气体的绝对湿度(ρV)与在同一温度下，水蒸汽已达到饱和的气体的绝对湿度(ρW)之比，常表示为％RH．其表达式为相对湿度=(ρV/ρW)×100%RH根据道尔顿分压定律，空气中压强P＝Pa十PV(Pa为干空气分压，PV为湿空气气压)和理想状态方程，又可将相对湿度用分压表示：相对湿度＝(PV/PW)×100%RH式中：PV一待测气体的水汽分压；Pw一同一温度下水蒸汽的饱和水汽压。2、湿度传感器及其特性参数湿度传感器是指能将湿度转换为与其成一定比例关系的电量输出的器件式装置。主要特性参数有：①湿度量程②感湿特征量③灵敏度④湿度温度系数⑤响应时间⑥湿滞回线和湿滞回差①湿度量程保证一个湿敏器件能够正常工作所允许环境相对湿度可以变化的最大范围，称为这个湿敏元件的湿度量程。湿度量程越大，其实际使用价值越大。理想的湿敏元件的使用范围应当是0－100％RH的全量程。②感湿特征量—相对湿度特性曲线每一种湿敏元件都有其感湿特征量，如电阻、电容、电压、频率等。感湿特性曲线湿敏元件的感湿特征量随环境相对湿度变化的关系曲线，称为该元件的感湿特征量—相对湿度特性曲线，简称感湿特性曲线。人们希望特性曲线应当在全量程上是连续的，曲线各处斜率相等，即特性曲线呈直线。二氧化钛-五氧化二钒湿敏器件的感湿特性曲线灵敏度斜率应适当，因为斜率过小，灵敏度降低；斜率过大，稳定性降低，这些都会给测量带来困难。③灵敏度定义：湿敏元件的灵敏度，就其物理含义而言，应当反映相对于环境湿度的变化，元件感湿特征量的变化程度。表示法：直线的斜率。因此，它应当是湿致元件的感湿特性曲线斜率。在感湿特性曲线是直线的情况下，用直线的斜率来表示湿敏元件的灵敏度是恰当而可行的。然而，大多数湿敏元件的感湿特性曲线是非线性的．在不同的相对湿度范围内曲线具有不同的斜率。因此，这就造成用湿敏元件感湿特性曲线的斜率来表示灵敏度的困难。普遍采用的灵敏度的方法目前，虽然关于湿敏元件灵敏度的表示方法尚未得到统一，但较为普遍采用的方法是用元件在不同环境湿度下的感湿特征量之比来表示灵敏度。如日本生产的MgCr2O4—TiO2湿敏元件的灵敏度，用一组电阻比R1%／R20%，R1%／R40%，R1%／R60%，R1%／R80%及R1%／R100%表示，其中R1%，R20%，R40%，R60%，R80%及R100%分别为相对湿度在1％，20％，40％，60％，80％及100％时湿敏元件的电阻值之比。④湿度温度系数湿敏元件的湿度温度系数是表示感湿特性曲线随环境温度而变化的特性参数。在不同的环境温度下，湿敏元件的感湿特性曲线是不相同的，它直接给测量带来误差。湿敏元件的湿度温度系数定义为；在湿敏元件感湿特征量恒定的条件下，该感湿特征量值所表示的环境相对湿度随环境温度的变化率。由湿敏元件的湿度温度系数值，即可得知湿敏元件由于境环温度的变化所引起的测湿误差。MgCr2O4—TiO2湿敏元件的温度特性⑤响应时间响应时间反映湿敏元件在相对湿度变化时输出特征量随相对湿度变化的快慢程度。一般规定：响应相对湿度变化量的63.2％时所需要的时间为响应时间。在标记时，应写明湿度变化区的起始与终止状态。人们希望响应时间快一些为好。K2O一Fe2O3湿度敏感器件的响应特性曲线⑥湿滞回线和湿滞回差各种湿敏元件吸湿和脱湿的响应时间各不相同，而且吸湿和脱湿的特性曲线也不相同。一般总是脱湿比吸湿迟后，我们称这一特性为湿滞现象。Mn3O4-TiO2湿敏器件在80℃时的湿滞回线•湿滞回线定义：湿滞现象可以用吸湿和脱湿特征曲线所构成的回线来表示，我们称这一回线为湿滞回线。•湿滞回差定义：在湿滞回线上所表示的最大量差值为湿滞回差。•人们希望湿敏元件的湿滞回差越小越好。一个理想化的湿敏器件所应具备的性能参数：使用寿命长，长期稳定性好灵敏度高，感湿特性曲线的线性度好使用范围宽，湿度温度系数小响应时间短湿滞回差小能在有害气氛的恶劣环境中使用器件的一致性和互换性好，易于批量生产器件感湿特征量应在易测范围以内三、电解质系湿度传感器1.无机电解质湿度传感器氯化锂湿敏元件（典型）光硬化树脂电解质湿敏元件2.高分子电解质湿度传感器氯化锂湿敏元件敏感机理氯化锂是典型的离子晶体。氯化锂溶液中的Li+和Cl+是以正、负离子形式存在。氯化锂是一种在大气中不分解、不挥发，也不变质而具有稳定性的离子型无机盐类。机理1：不挥发盐（加氯化锂）溶解于水，降低了水的蒸气压，同时盐的浓度降低，电阻率增加。机理2：吸湿量与空气相对湿度成一定函数关系，随着空气相对湿度的增减变化，氯化锂吸湿量也随之变化。当氯化锂溶液吸收水汽后，使导电的离子数增加，因此导致电阻的降低；反之，则使电阻增加。这种将空气相对湿度转换为其电阻值的测量方法称为吸湿法湿度测量。光硬化树脂电解质湿敏元件将树脂、氯化锂、感光剂和水按一定比例配成胶体溶液，浸涂在蒸镀有电极的塑料基片上，干燥后放置在紫外线下、助膜剂曝光并热处理，即可形成耐温耐湿的感湿膜。它可在80℃温度下使用，并且有较好的耐水性，不怕“冲蚀”，从而提高了元件的性能。2.高分子电解质湿度传感器①聚苯乙烯磺酸锂湿敏元件②有机季铵盐高分子电解质湿敏元件③聚苯乙烯磺酸铵湿敏元件感湿原理其感湿原理为：大气中增加的湿度越大，则感湿膜被电离的程度就越大，电极间的电阻值也就越小，电阻值的变化与相对湿度的变化成指数关系。四、半导体及陶瓷湿度传感器按其制作工艺分类：涂覆膜型烧结体型薄膜型MOS型①MgCr2O4—TiO2陶瓷温敏元件(MCT型)在MgCr2O4—TiO2陶瓷片的两面，设置高孔金电极，并用掺金玻璃粉将引出线与金电极烧结在一起。在半导体陶瓷片的外面,安放一个由镍铅丝烧制而成的加热清洗圈(又称Kathal加热器)，以便对元件进行经常加热清洗，排除有害气氛对元件的污染。•元件安放在一种高度致密的、疏水性的陶瓷底片上。•为消除底座上测量电极2和3之间由于吸湿和沾污而引起的漏电，在电极2和3的四周设置了金短路环.MgCr2O4—TiO2半导体陶瓷湿敏元件感湿机理感湿机理(一般认为)是：利用陶瓷烧结体微结晶表面对水分子进行吸湿或脱湿使电极间电阻值随相对湿度成指数变化。MgCr2O4—TiO2湿敏元件感湿特性及特点1.体积小，测湿范围宽，一片即可测(1—100)％RH，并可用于高温环境(150℃)，最高承受温度可达600℃；2.能用电热反复进行清洗，除掉吸附在陶瓷上的油雾、灰尘、盐、酸、气溶胶或其它污染物，以保持精度不变；3.响应速度快（一般不超过20s）；4.长期稳定性好。该类湿敏元件的特点：五、有机物及高分子聚合物湿度传感器1、胀缩性有机物湿敏元件2、高分子聚合物薄膜湿敏元件1、胀缩性有机物湿敏元件利用这种特性，将导电的微粒或离子掺入其中作为导电材料，就可将其体积随环境湿度的变化转换为感湿材料电阻的变化。有机纤维素具有吸湿溶胀、脱湿收缩的特性。纤维素是一种烃类化合物，其组成、结构和极性与水等极性溶剂较为相似敏感机理：吸湿体积增大，使得导电粒子间距变大，接触电阻变大。敏感功能结构②结露敏感元件结露：物体表面温度低于附件空气露点温度时表面出现冷凝水的现象。结露举例：冰冻饮料从冰柜拿出：瓶上“冒汗”；冬天将相机、摄像机带入室内，其外部或内部部件上可能会结露，导致故障；录音机磁鼓表面结露发黏，如果开机，磁带会贴在磁鼓上，由于二者之间的相对高速运动，很容易损伤磁头和磁带。②结露敏感元件该元件是在印制梳状电极的氧化铝基片上涂以电阻式感湿膜，感湿膜由新型树脂和碳粒组成。该元件具有独特的性能：在低湿时几乎没有感湿灵敏度，而在高湿(94％RH以上)时，其阻值剧增，呈现开关式阻值变化特性。HDS05六、湿度传感器的应用及发展动向应用举例自动气象站湿度测报原理图自动去湿装置发展方向自动气象站湿度测报原理氧化锂传感器R－f变换电子门及记录仪温度自校自校信号PH普惠自动气象站湿度传感器的发展方向根据工业自动化微机控制的需要，提出了湿度传感器微型化、集成化、廉价的发展方向。国内外正在开展新一代湿度传感器的研制与开发以适合各种情况下的测湿和达到人们所希望的各种要求。本章小结概念:湿度、相对湿度、绝对湿度、湿滞