湿度传感器环境湿度测量实验指导书

湿度传感器环境湿度测量实验指导书一.实验目的通过本实验了解和掌握湿度传感器测量湿度的基本原理和方法。二.传感器简介湿度通常是指大气中所含的水蒸气量。湿度传感器是用以感受大气湿度并变换成适当电信号输出的传感器。湿度有两种常用的表示方法，即绝对湿度和相对湿度。绝对湿度是指一定空间中水蒸气的绝对含量，可用kg/m3表示。绝对湿度也可称为水汽浓度或水汽密度。绝对湿度也可用水的蒸气压来表示。设空气的水汽密度为ρv，与之相对应的水蒸气分压为Pv，则根据理想气体状态方程有如下关系：式中：M--水汽的摩尔质量；R--摩尔气体常数；T--绝对温度。相对湿度为某一被测蒸气压与相同温度下的饱和蒸气压的比值的百分数，常用％RH表示。这是一个无量纲的值。绝对湿度给出了水分在空间的具体含量，相对湿度则给出大气的潮湿程度，故使用更加广泛。式中：Pv--待测空气水蒸气分压，Pw--待测空气温度T同温时水的饱和水汽压。利用湿度传感器可以将湿度值转化为电信号。湿度传感器主要组成部分为湿度敏感器件。湿度敏感器件是基于其功能材料能发生与湿度有关的物理效应或化学反应的基础上制造的．它具有可将湿度物理量转换成电讯号的功能，这些功能可以通过与湿度有关的电阻或电容的变化、长度或体积的胀缩、以及结型器件或Mos器件的某些电参数的变化，诸如P-N结击穿电压、电流放大系数、反向漏电流、MOS器件的沟道电阻等的变化而得以实现．三.湿度传感器测量原理由于敏感器件的不同，不同的湿度传感器具有不同的测量原理。下面简单介绍一下使用最广泛的烧结型半导体陶瓷湿度敏感器件的工作机理。蓝津信息技术有限公司生产的的LSD-5-A型相对湿度传感器就是采用这种敏感器件。烧结型湿敏半导体陶瓷材料，一般是具有多孔结构的多晶体，而且在其生产过程中应有半导体化过程。半导体陶瓷大多为金属氧化物材料，其半导体化过程一般是通过调整配方、进行渗杂、或者通过控制烧结气氛造成氧元素的过剩或不足而实现的。半导体化的结果是使晶粒中产生大量的载流子--空穴或电子。这样，一方面使晶粒体内的电阻率降低，另一方面又使晶粒之间的界面处形成界面势垒，使界面处的载流子耗尽而出现耗尽层，从而晶体界面的电阻率远大于晶粒体内的电阻率，而且成为半导体陶瓷材料在通电时的主要电阻。当水分子在湿敏半导体材料的表面和晶粒界面吸附时，会引起表面和晶粒界面处的电阻率发生变化，显示出湿敏特性。湿敏半导体陶瓷的湿敏特性，按其电阻随所感受的湿度变化而发生变化的规律，一般可分负湿敏特性和正湿敏特性两类。前一类的感湿特征是电阻值随被测湿度的增加而减少，目前大多数湿敏半导体陶瓷都属于此类；后一类的情况正好相反。离子导电理论认为：水分子在陶瓷晶粒间界面的吸附可离解出大量的导电离子，这些离子在水吸附层中就如同电解质溶液中的导电离子，可担负电荷的输送。这就是说，这种情况下的荷电载流于是离子。在完全脱水的金属氧化物半导体陶瓷的晶粒表面上裸露着正金属离子和负氧离子，水分子电离后离解为正氢离子和负氢氧根离子。于是在陶瓷晶粒的表面上就形成了负氢氧根离子和正金属离子，以及氢离子与氧离子之间的第一层吸附，即化学吸附。在形成的化学吸附层中，吸附的水分子和由氢氧根离解出来的正氢离子就以水合质子H3O＋的形式构成导电的载流子。水分子在已完成第一层化学吸附后，随之形成第二层、第三层的物理吸附，同时使导电载流子H3O＋的浓度进一步增大，从而使金属氧化物半导体陶瓷的总阻值下降，这就是这类材料具有湿敏性的机理。金属氧化物半导体材料结构不甚致密，各晶粒之间有一定的空隙，呈多孔毛细管状，因此水分子可通过细孔，在各晶粒表面和晶粒间界面上吸附，并在品粒间界面处凝聚，所以，材料的细孔径越小，则水分子越容易凝聚，其结果是引起界面处接触电阻的明显下降。在被测的湿度愈大，凝聚的水分子愈多时，电阻值也就下降得愈多。四.实验仪器和设备1.DRVI可重组虚拟实验开发平台1套2.蓝津数据采集仪（LDAQ-EPP2）1套3.开关电源（LDY-A）1套4.LSD-5-A型湿度传感器1个五.实验步骤及内容1.将LSD-5-A型湿度传感器与环境状况测量模块上对应的湿度传感器接口连接。2.启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的联机注册图标，选择其中的DRVI采集仪主卡检测进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，分别从DRVI工具栏和快捷工具条中启动DRVI微型Web服务器和内置的Web服务器，开始监听8600和8500端口。3.打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的联机注册图标，选择其中的DRVI局域网服务器检测，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击发送按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。4.本实验原理设计图如图1所示。5.在DRVI软件平台的地址信息栏中输入如下信息http://服务器IP地址:8600/SensorLAB/index.htm，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择湿度传感器环境湿度测量实验，参照实验原理和要求设计该实验。6.点击附录中该实验脚本文件服务器端的链接，将参考的实验脚本文件贴入DRVI软件平台中并运行，点击面板中的开关按钮，观察获取的信号波形及湿度值，服务器端实验效果示意图如图2所示。图1湿度传感器环境湿度测量实验原理设计图图2环境监测-湿度实验（服务器）7.对于客户端的分析，首先设定数据共享服务器的IP地址，然后在确保数据共享服务器端8500端口打开的前提下，点击开关按钮进行网络数据采集，观察数据共享服务器端温度随外界条件变化而变化的情况，并记录实验结果。客户端实验效果示意图如图3所示。图3环境监测-湿度实验（客户端）六.注意事项1.等波形稳定后再读数。2.湿度传感器需要预热5分钟左右方可使用。七.实验报告要求1.根据实验内容整理实验结果，并分析和说明其检测原理。八.思考题1.分析测量误差。2.应用于测湿度的传感器还有那些？简述其工作原理。附录：1.该实验的实验信号处理框图如图4所示。图4环境温度/湿度测量实验信号处理框图