電阻式傳感器第2章

第3章電阻式傳感器本章內容

2.1應變式傳感器

2.2氣敏傳感器

2.3濕敏傳感器

學習目標

了解應變效應的原理，了解應變片的類型、結構及其測量轉換電路，掌握電阻應變式傳感器的應用。了解氣敏電阻的分類、典型應用。了解濕敏電阻的分類、典型應用。

2.1應變式傳感器

2.1.1工作原理導體或半導體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機械變形時，其電阻值相應發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應變效應”。

當電阻絲受到拉力F作用時，將伸長l，橫截面積相應減小A，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了d，從而引起電阻值相對變化量為圖2-1金屬電阻絲應變效應

dl

/

l為長度相對變化量即應變

軸向應變和徑向應變的關系可表示為

式中：——電阻絲材料的泊松比，負號表示應變方向相反。

通常，把單位應變能引起的電阻值變化稱為電阻絲的靈敏系數(shù)。其表達式為

靈敏系數(shù)K受兩個因素影響：應變片受力后材料幾何尺寸的變化，1+2；應變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化，即（d

/）/。對金屬材料來說，電阻絲靈敏度系數(shù)表達式中1+2的值要比（d

/）/大得多，而半導體材料的（d

/）/項的值比1+2大得多。

半導體材料，當某一軸向受外力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。

d

/為半導體應變片的電阻率相對變化量，其值與半導體敏感元件在軸向所受的應變力有關，其關系為

上式中：——半導體材料的壓阻系數(shù)；——半導體材料的所受應變力；E——半導體材料的彈性模量；——半導體材料的應變。半導體應變片的靈敏系數(shù)為

半導體應變片的靈敏系數(shù)比金屬絲式高50～80倍，但半導體材料的溫度系數(shù)大，應變時非線性比較嚴重，使它的應用范圍受到一定的限制。

用應變片測量應變或應力時，在外力作用下，被測對象產(chǎn)生微小機械變形，應變片隨著發(fā)生相同的變化，同時應變片電阻值也發(fā)生相應變化。當測得應變片電阻值變化量為R時，便可得到被測對象的應變值，應力值為

由此可知，應力值正比于應變，而試件應變正比于電阻值的變化，所以應力正比于電阻值的變化，這就是利用應變片測量應變的基本原理。

2.1.2應變片的種類、材料及粘貼

1.金屬電阻應變片的種類

金屬電阻應變片組成敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分組成。

圖2-2金屬應變片的結構1—引線；2—覆蓋層；3—基片；4—敏感柵

2.金屬電阻應變片的材料電阻絲材料應有如下要求：（1）靈敏系數(shù)大，且在相當大的應變范圍內保持常數(shù)；（2）值大，即在同樣長度、同樣橫截面積的電阻絲中具有較大的電阻值；（3）電阻溫度系數(shù)小，否則因環(huán)境溫度變化也會改變其阻值；（4）與銅線的焊接性能好，與其他金屬的接觸電勢?。唬?）機械強度高，具有優(yōu)良的機械加工性能。

3.金屬電阻應變片的粘貼應變片是用粘結劑粘貼到被測件上的。常用的粘結劑類型有硝化纖維素型、氰基丙烯酸型、聚酯樹脂型、環(huán)氧樹脂型和酚醛樹脂型等。

應變片的溫度誤差及補償1)應變片的溫度誤差（1）電阻溫度系數(shù)的影響。敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關系可表示為

當溫度變化t時，電阻絲電阻的變化值為

（2）試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響。當試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同時，不會產(chǎn)生附加變形。當試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時，由于環(huán)境溫度的變化，電阻絲會產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻變化。

2)電阻應變片的溫度補償方法（1）線路補償法。電橋補償是最常用且效果較好的線路補償。測量應變時，工作應變片R1粘貼在被測試件表面上，補償應變片RB粘貼在與被測試件材料完全相同的補償塊上，且僅工作應變片承受應變，如圖2-4（b）所示。

當被測試件不承受應變時，R1和RB又處于同一環(huán)境溫度為的溫度場中，調整電橋參數(shù)使之達到平衡，此時有

Uo=A(R1R4?RBR3)=0

圖2-4電橋補償法

一般按R1=RB=R3=R4選取橋臂電阻。當溫度升高或降低t=t?t0時，兩個應變片因溫度相同而引起的電阻變化量相等，電橋仍處于平衡狀態(tài)，即

若此時被測試件有應變的作用，則工作應變片電阻R1有新的增量R1=R1K，而補償片因不承受應變，故不產(chǎn)生新的增量，此時電橋輸出電壓為

Uo=AR1R4K

（2）應變片的自補償法。這種溫度補償法是利用自身具有溫度補償作用的應變片（稱之為溫度自補償應變片）來補償?shù)摹?/p>

2.1.3電阻應變片的測量電路直流電橋1)直流電橋平衡條件電橋電路如圖2-5所示，圖中E為電源電壓，R1、R2、R3及R4為橋臂電阻，RL為負載電阻。圖2-5直流電橋

當電橋平衡時，Uo=0，則這說明欲使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應相等，或相對兩臂電阻的乘積應相等。

2)電壓靈敏度

設橋臂比n=R2/R1，由于R1<<

R1，分母中R1

/R1可忽略，并考慮到平衡條件R2

/R1=R4

/R3，則

電橋電壓靈敏度定義為

分析上式可得：（1）電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，供電電壓越高。（2）電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù)，恰當?shù)剡x擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。

當n=1時，KU為最大值。R1=R2=R3=R4，電橋電壓靈敏度最高，此時單臂電橋有：

3)非線性誤差及其補償方法與R1/R1的關系是非線性的，非線性誤差為

為了減小和克服非線性誤差，常采用差動電轎如下圖2-6所示，在試件上安裝兩個工作應變片，一個受拉應變，一個受壓應變，構成半橋電路，如圖2-6（a）所示。該電橋輸出電壓為

（a）（b）圖2-6差動電橋（a）半橋；（b）全橋

若R1=

R2，R1=R2，R3=R4，則得半橋輸出電壓為

（2-40）由式（2-40）可知，Uo與R1/R1成線性關系，差動電路無非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度KU=E/2，是單臂工作時的兩倍，同時還具有溫度補償作用。

若將電橋四臂接入4片應變片，如圖2-6（b）所示，即兩個受拉應變，兩個受壓應變，將兩個應變符號相同的接入相對橋臂上，構成全橋差動電路。若R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，則全橋輸出電壓為： （2-41）

KU=E

（2-42）

此時全橋差動電路不僅沒有非線性誤差，而且電壓靈敏度為單片工作時的4倍，同時仍具有溫度補償作用。

2.交流電橋根據(jù)直流電橋分析可知，由于應變電橋輸出電壓很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于產(chǎn)生零漂，因此應變電橋多采用交流電橋，引線分布電容使得二橋臂應變片呈現(xiàn)復阻抗特性。

圖2-7交流電橋（a）半橋差動交流電橋；（b）半橋差動交流電橋引線分布電容

由交流電路分析可得要滿足電橋平衡條件，即Uo=0，則

Z1Z4=Z2Z3

對這種交流電容電橋，除要滿足電阻平衡條件外，還必須滿足電容平衡條件。

圖2-8交流電橋平衡調節(jié)（a）、（b）電阻平衡調節(jié)；（c）、（d）電容平衡調節(jié)當被測應力變化引起Z1=Z10+Z，Z2=Z20?Z變化時（且Z10=Z20=Z0），則電橋輸出為

2.1.4應變式傳感器的應用

1.柱（筒）式力傳感器

被測物理量為荷重或力的應變式傳感器時，統(tǒng)稱為應變式力傳感器。其主要用途是作為各種電子稱與材料試驗機的測力元件、發(fā)動機的推力測試、水壩壩體承載狀況監(jiān)測等。

圖2-9（a）、（b）所示分別為柱式、筒式力傳感器，應變片粘貼在彈性體外壁應力分布均勻的中間部分，對稱地粘貼多片，電橋連線時考慮盡量減小載荷偏心和彎矩影響。貼片在圓柱面上的展開位置及其在橋路中的連接如圖2-9（c）、（d）所示，R1和R3串接，R2和R4串接，并置于橋路對臂上，以減小彎矩影響，橫向貼片R5和R7串接，R6和R8串接，作溫度補償時，接于另兩個橋臂上。

圖2-9圓柱（筒）式力傳感器（a）柱式；（b）筒式；（c）圓柱面展開圖；（d）橋路連接圖

2.應變式壓力傳感器

應變式壓力傳感器主要用來測量流動介質的動態(tài)和靜態(tài)壓力，如動力管道設備的進出口氣體或液體的壓力、發(fā)動機內部的壓力、槍管及炮管內部的壓力、內燃機管道的壓力等。應變片壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。

圖2-10膜片式壓力傳感器（a）結構圖；（b）應力分布圖；（c）應變片粘貼圖

3.應變式容器內液體重量傳感器圖2-11所示為插入式測量容器內液體重量的傳感器示意圖。該傳感器有一根傳壓桿，上端安裝微壓傳感器安裝了兩只。下端安裝感壓膜，感壓膜感受上面液體的壓力。

當容器中溶液增多時，感壓膜感受的壓力就增大。將其上兩個傳感器Rt的電橋接成正向串接的雙電橋電路，此時輸出電壓為

（2-52）

式中：K1，K2——傳感器傳輸系數(shù)。由于hg表征著感壓膜上面液體的重量，對于等截面的柱式容器，則

（2-53）

式中：Q——容器內感壓膜上面溶液的重量；A——柱形容器的截面積。將上兩式聯(lián)立，得到容器內感壓膜上面溶液重量與電橋輸出電壓之間的關系式為

（a）結構原理圖（b）橋路連接圖圖2-11應變片容器內液體重量傳感器1—感壓膜；2—傳壓桿；3—電阻應變敏感元件；4—微壓傳感器

上式表明，電橋輸出電壓與柱式容器內感壓膜上面溶液的重量成線性關系，因此用此種方法可以測量容器內儲存的溶液重量。

4.應變式加速度傳感器應變式加速度傳感器主要用于物體加速度的測量。圖2-12所示是應變片式加速度傳感器的結構示意圖，圖中1是等強度梁，自由端安裝質量塊2，另一端固定在殼體3上。等強度梁上粘貼4個電阻應變敏感元件4。為了調節(jié)振動系統(tǒng)阻尼系數(shù)，在殼體內充滿硅油。

圖2-12電阻應變式加速度傳感器結構圖1—質量塊；2—等強度梁；3—電阻應變敏感元件；4—殼體

測量時，將傳感器殼體與被測對象剛性連接，當被測物體以加速度運動時，質量塊受到一個與加速度方向相反的慣性力作用，使懸臂梁變形，該變形被粘貼在懸臂梁上的應變片感受到并隨之產(chǎn)生應變，從而使應變片的電阻發(fā)生變化。電阻的變化產(chǎn)生輸出電壓，即可得出加速度值的大小。應變片加速度傳感器不適用于頻率較高的振動和沖擊場合，一般適用頻率為10～60Hz范圍。

5.半導體力敏應變片在電子皮帶秤上的應用荷重傳感器是皮帶秤的關鍵組成部件，采用半導體力敏應變片作為敏感元件，這種傳感器靈敏度可達7～10mV/kg，額定壓力為5kg的荷重傳感器可輸出50mV左右。電子皮帶秤工作原理如圖2-13所示。

圖2-13電子皮帶秤工作原理示意圖1—料倉；2—電磁振動給料機；3—秤架；4—力敏荷重傳感器（包括放大器）；5—環(huán)行皮帶；6—支點；7—減速電機；8—物料

當未給料時，整個皮帶秤重量通過調節(jié)秤架上的平衡錘使之自重基本作用在支點6上，僅留很小一部分壓力作為傳感器預壓力。當電磁振動機開始給料時，通過皮帶運動，使物料平鋪在皮帶上。此時皮帶上物料重量一部分通過支點傳到基座，另一部分作用于傳感器上。

設每米物料重量為P，則傳感器受力為F，F(xiàn)=CP（C為系數(shù)，取決于傳感器距支點的距離）。當傳感器受力后，傳感器中的彈性元件將產(chǎn)生變形，因此，粘貼于彈性元件上的力敏應變電橋就有電壓信號U輸出，其值為

式中：U——應變電橋的電源電壓；R/R——應變片的相對變化。當U和R恒定時，U與受力成正比。因此U與P成正比。在皮帶速度V不變時，單位時間內皮帶上物料流量為Q=PV，即Q與P成正比。所以測量U的大小就間接地測量Q的大小。2.2氣敏傳感器

2.2.1分類、原理

用來檢測氣體類別、濃度和成分。主要用于工業(yè)上的天然氣、煤氣、石油化工等部門的易燃、易爆、有毒等有害氣體的監(jiān)測、預報和自動控制。按構成氣敏傳感器材料可分為半導體和非半導體兩大類。半導體氣敏傳感器是利用待測氣體與半導體表面接觸時，產(chǎn)生的電導率等物理性質變化來檢測氣體的。

1.半導體氣敏傳感器

按其制造工藝來分有燒結型、薄膜型和厚膜型3類。燒結型氣敏器件以SnO2半導體材料為基體，將鉑電極和加熱絲埋入SnO2材料中，用加熱、加壓、溫度為700℃～900℃的制陶工藝燒結成形。因此，被稱為半導體陶瓷。

（a）（b）圖2-14直熱式氣敏器件結構及符號（a）結構；（b）符號1—SnO2燒結體；2—Ir-Pd合金絲（加熱器兼電極）

（a）（b）圖2-15旁熱式氣敏器件結構及符號（a）結構；（b）符號1—加熱器；2—電極；3—SnO2燒結體；4—瓷絕緣管

薄膜型器件它采用蒸發(fā)或濺射工藝，在石英基片上形成氧化物半導體薄膜（其厚度約在100nm以下）制作方法也很簡單。厚膜型器件這種器件是將氧化物半導體材料與硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠，再把厚膜膠印刷到裝有電極的絕緣基片上，經(jīng)燒結制成的，適合大批量生產(chǎn)。

圖2-16薄膜型氣敏器件的結構 圖2-17厚膜型氣敏器件的結構

1—氧化物半導體；2—電極； 1—電極；2—氧化物半導體；

3—引線；4—基片；5—加熱器 3—基片；4—加熱器（印刷厚膜電阻）

這些器件全部附有加熱器，它的作用是將附著在敏感元件表面上的塵埃、油霧等燒掉，加速氣體的吸附。加熱器的溫度一般控制在200～400℃左右。

2．接觸燃燒式氣體傳感器1）接觸燃燒式氣體傳感器檢測原理當可燃性氣體如H2、CO、CH4等與空氣中的氧接觸，發(fā)生氧化反應，產(chǎn)生無焰接觸燃燒熱，使得傳感器中的鉑絲溫度升高，電阻值相應增大。因此，只要測定作為敏感件的鉑絲的電阻變化值（ΔR），就可檢測空氣中可燃性氣體的濃度。但是，使用單純的鉑絲線圈作為檢測元件，其壽命較短，所以，實際應用的檢測元件，都是在鉑絲圈外面涂覆一層氧化物觸媒。這樣既可以延長其使用壽命，又可以提高檢測元件的響應特性。

2）接觸燃燒式氣敏元件的結構圖2-18為接觸燃燒式氣敏元件結構示意圖，用高純的鉑絲，繞制成線圈，為了使線圈具有適當?shù)淖柚担?～2），一般應繞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成球狀多孔體。將燒結后的小球，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)過高溫熱處理，使在氧化鋁（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。除此之外，也可以將貴金屬觸媒粉體與氧化鋁、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。（a）（b）圖2-18接觸燃燒式氣敏元件結構示意圖（a）元件的內部示意圖；（b）敏感元件外形圖1—觸媒；2—氧化鋁載體；3—鉑絲；4—元件3）氧化鋯氧氣傳感器在二氧化鋯中添加氧化鈣、三氧化二釔等添加物后，其離子電導都將發(fā)生改變。尤其是在氧化鈣添加量為15%mol左右時，離子電導出現(xiàn)極大值。但是，由于二氧化鋯一氧化鈣固溶體的離子活性較低，要在高溫下，氣敏元件才有足夠的靈敏度。

2.2.2氣敏傳感器的主要要求選配氣敏傳感器時主要考慮氣敏傳感器的主要性能：對被測氣體具有較高的靈敏度。對被測氣體以外的共存氣體或物質不敏感。性能穩(wěn)定，重復性好。動態(tài)特性好，對檢測信號響應迅速。使用壽命長。制造成本低，使用與維護方便等。

2.2.3氣敏傳感器應用

1．礦井瓦斯超限報警器

1）電路組成及作用

QM-N5為旁熱式氣敏傳感器，它和R1、RP組成瓦斯氣體檢測電路；晶體管VS作為無觸點電子開關。

LC179型三模擬聲報警專用集成電路，它采用雙列8腳直插塑料硬封裝，內部集成了功率放大器，可直接驅動揚聲器發(fā)聲，可產(chǎn)生3種不同的模擬報警聲響，LC179的第1、2腳為外接振蕩電阻器端，可改變發(fā)聲音調；第3腳為負電源端；第4腳為音頻輸出端；第5腳為正電源端；第6、7腳為空腳端；第8腳為選聲端，當它“懸空”時，可產(chǎn)生模擬警車電笛聲；當它接電源正端時，可產(chǎn)生模擬消防車電笛聲；當它接電源負端時，可產(chǎn)生模擬救護車電笛聲。LC179的主要電參數(shù)：工作電壓范圍3V～4.5V，工作電流＜150μA，最大輸出電流可達150mA，工作溫度范圍－10℃～60℃。

圖2-19礦井瓦斯超限報警器

2）工作原理當無瓦斯或瓦斯?jié)舛群艿蜁r，QM-N5的A-B極間電阻很大，電位器RP滑動觸點電壓小于0.7V，VS不被觸發(fā)，警笛聲電路無電源不發(fā)聲；當瓦斯氣體超過安全標準時，A-B極間電阻迅速減小，當RP滑動觸點電壓大于0.7V，VS被觸發(fā)導通，警笛電路得電，發(fā)出報警聲。

2．有害氣體報警電路電路中晶體管VT采用U850，它是一種高增益的達林頓晶體管。在純潔的空氣中，氣敏傳感器的A-B間內阻較大，此時B點為低電位，VT不導通，因此，KD9561無工作電流而不報警。

當傳感器接觸到有害可燃氣體后，A-B間電阻變小，B點電位升高并向C2充電，當充電電位達到U850導通電位（約1.4V），VT導通，驅動報警器KD9561報警。一旦有害氣體濃度降低，使B電位低于1.4V時，VT截止，報警解除。若將本電路的負載改為繼電器，如圖2-20（b）所示，即可成為自動排氣控制裝置。

圖2-20有害氣體報警電路

3．實用酒精測試儀圖2-21所示為實用酒精測試儀的電路。該測試儀只要被試者向傳感器吹一口氣，便可顯示出醉酒的程度，確定被試者是否適宜駕駛車輛。氣體傳感器選用二氧化錫氣敏元件。當氣體傳感器探測不到酒精時，加在A的第5腳電平為低電平；當氣體傳感器探測到酒精時，其內阻變低，從而使A的第5腳電平變高。

A為顯示推動器，它共有10個輸出端，每個輸出端可以驅動一個發(fā)光二極管，顯示推動器A根據(jù)第5腳電壓高低來確定依次點亮發(fā)光二極管的級數(shù)，酒精含量越高則點亮二極管的級數(shù)越大。上面5個發(fā)光二極管為紅色，表示超過安全水平，酒精含量不超過0.05%。

圖2-21酒精測試儀電路

4．防酒后駕車控制器

圖中QM-J1為旁熱式氣敏傳感器元件，若司機沒有喝酒，或酒精濃度較低時，在駕駛室內合上開關S，此時氣敏器件間電阻很高，Ua為高電平，則U1為低電平，555定時器截止，U3為高電平，K2線圈失電，其常閉觸點K2-2閉合，綠燈VD1亮，常閉觸點K2-1閉合，發(fā)動機點火啟動。

圖2-22防止酒后駕車控制器原理圖

若司機酗酒，氣敏器件阻值急劇下降，使Ua為低電平，則U1為高電平，555定時器導通，U3為低電平，繼電器K2帶電吸合，K2-2常閉觸點斷開，常開觸點閉合，紅燈VD2亮，以示警告，常閉觸點K2-1斷開，發(fā)動機無法啟動。若司機拔出器敏器件，則繼電器K1失電，其常開觸點K1-1斷開，仍然無法啟動發(fā)動機。常閉觸點K1-2的作用是長期加熱氣敏器件，保證控制器處于準備工作的狀態(tài)。

2.3

濕敏傳感器

濕度是指大氣中的水蒸氣含量，通常采用絕對濕度和相對濕度兩種表示方法。絕對濕度是指在一定溫度和壓力條件下，每單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質量，單位為g/m3，一般用符號AH表示。相對濕度是指氣體的絕對濕度與同一溫度下達到飽和狀態(tài)的絕對濕度之比，一般用符號%RH表示。濕度的檢測已廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科技、生活等各個領域，濕度不僅與工業(yè)產(chǎn)品質量有關，而且是環(huán)境條件的重要指標。

濕敏傳感器是能夠感受外界濕度變化，并通過器件材料的物理或化學性質變化，將濕度轉化成有用信號的器件。濕敏器件只能直接暴露于待測環(huán)境中，不能密封。通常，對濕敏器件有下列要求：在各種氣體環(huán)境下穩(wěn)定性好，響應時間短，壽命長，有互換性，耐污染和受溫度影響小等。微型化、集成化及廉價是濕敏器件的發(fā)展方向。

2.3.1氯化鋰濕敏電阻

氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解，離子導電率發(fā)生變化而制成的測濕元件。它由引線、基片、感濕層與電極組成。

在氯化鋰（LiCl）溶液中，Li和Cl均以正負離子的形式存在，而Li+對水分子的吸引力強，離子水合程度高，其溶液中的離子導電能力與濃度成正比。當溶液置于一定溫濕場中，溶液將吸收水分，使?jié)舛冉档?，因此，其溶液電阻率增高。反之，環(huán)境相對濕度變低時，則溶液濃度升高，其電阻率下降，從而實現(xiàn)對濕度的測量。但其耐熱性差，不能用于露點以下測量，器件性能重復性不理想，使用壽命短。

圖2-23濕敏電阻結構示意圖 圖2-24氯化鋰濕度—電阻特性曲線

1—引線；2—基片；3—感濕層；4—金電極

2.3.2半導體陶瓷濕敏電阻

兩種以上的金屬氧化物半導體材料混合燒結而成為多孔陶瓷。這些材料有ZnO—LiO2—V2O5系、Si—Na2O—V2O5系、TiO2—MgO—Cr2O3系、Fe3O4等，前3種材料的電阻率隨濕度增加而下降，故稱為負特性濕敏半導體陶瓷，最后一種的電阻率隨濕度增加而增大，故稱為正特性濕敏半導體陶瓷。

1．負特性濕敏半導瓷的導電機理由于水分子中的氫原子具有很強的正電場，當水在半導瓷表面吸附時，就有可能從半導瓷表面俘獲電子，使半導瓷表面帶負電。如果該半導瓷是P型半導體，則由于水分子吸附使表面電勢下降，將吸引更多的空穴到達其表面，于是，其表面層的電阻下降。

若該半導瓷為N型，則由于水分子的附著使表面電勢下降，如果表面電勢下降較多，不僅使表面層的電子耗盡，同時吸引更多的空穴達到表面層，這些空穴稱為反型載流子。它們同樣可以在表面遷移而表現(xiàn)出電導特性。因此，由于水分子的吸附，使N型半導瓷材料的表面電阻下降。由此可見，不論是N型還是P型半導瓷，其電阻率都隨濕度的增加而下降。

2．正特性濕敏半導瓷的導電機理

當水分子附著半導瓷的表面使電勢變負時，導致其表面層電子濃度下降，但這還不足以使表面層的空穴濃度增加到出現(xiàn)反型程度，此時仍以電子導電為主。

于是，表面電阻將由于電子濃度下降而加大，這類半導瓷材料的表面電阻將隨濕度的增加而加大。如果對某一種半導瓷，它的晶粒間的電阻并不比晶粒內電阻大很多，那么表面層電阻的加大對總電阻并不起多大作用。

圖2-25幾種半導瓷濕敏負特牲 圖2-26Fe3O4半導瓷的正濕敏特牲

1—ZnO-LiO2-V2O5；2—Si-Na2O-V2O5；

3—TiO2-MgO-Cr2O3

3．典型半導瓷濕敏元件1）MgCr2O4—TiO2濕敏元件氧化鎂復合氧化物—二氧化鈦濕敏材料通常制成多孔陶瓷型“濕—電”轉換器件，它是負特牲半導瓷，MgCr2O4為P型半導體，它的電阻率低，阻值溫度特性好，兩面涂覆有多孔金電極。

金電極與引出線燒結在起，為了減少測量誤差、在陶瓷片外設置由鎳鉻絲制成的加熱線圈，以便對器件加熱清洗，排除惡劣氣氛對器件的污染。整個器件安裝在陶瓷基片上，電極引線一般采用鉑—銥合金。

圖2-27MgCr2O4—TiO2陶瓷濕度傳感器的結構 圖2-28MgCr2O4—TiO2陶瓷濕度傳感器

1—加熱線圈；2—濕敏陶瓷片；3—電極； 相對濕度與電阻的關系

4—引線圈電極；5—底板；6—引線

2）ZnO—Cr2O3陶瓷濕敏元件

ZnO—Cr2O3濕敏元件的結構是將多孔材料的金電極燒結在多孔陶瓷圓片的兩表面上，并焊上鉑引線，然后將敏感元件裝入有網(wǎng)眼過濾的方形塑料盒中用樹脂固定。

ZnO—Cr2O3傳感器能連續(xù)穩(wěn)定地測量濕度，而無須加熱除污裝置，因此功耗低于0.5W，體積小，成本低，是一種常用測濕傳感器。

圖2-29ZnO—Cr2O3陶瓷濕敏傳感器結構 圖2-30Fe3O4濕敏元件構造

1—外殼；2—燒結元件；3—電極；1—滑石板；2—金電極；

4—樹脂固封；5—引線；6—濾網(wǎng) 3—Fe3O4膠粒；4—引線

（3）四氧化三鐵（Fe3O4）濕敏器件四氧化三鐵濕敏器件由基片、電極和感濕膜組成?；现谱饕粚λ鬆罱痣姌O，然后將預先配制好的Fe3O4膠體液涂覆在梭狀金電極的表面，進行熱處理和老化。

Fe3O4膠體之間的接觸呈凹狀，粒子間的空隙使薄膜具有多孔性，當空氣相對濕度增大時，F(xiàn)e3O4膠膜吸濕，由于水分子的附著，降低粒間的電阻和增加更多的導流通路，所以元件阻值減小。當處于干燥環(huán)境中，膠膜脫濕，粒間接觸面減小，元件阻值增大。當環(huán)境溫度不同時，涂覆膜上所吸附的水分也隨之變化，使梭狀金電極之間的電阻產(chǎn)生變化。

Fe3O4濕敏器件在常溫、常濕下性能比較穩(wěn)定，有較強的抗結露能力，測濕范圍廣，有較為一致的濕敏特性和較好的溫度—濕度特性，但器件有較明顯的濕滯現(xiàn)象，響應時間長，吸濕過程（60%RH98%RH）需要2min，脫濕過程（98%RH12%RH）需5～7min。

2.2.3濕敏傳感器的應用1．直讀式濕度計其中RH為氯化鋰濕度傳感器。由VT1、VT2、T1等組成測濕電橋的電源，其振蕩頻率為250～1000Hz。電橋輸出經(jīng)變壓器T2、C3耦合到VT3、經(jīng)VT3放大后的信號，由VD1～VD4橋式整流后，輸入給微安表，指示出由于相對濕度的變化引起電流的改變，經(jīng)標定并把濕度刻劃在微安表盤上，就成為一個簡單而實用的直讀式濕度計了。

圖2-31直讀式濕度計電路圖

2．自動噴灌控制器電路工作原理

電源電路由電源變壓器T、整流橋UR、隔離二極管VD2、穩(wěn)壓二極管VS和濾波電容器C1、C2等組成。交流220V電壓經(jīng)T降壓、UR整流后，在濾波電容器C2兩端產(chǎn)生直流6V電壓。該電壓一路供給微型水泵的直流電動機（采用交流電動機的大、中型水泵使用交流220V電源供電，見圖中虛線所示）；另一路經(jīng)VD2降壓、VS穩(wěn)壓和C1濾波后，產(chǎn)生+5.6V電壓，供給VT1～VT3和繼電器K。

圖2-32自動噴灌控制電路

濕度傳感器插在土壤中，對土壤濕度進行檢測。當土壤濕度較高時，濕度傳感器兩電極之間的電阻值較小，使VT1、VT2導通，VT3截止，繼電器K不吸合，水泵電動機M不工作。當土壤濕度變小，使?jié)穸葌鞲衅鲀呻姌O之間的電阻值增大至一定值時，VT1和VT2將截止，使VT3導通，繼電器K吸合，其常開觸頭K接通，使水泵電動機M通電，噴水設施開始工作。

當土壤中的水分增加到一定程度，濕度傳感器兩電極間的電阻值減小至一定值時，VT1和VT2又導通，使VT3截止，繼電器K釋放，水泵電動機M停轉。當土壤水分減少至一定程度時，將重復進行上述過程，從而使土壤保持較恒定的濕度。

3．磚坯水分檢測器電路工作原理

組成：濕度檢測探頭、穩(wěn)壓基準電源、比較器、開關電路和聲光報警電路組成。穩(wěn)壓基準電源電路由電阻器R1和集成穩(wěn)壓器IC1組成，IC1選用TL431集成穩(wěn)壓器。比較器電路由集成電路IC2和電阻器R2、R3、電位器RP1、RP2等組成，IC2選用LM393集成電路。

開關電路由開關管VT1、二極管VD1、VD2和電阻器R4等組成。聲光報警電路由發(fā)光二極管VL1、VL2、電阻器R6、R7、音樂集成電路IC3、音頻放大管VT2和揚聲器BL等組成。IC3選用KD9561或LC179音效集成電路。

工作原理:

將濕度檢測探頭插入磚坯中，兩支檢測探頭之間的電阻值將隨著磚坯含水量的高低而變化。當磚坯的含水量在工藝允許范圍內，IC2a和IC2b均輸出高電平，使VD1、VD2和VT1均截止，揚聲器BL不響，發(fā)光二極管VL1和VL2均不亮。

當磚坯水分含量低于工藝允許值的下限時，兩檢測探頭之間的阻值較正常時偏大，使IC2a反相輸入端的電位增高，其輸出端變?yōu)榈碗娖剑筕D1和VTl均導通，綠色發(fā)光二極管VL1點亮，同時IC3和V2工作，揚聲器BL發(fā)出報警聲，提醒檢驗員磚坯的濕度不夠。

當磚坯水分含量高于工藝上限時，兩檢測探頭之間的阻值較正常時偏小，使IC2b的同相輸入端電位變低，其輸出端變?yōu)榈碗娖剑筕D2和VT1均導通，紅色發(fā)光二極管VL2點亮，IC3和VT2工作，揚聲器BL發(fā)出報警聲，提醒檢驗員磚坯的含水量過高。

圖2-33磚坯水分檢測器電路

4．汽車擋風玻璃自動去濕電路

圖中RS為嵌入玻璃的加熱電阻絲，H為結露感濕器件；晶體管VT1和VT2接成施密持觸發(fā)電路，VT2的集電極負載為繼電器K的線圈繞組。

VT1基極電阻為R1，R2和濕敏器件H的等效電阻RP并聯(lián)。使在常溫、常濕下VT1導通，VT2截止。一旦由于陰雨使?jié)穸仍龃?，濕敏器件H的等效電阻RP值下降到某一特定值，R2與RP并聯(lián)的電阻值減小，VT1截止，VT2導通，VT2的集電極負載一繼電器K線圈通電，它的常開觸點Ⅱ接通電源Ec，小燈泡L點亮，電阻絲Rs通電，擋風玻璃被加熱，驅散濕氣。

當濕度減少到一定程度，施密特觸發(fā)電路又翻轉到初始狀態(tài)，小燈泡L熄滅，電阻絲Rs斷電，實現(xiàn)了自動防濕控制。

圖2-34汽車擋風玻璃自動去濕電路（a）擋風玻璃示意圖；（b）電路原理圖

5．濕度控制儀由兩個與非門H1和H2組成RC振蕩器，振蕩頻率為2.5kHz，輸出電壓為4V，經(jīng)RP1、Rs分壓，VD1整流，再經(jīng)R3、RP2分壓后送至VT3。Rs