氣體濕敏傳感器

1、6.1 氣敏傳感器6.2 濕度傳感器6 其他種類(lèi)的傳感器16.1 氣敏傳感器 本節(jié)介紹內(nèi)容下列氣敏元件的工作原理、主要類(lèi)型及應(yīng)用接觸燃燒式氣敏元件金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏元件氧化鋯氣敏元件2一、接觸燃燒式氣體傳感器 1、檢測(cè)原理 可燃性氣體(H2、CO、CH4等)與空氣中的氧接觸，發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生反應(yīng)熱(無(wú)焰接觸燃燒熱)，使作為敏感材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應(yīng)增大。 一般，空氣中可燃性氣體的濃度都不高(低于10)，可燃性氣體可完全燃燒，其發(fā)熱量與可燃性氣體濃度有關(guān)，濃度愈大，氧化反應(yīng)(燃燒)產(chǎn)生的反應(yīng)熱愈多，鉑絲溫升愈多，其阻值增加越多。測(cè)定鉑絲電阻變化可得空氣中可燃?xì)怏w濃度。 使用單純的鉑絲

2、線圈作檢測(cè)元件，其壽命較短，實(shí)用檢測(cè)元件都是在鉑絲圈外涂覆一層氧化物觸媒。既延長(zhǎng)使用壽命，又提高檢測(cè)元件的響應(yīng)特性。 3 接觸燃燒式氣體敏傳感器采用橋式電路。圖中F1是檢測(cè)元件；F2是補(bǔ)償元件，補(bǔ)償可燃性氣體接觸燃燒以外的環(huán)境溫度、電源電壓變化等因素引起的偏差。 工作時(shí)，要求F1和F2上保持100200mA的電流，以供可燃性氣體在檢測(cè)元件F1上發(fā)生氧化反應(yīng)所需熱量。F1與可燃性氣體接觸時(shí)，劇烈氧化作用(燃燒)釋放的熱量使檢測(cè)元件溫升，阻值增大，橋路失衡，在A、B間產(chǎn)生電位差E。 AF2F1MR1R2CBDW2W1E0因?yàn)镽F很小，且RF1R1=RF2R2 令4可知：在F1和F2的電阻比RF2/

3、RF1接近1的范圍內(nèi)，A，B兩點(diǎn)的輸出近似地與RF成比例。RF由可燃性氣體接觸燃燒產(chǎn)生的溫度變化引起，與接觸燃燒熱成比例。RF可用下式表示 得到：檢測(cè)元件的電阻溫度系數(shù)；T可燃性氣體接觸燃燒引起的檢測(cè)元件溫度增加值；H可燃性氣體接觸燃燒的發(fā)熱量； C檢測(cè)元件的熱容量； Q可燃性氣體的燃燒熱；m可燃性氣體的濃度(Vol)；由檢測(cè)元件上涂覆的催化劑決定的常數(shù)。5，C和的值與檢測(cè)元件的材料、形狀、結(jié)構(gòu)、表面處理方法等因素有關(guān)。Q由可燃性氣體的種類(lèi)決定，在一定條件下，都是確定的常數(shù)。則： ， 若與相應(yīng)的電路配合，就能在空氣中當(dāng)可燃性氣體達(dá)到一定濃度時(shí)，自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，其感應(yīng)特性曲線如圖。接觸燃燒式氣

4、敏元件的感應(yīng)特性00.20.40.60.81.050100150輸出電壓/mV丙烷乙醇異丁烷丙酮環(huán)己烷氣體濃度(XLEL)E=kmb即A、B兩點(diǎn)的電位差E與可燃性氣體的濃度m成比例。測(cè)得E可求得空氣中可燃性氣體的濃度。6 2、接觸燃燒式氣敏元件的結(jié)構(gòu)* 用高純的鉑絲繞成線圈,為使線圈有適當(dāng)阻值(12),一般繞10圈以上。在線圈外面涂以氧化鋁或氧化鋁和氧化硅組成的膏狀涂覆層,干燥后在一定溫度下燒結(jié)成球狀多孔體。將燒結(jié)后的小球,放在貴金屬鉑、鈀等的鹽溶液中,充分浸漬后取出烘干。然后經(jīng)過(guò)高溫?zé)崽幚?使得氧化鋁(氧化鋁一氧化硅)載體上形成貴金屬觸媒層,最后組裝成氣體敏感元件。此外,也可將貴金屬觸媒粉體

5、與氧化鋁、氧化硅等載體充分混合后配成膏狀,涂覆在鉑絲繞成的線圈上,直接燒成后備用。 另外，作為補(bǔ)償元件的鉑線圈,其尺寸、阻值均應(yīng)與檢測(cè)元件相同，并且也應(yīng)涂覆氧化鋁或者氧化硅載體層,但無(wú)須浸漬貴金屬鹽溶液或者混入貴金屬觸媒粉體,形成觸媒層。 7觸媒Al2O3載體Pt絲元件(0.8-2)mm(b)敏感元件外形圖接觸燃燒式氣敏元件結(jié)構(gòu)示意圖(a)元件的內(nèi)部示意圖 8二、半導(dǎo)體氣體傳感器 氣敏元件大多以金屬氧化物半導(dǎo)體為基材。當(dāng)被測(cè)氣體在該半導(dǎo)體表面吸附后引起其電特性(例如電導(dǎo)率)變化。SnO2、ZnO、Fe2O3等材料存在氣敏效應(yīng)，當(dāng)表面吸附某種氣體時(shí)會(huì)引起電導(dǎo)率的變化。作為敏感元件，要求這種反應(yīng)必

6、須可逆。 氣敏元件的定性解釋模型：表面電荷層模型等。電阻型氣體傳感器件的主要特性參數(shù)與特點(diǎn)1、固有電阻R0和工作電阻RS2、靈敏度S S RS / R03、響應(yīng)時(shí)間T14、恢復(fù)時(shí)間T25、加熱電阻RH和加熱功率PH電阻型氣體傳感器優(yōu)缺點(diǎn)：1)成本低、易制造、靈敏度高、響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)、對(duì)濕度敏感低2)工作于高溫下、選擇性較差、參數(shù)分散、穩(wěn)定性不理想、功率要求高、當(dāng)探測(cè)氣體中混有硫化物時(shí)容易中毒。91、半導(dǎo)體氣敏元件的特性參數(shù)* （1）氣敏元件的電阻值 電阻型氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值稱(chēng)為氣敏元件(電阻型)的固有電阻。一般其固有電阻值在103105。 測(cè)定必須在潔凈空氣環(huán)境中進(jìn)行。由于經(jīng)濟(jì)

7、地理環(huán)境差異，各地區(qū)空氣中含有的氣體成分差別較大，即使對(duì)于同一氣敏元件，在相同溫度條件下在不同地區(qū)測(cè)定，其固有阻值也出現(xiàn)差別。因此，必須在潔凈的空氣環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量。10（2）氣敏元件的靈敏度 表征氣敏元件對(duì)于被測(cè)氣體的敏感程度的指標(biāo)。它表示氣體敏感元件的電參量（如電阻型氣敏元件的電阻值）與被測(cè)氣體濃度之間的依從關(guān)系。表示方法有三種 （a）電阻比靈敏度K（b）氣體分離度 RC1氣敏元件在濃度為C1的被測(cè)氣體中的阻值： RC2氣敏元件在濃度為C2的被測(cè)氣體中的阻值。通常，C1C2。（c）輸出電壓比靈敏度KVVa:氣敏元件在潔凈空氣中工作時(shí)，負(fù)載電阻上的電壓輸出；Vg:氣敏元件在規(guī)定濃度被測(cè)氣體中工

8、作時(shí)，負(fù)載電阻的電壓輸出 Ra氣敏元件在潔凈空氣中的電阻值；Rg氣敏元件在規(guī)定濃度的被測(cè)氣體中的電阻值11（4）氣敏元件的響應(yīng)時(shí)間 工作溫度下氣敏元件對(duì)被測(cè)氣體的響應(yīng)速度。一般從氣敏元件與一定濃度的被測(cè)氣體接觸時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，到氣敏元件阻值達(dá)到在此濃度下的穩(wěn)定阻值的63時(shí)為止，所需時(shí)間稱(chēng)為氣敏元件在此濃度下的被測(cè)氣體中的響應(yīng)時(shí)間，用符號(hào)tr表示。 （3）氣敏元件的分辨率 表氣敏元件對(duì)被測(cè)氣體的識(shí)別（選擇）以及對(duì)干擾氣體的抑制能力。氣敏元件分辨率S表示為Va氣敏元件在潔凈空氣中工作時(shí)，負(fù)載電阻上的輸出電壓；Vg氣敏元件在規(guī)定濃度被測(cè)氣體中工作時(shí)，負(fù)載電阻上的電壓Vgi氣敏元件在i種氣體濃度為規(guī)定值中

9、工作時(shí)，負(fù)載電阻的電壓12（5）氣敏元件的加熱電阻和加熱功率 氣敏元件一般工作在200以上高溫。為氣敏元件提供必要工作溫度的加熱電路的電阻(指加熱器的電阻值)稱(chēng)為加熱電阻，用RH表示。直熱式的加熱電阻值一般小于5；旁熱式的加熱電阻大于20。 氣敏元件正常工作所需的加熱電路功率，稱(chēng)為加熱功率，用表示。一般在(0.52.0)W范圍。 （6）氣敏元件的恢復(fù)時(shí)間 表示在工作溫度下,被測(cè)氣體由該元件上解吸的速度,一般從氣敏元件脫離被測(cè)氣體時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí),直到其阻值恢復(fù)到在潔凈空氣中阻值的63時(shí)所需時(shí)間。13（7）初期穩(wěn)定時(shí)間 長(zhǎng)期在非工作狀態(tài)下存放的氣敏元件,因表面吸附空氣中的水分或者其他氣體,導(dǎo)致其表面狀

10、態(tài)變化，在上電后,隨著元件溫度的升高,發(fā)生解吸現(xiàn)象。因此,使氣敏元件恢復(fù)正常工作狀態(tài),需要一定的時(shí)間,稱(chēng)為氣敏元件的初期穩(wěn)定時(shí)間。 一般電阻型氣敏元件,在剛通電的瞬間,其電阻值將下降,然后再上升,最后達(dá)到穩(wěn)定。由開(kāi)始通電直到氣敏元件阻值到達(dá)穩(wěn)定所需時(shí)間,稱(chēng)為初期穩(wěn)定時(shí)間。 初期穩(wěn)定時(shí)間是敏感元件存放時(shí)間和環(huán)境狀態(tài)的函數(shù)。存放時(shí)間越長(zhǎng),其初期穩(wěn)定時(shí)間也越長(zhǎng)。在一般條件下,氣敏元件存放兩周以后,其初期穩(wěn)定時(shí)間即可達(dá)最大值。 14元件特點(diǎn)：工作溫度低，輸出信號(hào)大，無(wú)需高倍放大；應(yīng)用廣工作原理： SnO2和空氣中電子親和性大的氣體發(fā)生反應(yīng)，形成吸附氧束縛晶體中的電子，使器件處于高阻狀態(tài)； 與被測(cè)氣體接

11、觸，與吸附氧發(fā)生反應(yīng);元件表面電導(dǎo)增加，電阻減小。提高器件的選擇性和靈敏度的措施：參雜改善前者，設(shè)置合適的工作溫度、改進(jìn)制備工藝可改善后者。2. SnO2氣敏元件15燒結(jié)型SnO2氣敏元件 SnO2系列元件多采用燒結(jié)工藝，以多孔SnO2陶瓷為基底材料，再添加不同的其他物質(zhì)，用制陶工藝燒結(jié)而成，燒結(jié)時(shí)埋入加熱電阻絲和測(cè)量電極。此外，還有薄膜型與厚膜型兩種工藝。 但燒結(jié)型應(yīng)用最廣。主要用于檢測(cè)可燃的還原性氣體，其工作溫度約300。根據(jù)加熱方式，分為直接加熱式和旁熱式兩種。因直熱式熱容量小、穩(wěn)定性差，測(cè)量電路與加熱電路間易相互干擾，加熱器使直熱式元件易失效而很少使用。結(jié)構(gòu)：芯片(敏感體和加熱器)，基

12、座和金屬防爆網(wǎng)三部分組成。7100目不銹鋼網(wǎng)18.412312345674545氣敏元件外形和引出線分布16旁熱式SnO2氣敏元件 加熱器電阻值一般為3040電極加熱器瓷絕緣管旁熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號(hào)SnO2燒結(jié)體123456（a）結(jié)構(gòu)（b）符號(hào)厚膜型器件構(gòu)成17三、氧化鋯氧氣傳感器* 固體電解質(zhì)是具有離子導(dǎo)電性能的固體物質(zhì)。一般認(rèn)為固體物質(zhì)(金屬或半導(dǎo)體)中作載流子傳導(dǎo)電流的是正、負(fù)電子。但固體電解質(zhì)中的載流子傳主要是離子。二氧化鋯（ZrO2）在高溫下(但遠(yuǎn)未達(dá)到熔融的溫度)具有氧離子傳導(dǎo)性。 純凈的二氧化鋯在常溫下屬單斜晶系，隨著溫度升高發(fā)生相變。在1100下，為正方晶系，2500下，為立

13、方晶系，2700下熔融，在熔融二氧化鋯中添加氧化鈣、三氧化二釔、氧化鎂等雜質(zhì)后，成為穩(wěn)定的正方晶型，具有瑩石結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為穩(wěn)定化二氧化鋯。 由于雜質(zhì)的加入，在二氧化鋯晶格中產(chǎn)生氧空位，其濃度隨雜質(zhì)的種類(lèi)和添加量而改變，其離子電導(dǎo)性也隨雜質(zhì)的種類(lèi)和數(shù)量而變化。 18 在二氧化鋯中添加氧化鈣、三氧化二釔等添加物后,其離子電導(dǎo)都將發(fā)生改變。尤其是在氧化鈣添加量為15mol左右時(shí),離子電導(dǎo)出現(xiàn)極大值。由于二氧化鋯、一氧化鈣固溶體的離子活性較低，在高溫下，氣敏元件才有足夠的靈敏度。添加三氧化二釔的ZrO2Y2O3固溶體的離子活性較高，在較低的溫度下，其離子電導(dǎo)都較大，如圖。因此，通常都用這種材料制作固定電解

14、質(zhì)氧敏元件。添加Y2O3的ZrO2固體電解質(zhì)材料，稱(chēng)為YSZ材料。51015201234Yb2O3Y2O3CaO氧化物添加量/% mol ZrO2中雜質(zhì)含量與電導(dǎo)關(guān)系離子電導(dǎo)lg/-1cm-119ZrO2系固體電解質(zhì)的離子電導(dǎo)與溫度關(guān)系56008001000120010-110-210-310-4123467t /離子電導(dǎo)/-1cm-1添加8%molYb2O3 ；2 ZrO0.92 SC2O30.04 Yb2O30.04 ； 4 添加10%molY2O3 ； 3 ZrO2 ；5 添加13%molCaO6 添加15%molY2O3 ；7 添加10%molCeO二氧化鋯氧敏元件與多數(shù)固體電解質(zhì)氧敏

15、元件一樣，作成濃差電池形式。在二氧化鋯兩側(cè)裝上鉑電極，兩電極的電位不同時(shí)，兩極間產(chǎn)生濃差電動(dòng)勢(shì)，測(cè)定固體濃差電池的電動(dòng)勢(shì)，可測(cè)定被測(cè)氣體濃度。20四、氣體傳感器的應(yīng)用 分為檢測(cè)、報(bào)警等類(lèi)型，例如有害氣體、煙霧檢測(cè)報(bào)警。1、電源電路 一般氣敏元件的工作電壓不高(3V10V)，但其工作電壓，特別是供給加熱的電壓必須穩(wěn)定。否則導(dǎo)致加熱器的溫度變化幅度過(guò)大，使元件的工作點(diǎn)漂移，影響檢測(cè)準(zhǔn)確性。2、輔助電路 由于氣敏元件自身的特性(溫度系數(shù)、濕度系數(shù)、初期穩(wěn)定性等)，在設(shè)計(jì)、制作應(yīng)用電路時(shí)，應(yīng)予以考慮。 例如，采用溫度補(bǔ)償電路，減少氣敏元件的溫度系數(shù)引起的誤差；設(shè)置延時(shí)電路，防止通電初期，因氣敏元件阻值

16、大幅度變化造成誤報(bào)；使用加熱器失效通知電路，防止加熱器失效導(dǎo)致漏報(bào)現(xiàn)象。下圖是帶溫度補(bǔ)償?shù)臍饷魝鞲衅麟娐肥纠?1當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，則負(fù)溫度熱敏電阻(R5)的阻值增大，使相應(yīng)的輸出電壓得到補(bǔ)償。BZU氣敏傳感器氖管蜂鳴器NTC電阻WR1R2R3R4R5R6SCR右圖為正溫度系數(shù)熱敏電阻(R2)的延時(shí)電路。剛通電時(shí)，其電阻值也小，電流大部分經(jīng)熱敏電阻回到變壓器，蜂鳴器(BZ)不發(fā)出報(bào)警。當(dāng)通電12min后，阻值急劇增大，通過(guò)蜂鳴器的電流增大，電路進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。 BZ氣敏傳感器PTC電阻R2R1R3R4BCRUB蜂鳴器氖管223、檢測(cè)工作電路 氣敏元件應(yīng)用電路的主體部分。 下圖是設(shè)有串聯(lián)蜂鳴

17、器的應(yīng)用電路。隨著環(huán)境中可燃性氣體濃度的增加，氣敏元件的阻值下降到一定值后，流入蜂鳴器的電流，足以推動(dòng)其工作而發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 220VBZ 氖管家用可燃性氣體報(bào)警器電路氣敏傳感器蜂鳴器BR23 差分式可燃性氣體檢測(cè)儀電路在此電路中，BG1、BG2的參數(shù)應(yīng)力求一致，最好選用差分對(duì)管。采用這種差分電路，檢測(cè)氣體的靈敏度可達(dá)100 106。 K1W11W31W41W21R3R2BG1BG2R4R5K23V6VA 差分式可燃性氣體檢測(cè)儀電路R1RQ24 家用煤氣(CO)安全報(bào)警電路*一部分是煤氣報(bào)警器，在煤氣濃度達(dá)到危險(xiǎn)界限前發(fā)生警報(bào)；另一部分是開(kāi)放式負(fù)離子發(fā)生器，其作用是自動(dòng)產(chǎn)生空氣負(fù)離子，使煤氣中

18、主要有害成分一氧化碳與空氣負(fù)離子中的臭氧(O3)反應(yīng)，生成對(duì)人體無(wú)害的二氧化碳。IC1IC2JBG3220VKJ1R10R12R11R1R2R3R4BG1BG2C1C2C3C4R5R6R7R8R13R9D1D2D3D4D5DwW1W2C7C5C6MT2MT13CTS3RQABLED6213748521387B1B2D7煤氣安全報(bào)警器原理圖256.2濕度傳感器 在精密儀器、半導(dǎo)體IC與元器件制造場(chǎng)所，氣象預(yù)報(bào)、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工等行業(yè)都有廣泛應(yīng)用。 電子濕度傳感器依據(jù)使用材料分類(lèi)：電解質(zhì)型：例如LiCl，在絕緣基板上制作一對(duì)電極，涂上LiCl鹽膠膜。LiCl極易潮解并產(chǎn)生離子導(dǎo)電，濕度升高電阻減

19、小。陶瓷型：一般以金屬氧化物為原料，用陶瓷工藝制成多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值對(duì)空氣中水蒸氣的敏感特性制成。高分子型：利用有機(jī)高分子薄膜的感濕特性。有機(jī)高分子的材料種類(lèi)也很多,工作原理也各不相同。單晶半導(dǎo)體型：半導(dǎo)體工藝制成制成二極管濕敏器件和MOSFET濕度敏感器件等。其特點(diǎn)是單晶硅材料易于把電路集成在一起。 26一、濕度表示法 空氣中含有水蒸氣的量稱(chēng)為濕度，含水蒸氣的空氣是一種混合氣體。主要有質(zhì)量百分比和體積百分比、相對(duì)濕度和絕對(duì)濕度、露點(diǎn)（霜點(diǎn)）等表示法。 1、質(zhì)量百分比和體積百分比 質(zhì)量為M的混合氣體中若含水蒸氣的質(zhì)量為m，則質(zhì)量百分比為vV100兩方法統(tǒng)稱(chēng)為水蒸氣百分含量法。mM10

20、0在體積為V的混合氣體中，若含水蒸氣的體積為v，則體積百分比為27 2、相對(duì)濕度和絕對(duì)濕度水蒸氣壓：在一定溫度條件下，混合氣體中的水蒸氣分壓(p)。飽和蒸氣壓：同一溫度下混合氣體所含水蒸氣壓的最大值(ps)。溫度越高，飽和水蒸氣壓越大。在某一溫度下，其水蒸氣壓同飽和蒸氣壓的百分比，稱(chēng)為相對(duì)濕度：絕對(duì)濕度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)，空氣里所含水蒸氣的質(zhì)量。用v表示m待測(cè)空氣中水蒸氣質(zhì)量；V待測(cè)空氣的總體積；v待測(cè)空氣的絕對(duì)濕度。若把待測(cè)空氣視為由水蒸氣和干燥空氣組成的二元理想混合氣體，根據(jù)道爾頓分壓定律和理想氣體狀態(tài)方程，可得絕對(duì)濕度：p：空氣中水蒸氣分壓；M：水蒸氣的摩爾質(zhì)量R：理想氣體常數(shù)； T：空氣的絕

21、對(duì)溫度。28 3、露（霜）點(diǎn) 水的飽和蒸氣壓隨溫度降低而下降。在同樣的空氣水蒸氣壓下，溫度越低，空氣的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和蒸氣壓差值越小。當(dāng)空氣溫度下降到某一溫度時(shí)，空氣中的水蒸氣壓與同溫度下的飽和水蒸氣壓相等。此時(shí)，空氣中的水蒸氣向液相轉(zhuǎn)化而凝結(jié)成露珠，相對(duì)濕度為100RH。該溫度稱(chēng)為空氣5010203040-1001020304050溫度/10%RH露點(diǎn)/90%RH80%RH70%RH60%RH50%RH40%RH20%RH30%RH的露點(diǎn)溫度，簡(jiǎn)稱(chēng)露點(diǎn)。 如果這一溫度低于0時(shí)，水蒸氣將結(jié)霜，又稱(chēng)為霜點(diǎn)溫度。兩者統(tǒng)稱(chēng)為露點(diǎn)?？諝庵兴魵鈮涸叫。饵c(diǎn)越低，因而可用露點(diǎn)表示空氣中的濕度。

22、29二、濕度傳感器的主要參數(shù) 1、濕度量程 指濕度傳感器技術(shù)規(guī)范中所規(guī)定的感濕范圍。全濕度范圍用相對(duì)濕度(0100)RH表示，它是濕度傳感器工作性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。 2、感濕特征量相對(duì)濕度特性 每種濕度傳感器都有其感濕特征量，如電阻、電容等，常用電阻表示。以電阻為例，在規(guī)定工作濕度范圍內(nèi)，濕度傳感器的電阻值隨環(huán)境濕度變化的關(guān)系特性曲線，簡(jiǎn)稱(chēng)阻濕特性。有的濕度傳感器的阻值隨濕度增加而增大，這種為正特性濕敏電阻器，如Fe3O4濕敏電阻器。有的阻值隨濕度增加而減小，這種為負(fù)特性濕敏電阻器，如TiO2SnO2陶瓷濕敏電阻器。對(duì)于這種濕敏電阻器，低濕時(shí)阻值不能太高，否則不利于和測(cè)量系統(tǒng)或控制儀表相連接。

23、30 3、感濕靈敏度 簡(jiǎn)稱(chēng)靈敏度，又叫濕度系數(shù)，定義為在某一相對(duì)濕度范圍內(nèi)，相對(duì)濕度改變1RH時(shí)，濕度傳感器電參量的變化值或百分率。 各種不同的濕度傳感器，對(duì)靈敏度的要求各不相同，對(duì)于低濕型或高濕型的濕度傳感器，它們的量程較窄，要求靈敏度要很高。但對(duì)于全濕型濕度傳感器，并非靈敏度越大越好，因?yàn)殡娮柚档膭?dòng)態(tài)范圍很寬，給配制二次儀表帶來(lái)不利，所以靈敏度的大小要適當(dāng)。 314、特征量溫度系數(shù)反映濕度傳感器在感濕特征量相對(duì)濕度特性曲線隨環(huán)境溫度變化的特性。感濕特征量隨環(huán)境溫度的變化越小，環(huán)境溫度變化所引起的相對(duì)濕度的誤差越小。在環(huán)境溫度保持恒定時(shí)，濕度傳感器特征量的相對(duì)變化量與對(duì)應(yīng)的溫度變化量之比，稱(chēng)

24、為特征量溫度系數(shù)。T溫度25與另一規(guī)定環(huán)境溫度之差；R1(C1)溫度25時(shí)濕度傳感器的電阻值(或電容值)；R2(C2)另一規(guī)定環(huán)境溫度時(shí)濕度傳感器的電阻值(或電容值)。 電容溫度系數(shù)(%/)=電阻溫度系數(shù)(%/)=32 5、感濕溫度系數(shù)反映濕度傳感器溫度特性的一個(gè)比較直觀、實(shí)用的物理量。它表示在兩個(gè)規(guī)定的溫度下，濕度傳感器的電阻值(或電容值)達(dá)到相等時(shí)，其對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度之差與兩個(gè)規(guī)定的溫度變化量之比，稱(chēng)為感濕溫度系數(shù)?；颦h(huán)境溫度每變化1時(shí)，所引起的濕度傳感器的濕度誤差。感濕溫度系數(shù)T溫度25與另一規(guī)定環(huán)境溫度之差；H1溫度25時(shí)濕度傳感器某一電阻值(或電容值)對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度值； H2另一規(guī)定環(huán)

25、境溫度下濕度傳感器另一電阻值(或電容值)對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度。下圖為感濕溫度系數(shù)示意圖。 (%RH/)=33相對(duì)濕度/%H1H2H2感濕溫度系數(shù)示意圖相對(duì)濕度/%H1H2H2RCT2T2T2T22525(a) 電阻型 (b)電容型34 6、響應(yīng)時(shí)間 在一定溫度下，當(dāng)相對(duì)濕度發(fā)生躍變時(shí)，濕度傳感器的電參量達(dá)到穩(wěn)態(tài)變化量的規(guī)定比例所需要的時(shí)間。一般是以相應(yīng)的起始和終止這一相對(duì)濕度變化區(qū)間的63作為相對(duì)濕度變化所需要的時(shí)間，也稱(chēng)時(shí)間常數(shù)，它是反映濕度傳感器相對(duì)濕度發(fā)生變化時(shí)，其反應(yīng)速度的快慢。單位是s。也有規(guī)定從起始到終止90的相對(duì)濕度變化作為響應(yīng)時(shí)間的。響應(yīng)時(shí)間又分為吸濕響應(yīng)時(shí)間和脫濕響應(yīng)時(shí)間。大多數(shù)濕

26、度傳感器都是脫濕響應(yīng)時(shí)間大于吸濕響應(yīng)時(shí)間，一般以脫濕響應(yīng)時(shí)間作為濕度傳感器的響應(yīng)時(shí)間。 35 7、電壓特性* 當(dāng)用濕度傳感器測(cè)量濕度時(shí)，所加的測(cè)試電壓，不能用直流電壓。這是由于加直流電壓引起感濕體內(nèi)水分子的電解，致使電導(dǎo)率隨時(shí)間的增加而下降，故測(cè)試電壓采用交流電壓。右圖表示濕度傳感器的電阻與外加交流電壓之間的關(guān)系?？梢?jiàn)，測(cè)試電壓小于5V時(shí)，電壓對(duì)阻濕特性沒(méi)有影響。但交流電壓大于15V時(shí)，由于產(chǎn)生焦耳熱，對(duì)濕度傳感器的阻濕特性產(chǎn)生了較大影響，因而一般濕度傳感的使用電壓都小于10V。Lg R /0123456578420 100Hz11% RH33% RH75% RH100% RHU/V36電阻頻

27、率特性20 5V11% RH33% RH100% RHLg f / Hz0123456578475% RHLg R /8、頻率特性* 濕度傳感器的阻值與外加測(cè)試電壓頻率的關(guān)系，如圖。在高濕時(shí)，頻率對(duì)阻值的影響很小，當(dāng)?shù)蜐窀哳l時(shí)，隨著頻率的增加，阻值下降。對(duì)這種濕度傳感器，在各種濕度下，當(dāng)測(cè)試頻率小于103Hz時(shí)，阻值不隨使用頻率而變化，故該濕度傳感器使用頻率的上限為103Hz。濕度傳感器的使用頻率上限由實(shí)驗(yàn)確定。直流電壓會(huì)引起水分子的電解，因此，測(cè)試電壓頻率也不能太低。 37三、電解質(zhì)濕度傳感器 電解質(zhì)是以離子形式導(dǎo)電的物質(zhì)，分為固體電解質(zhì)和液體電解質(zhì)。若物質(zhì)溶于水中，在極性水分子作用下，能全

28、部或部分地離解為自由移動(dòng)的正、負(fù)離子，稱(chēng)為液體電解質(zhì)。電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率與溶液的濃度有關(guān)，而溶液的濃度，在一定的溫度下又是環(huán)境相對(duì)濕度的函數(shù)。 氯化鋰濕度傳感器的結(jié)構(gòu)AB B 鈀絲 A 涂有聚苯乙烯薄膜的圓筒電解質(zhì)氯化鋰濕度傳感器最為典型03060900.010.1110R/108相對(duì)濕度/% 1.0 % LiCl 2.2%LiCl 0.5% LiCl 0.25% LiCl PVAC氯化鋰濕度傳感器的阻濕特性組合式氯化鋰的阻濕特性03060900.010.1110相對(duì)濕度/%R/108把不同感濕范圍的單片濕度傳感器組合起來(lái),可制成相對(duì)濕度工作量程為2090RH的濕度傳感器38四、陶瓷濕度傳感器

29、 利用半導(dǎo)體陶瓷材料制成的陶瓷濕敏傳感器件。有許多優(yōu)點(diǎn)：測(cè)濕范圍寬，可實(shí)現(xiàn)全濕范圍內(nèi)的濕度測(cè)量；工作溫度高，常溫濕度傳感器的工作溫度在150以下，而高溫濕度傳感器的工作溫度可達(dá)800，響應(yīng)時(shí)間較短，精度高，抗污染能力強(qiáng)，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。 典型產(chǎn)品是燒結(jié)型陶瓷濕敏元件是MgCr2O4TiO2系。此外，還有TiO2-V2O5系、ZnOLi2OV2O5系、ZnCr2O4系、ZrO2MgO系、Fe3O4系、Ta2O5系等。這類(lèi)濕度傳感器的感濕特征量大多數(shù)為電阻。除Fe3O4外，都為負(fù)特性濕度傳感器，即隨環(huán)境的相對(duì)濕度增加，阻值下降。391、結(jié)構(gòu) 該濕度傳感器的感濕體是MgCr2O4-TiO2系多孔

30、陶瓷。這種多孔陶瓷的氣孔大部分為粒間氣孔,氣孔直徑隨TiO2添加量的增加而增大。粒間氣孔與顆粒大小無(wú)關(guān), 相當(dāng)于一種開(kāi)口毛細(xì)管,易吸附水分。材料的主晶相是MgCr2O4相,此外,還有TiO2相等,感濕體是一個(gè)多晶多相的混合物。陶瓷濕敏元件結(jié)構(gòu)圖護(hù)圈電極感濕陶瓷氧化釕電極加熱器基板電極引線402、主要特性與性能 （1）電阻-濕度特性 MgCr2O4TiO2系陶瓷濕度傳感器的電阻一濕度特性，隨著相對(duì)濕度的增加，電阻值急驟下降，基本按指數(shù)規(guī)律下降。在單對(duì)數(shù)的坐標(biāo)中，電阻濕度特性近似呈線性關(guān)系。當(dāng)相對(duì)濕度由0變?yōu)?00RH時(shí)，阻值從107下降到104，即變化了三個(gè)數(shù)量級(jí)。204060801001031

31、04105106107108相對(duì)濕度/%R/41（2）電阻溫度特性 在不同溫度環(huán)境下測(cè)量的陶瓷濕度傳感器電阻濕度特性。從圖可見(jiàn)，從20到80各條曲線的變化規(guī)律基本一致，具有負(fù)溫度系數(shù)，其感濕負(fù)溫度系數(shù)為0.38RH。如果要求精確的濕度測(cè)量，需要對(duì)濕度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 20406080100103104105106107108相對(duì)濕度/%20406080R/MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器的電阻溫度特性42MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器的時(shí)間響應(yīng)特性20406080100010203094%RH 50%RH1%RH 50%RH t /s%RH（3）響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)時(shí)間特性如圖。根據(jù)響

32、應(yīng)時(shí)間的規(guī)定，從圖中可知，響應(yīng)時(shí)間小于10s。43（4）穩(wěn)定性* 制成的MgCr2O4-TiO2系陶瓷類(lèi)濕度傳感器，需要實(shí)驗(yàn)：高溫負(fù)荷實(shí)驗(yàn)(大氣中，溫度150，交流電壓5V，時(shí)間104h)；高溫高濕負(fù)荷試驗(yàn)(濕度大于95RH，溫度60，交流電壓5V，時(shí)間104h)；常溫常濕試驗(yàn)濕度(1090)RH，溫度(1040)；油氣循環(huán)試驗(yàn)(油蒸氣加熱清洗循環(huán)25萬(wàn)次，交流電壓5V)。 經(jīng)過(guò)以上各種試驗(yàn)，大多數(shù)陶瓷濕度傳感器仍能可靠地工作，說(shuō)明穩(wěn)定性比較好。 44五、高分子濕度傳感器*用有機(jī)高分子材料制成的濕度傳感器，主要利用其吸濕性與脹縮性。某些高分子電介質(zhì)吸濕后，介電常數(shù)明顯改變，可構(gòu)成電容式濕度傳感

33、器；某些高分子電解質(zhì)吸濕后電阻明顯變化，可購(gòu)成電阻式濕度傳感器；利用脹縮性高分子（如樹(shù)脂）材料和導(dǎo)電粒子，在吸濕之后的開(kāi)關(guān)特性可構(gòu)成結(jié)露傳感器。（一）電容式濕度傳感器 1、結(jié)構(gòu)高分子膜電介質(zhì)電容式濕度傳感器的基本結(jié)構(gòu)。高分子薄膜上部電極下部電極2、感濕機(jī)理與性能 傳感器上部多孔質(zhì)的金電極可使水分子透過(guò)。感濕高分子材料的介電常數(shù)并不大，當(dāng)水分子被高分子薄膜吸附使介電常數(shù)變化。隨環(huán)境濕度提高，高分子薄膜吸附的水分子增多，濕度傳感器的電容增加。45（2）響應(yīng)特性由于高分子薄膜可以做得極薄，所以吸濕響應(yīng)時(shí)間都很短，一般都小于5s，有的響應(yīng)時(shí)間僅為1s。（3）電容-溫度特性電容式高分子膜濕度傳感器的感濕

34、特性受溫度影響非常小，在550范圍內(nèi),電容溫度系數(shù)約為0.06RH/ 相對(duì)濕度/%050100200250300350電容濕度特性C/pF（f=1.5MHZ）（1）電容-濕度特性其電容隨著環(huán)境溫度的增加而增加,基本上呈線性關(guān)系。當(dāng)測(cè)試頻率為l.5MHz左右時(shí),其輸出特性有良好的線性度。對(duì)其它測(cè)試頻率,如1kHz、10kHz，盡管傳感器的電容量變化很大,但線性度欠佳?？赏饨愚D(zhuǎn)換電路,使電容濕度特性趨于理想直線。 46（二）電阻式高分子膜濕度傳感器1、結(jié)構(gòu) 聚苯乙烯磺酸鋰濕度傳感器的結(jié)構(gòu)。 引線端感濕膜聚苯乙烯磺酸鋰濕度傳感器的結(jié)構(gòu)梳狀電極基片472、主要特性（1）電阻濕度特性 環(huán)境濕度變化時(shí)，傳

35、感器的吸濕和脫濕特性有不同。在整個(gè)濕度范圍內(nèi)，傳感器均有感濕特性，其阻值與相對(duì)濕度的關(guān)系在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上近似為一直線。吸濕和脫濕時(shí)濕度指示的最大誤差值為(34)RH。1K30405060708090吸濕10K100K1M10M相對(duì)濕度/%R/脫濕3%RH電阻濕度特性（2）溫度特性聚苯乙烯磺酸鋰的電導(dǎo)率隨溫度的變化較為明顯，具有負(fù)溫度系數(shù)。在(055)時(shí)，溫度系數(shù)為(0.61.0)RH/。 480402010460801005010102103聚苯乙烯磺酸鋰濕度傳感器的濕度特性2540R/相對(duì)濕度/%（3）其它特性 聚苯乙烯磺酸鋰濕度傳感器的升濕響應(yīng)較快，降濕響應(yīng)較慢，響應(yīng)時(shí)間在一分鐘之內(nèi)。濕滯

36、比較小，在(12)RH之間。這種濕度傳感器具有良好的穩(wěn)定性。存儲(chǔ)一年后，其最大變化不超過(guò)2RH，完全可以滿(mǎn)足器件穩(wěn)定性的要求。 高分子薄膜濕度傳感器的缺點(diǎn)：對(duì)含有機(jī)溶媒氣體的環(huán)境下測(cè)濕時(shí)，器件易損壞；另外不能用于80以上的高溫。 49六、濕度傳感器的測(cè)量電路 （一）檢測(cè)電路的選擇 1、電源選擇 一切電阻式濕度傳感器都必須使用交流電源，否則性能會(huì)劣化甚至失效。 電解質(zhì)濕度傳感器的電導(dǎo)是靠離子的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，在直流電源作用下，正、負(fù)離子必然向電源兩極運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電解作用，使感濕層變薄甚至被破壞；在交流電源作用下，正負(fù)離子往返運(yùn)動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生電解作用，感濕膜不會(huì)被破壞。 交流電源的頻率選擇是，在不產(chǎn)生正、負(fù)離子定向積累情況下盡可能低一些。在高