濕度傳感器環(huán)境濕度測量實驗指導書

1、濕度傳感器環(huán)境濕度測量實驗指導書一. 實驗目的     通過本實驗了解和掌握濕度傳感器測量濕度的基本原理和方法。二. 傳感器簡介     濕度通常是指大氣中所含的水蒸氣量。濕度傳感器是用以感受大氣濕度并變換成適當電信號輸出的傳感器。     濕度有兩種常用的表示方法，即絕對濕度和相對濕度。絕對濕度是指一定空間中水蒸氣的絕對含量，可用kg/m3表示。絕對濕度也可稱為水汽濃度或水汽密度。      絕對濕度也可用水的蒸氣壓來表示。設空氣的水

2、汽密度為v，與之相對應的水蒸氣分壓為Pv，則根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程有如下關系：式中：M-水汽的摩爾質(zhì)量；       R-摩爾氣體常數(shù)；       T-絕對溫度。     相對濕度為某一被測蒸氣壓與相同溫度下的飽和蒸氣壓的比值的百分數(shù)，常用"RH"表示。這是一個無量綱的值。絕對濕度給出了水分在空間的具體含量，相對濕度則給出大氣的潮濕程度，故使用更加廣泛。式中：Pv-待測空氣水蒸氣分壓， Pw-待測空氣溫度T

3、同溫時水的飽和水汽壓。     利用濕度傳感器可以將濕度值轉(zhuǎn)化為電信號。濕度傳感器主要組成部分為濕度敏感器件。濕度敏感器件是基于其功能材料能發(fā)生與濕度有關的物理效應或化學反應的基礎上制造的它具有可將濕度物理量轉(zhuǎn)換成電訊號的功能，這些功能可以通過與濕度有關的電阻或電容的變化、長度或體積的脹縮、以及結(jié)型器件或Mos器件的某些電參數(shù)的變化，諸如P-N結(jié)擊穿電壓、電流放大系數(shù)、反向漏電流、MOS器件的溝道電阻等的變化而得以實現(xiàn)三. 濕度傳感器測量原理     由于敏感器件的不同，不同的濕度傳感器具有不同的測量原理。下面簡單

4、介紹一下使用最廣泛的燒結(jié)型半導體陶瓷濕度敏感器件的工作機理。藍津信息技術有限公司生產(chǎn)的的LSD-5-A型相對濕度傳感器就是采用這種敏感器件。     燒結(jié)型濕敏半導體陶瓷材料，一般是具有多孔結(jié)構的多晶體，而且在其生產(chǎn)過程中應有半導體化過程。半導體陶瓷大多為金屬氧化物材料，其半導體化過程一般是通過調(diào)整配方、進行滲雜、或者通過控制燒結(jié)氣氛造成氧元素的過剩或不足而實現(xiàn)的。半導體化的結(jié)果是使晶粒中產(chǎn)生大量的載流子-空穴或電子。這樣，一方面使晶粒體內(nèi)的電阻率降低，另一方面又使晶粒之間的界面處形成界面勢壘，使界面處的載流子耗盡而出現(xiàn)耗盡層，從而晶體界面的電阻率遠大于

5、晶粒體內(nèi)的電阻率，而且成為半導體陶瓷材料在通電時的主要電阻。當水分子在濕敏半導體材料的表面和晶粒界面吸附時，會引起表面和晶粒界面處的電阻率發(fā)生變化，顯示出濕敏特性。      濕敏半導體陶瓷的濕敏特性，按其電阻隨所感受的濕度變化而發(fā)生變化的規(guī)律，一般可分負濕敏特性和正濕敏特性兩類。前一類的感濕特征是電阻值隨被測濕度的增加而減少，目前大多數(shù)濕敏半導體陶瓷都屬于此類；后一類的情況正好相反。     離子導電理論認為：水分子在陶瓷晶粒間界面的吸附可離解出大量的導電離子，這些離子在水吸附層中就如同電解質(zhì)溶液中的導電離子，可

6、擔負電荷的輸送。這就是說，這種情況下的荷電載流于是離子。     在完全脫水的金屬氧化物半導體陶瓷的晶粒表面上裸露著正金屬離子和負氧離子，水分子電離后離解為正氫離子和負氫氧根離子。于是在陶瓷晶粒的表面上就形成了負氫氧根離子和正金屬離子，以及氫離子與氧離子之間的第一層吸附，即化學吸附。     在形成的化學吸附層中，吸附的水分子和由氫氧根離解出來的正氫離子就以水合質(zhì)子H3O的形式構成導電的載流子。水分子在已完成第一層化學吸附后，隨之形成第二層、第三層的物理吸附，同時使導電載流子H3O的濃度進一步增大，從而使金屬氧化物半導體陶瓷

7、的總阻值下降，這就是這類材料具有濕敏性的機理。     金屬氧化物半導體材料結(jié)構不甚致密，各晶粒之間有一定的空隙，呈多孔毛細管狀，因此水分子可通過細孔，在各晶粒表面和晶粒間界面上吸附，并在品粒間界面處凝聚，所以，材料的細孔徑越小，則水分子越容易凝聚，其結(jié)果是引起界面處接觸電阻的明顯下降。在被測的濕度愈大，凝聚的水分子愈多時，電阻值也就下降得愈多。 四.實驗儀器和設備   1. DRVI可重組虛擬實驗開發(fā)平臺 1套2. 藍津數(shù)據(jù)采集儀（LDAQ-EPP2） 1套3. 開關電源（LDY-A） 1套4. LSD-5-A型濕度傳感器

8、 1個五. 實驗步驟及內(nèi)容1. 將LSD-5-A型濕度傳感器與環(huán)境狀況測量模塊上對應的濕度傳感器接口連接。2. 啟動服務器，運行DRVI主程序，開啟DRVI數(shù)據(jù)采集儀電源，然后點擊DRVI快捷工具條上的"聯(lián)機注冊"圖標，選擇其中的"DRVI采集儀主卡檢測"進行服務器和數(shù)據(jù)采集儀之間的注冊。聯(lián)機注冊成功后，分別從DRVI工具欄和快捷工具條中啟動"DRVI微型Web服務器"和"內(nèi)置的Web服務器"，開始監(jiān)聽8600和8500端口。 3. 打開客戶端計算機，啟動計算機上的DRVI客戶端程序，然后點擊DRVI快捷工具條上的

9、"聯(lián)機注冊"圖標，選擇其中的"DRVI局域網(wǎng)服務器檢測"，在彈出的對話框中輸入服務器IP地址（例如：），點擊"發(fā)送"按鈕，進行客戶端和服務器之間的認證，認證完畢即可正常運行客戶端所有功能。 4. 本實驗原理設計圖如圖1所示。 5 . 在DRVI軟件平臺的地址信息欄中輸入如下信息"http:/服務器IP地址:8600/SensorLAB/index.htm"，打開WEB版實驗指導書，在實驗目錄中選擇"濕度傳感器環(huán)境濕度測量"實驗，參照實驗原理和要求設計該實驗。 6 . 點擊附

10、錄中該實驗腳本文件"服務器端"的鏈接，將參考的實驗腳本文件貼入DRVI軟件平臺中并運行，點擊面板中的"開關"按鈕，觀察獲取的信號波形及濕度值，服務器端實驗效果示意圖如圖2所示。圖1 濕度傳感器環(huán)境濕度測量實驗原理設計圖圖2 環(huán)境監(jiān)測-濕度實驗（服務器）7. 對于客戶端的分析，首先設定數(shù)據(jù)共享服務器的IP地址，然后在確保數(shù)據(jù)共享服務器端8500端口打開的前提下，點擊"開關"按鈕進行網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集，觀察數(shù)據(jù)共享服務器端溫度隨外界條件變化而變化的情況，并記錄實驗結(jié)果?？蛻舳藢嶒炐Ч疽鈭D如圖3所示。圖3 環(huán)境監(jiān)測-濕度實驗（客戶端）六. 注意事項1