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濕度傳感器原理與應(yīng)用知識

隨著時代的發(fā)展,科研、農(nóng)業(yè)、暖通、紡織、機房、航空航天、電力等工業(yè)部門,越來越需要采用濕度傳

感器,對產(chǎn)品質(zhì)量的要求越業(yè)越高,對環(huán)境溫、濕度的控制以及對工業(yè)材料水份值的監(jiān)測與分析都巳成為

比較普遍的技術(shù)條件之一。濕度傳感器產(chǎn)品及濕度測量屬于90年代興起的行業(yè)。如何使用好濕度傳感器,

如何判斷濕度傳感器的性能,這對一般用戶來講,仍是一件較為復(fù)雜的技術(shù)問題。一、濕度傳感器的分類濕度傳感器,基本形式都為利用濕敏材料對水分子的吸附能力或?qū)λ肿赢a(chǎn)生物理效應(yīng)的方法測量濕度。

有關(guān)濕度測量,早在16世紀就有記載。許多古老的測量方法,如干濕球溫度計、毛發(fā)濕度計和露點計等

至今仍被廣泛采用?,F(xiàn)代工業(yè)技術(shù)要求高精度、高可靠和連續(xù)地測量濕度,因而陸續(xù)出現(xiàn)了種類繁多的濕

敏元件。濕敏元件主要分為二大類:水分子親和力型濕敏元件和非水分子親和力型濕敏元件。利用水分子有較大的偶極矩,易于附著并滲透入固體表面的特性制成的濕敏元件稱為水分子親和力型濕敏元件。例如,利用水分子附著或浸入某些物質(zhì)后,其電氣性能(電阻值、介電常數(shù)等)發(fā)生變化的特性可制成電阻式濕敏元件、電容式濕敏元件;利用水分子附著后引起材料長度變化,可制成尺寸變化式濕敏元件,如毛發(fā)濕度計。金屬氧化物是離子型結(jié)合物質(zhì),有較強的吸水性能,不僅有物理吸附,而且有化學(xué)吸附,可制成金屬氧化物濕敏元件。這類元件在應(yīng)用時附著或浸入被測的水蒸氣分子,與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氫氧化物,或一經(jīng)浸入就有一部分殘留在元件上而難以全部脫出,使重復(fù)使用時元件的特性不穩(wěn)定,測量時有較大的滯后誤差和較慢的反應(yīng)速度。目前應(yīng)用較多的均屬于這類濕敏元件。另一類非親和力型濕敏元件利用其與水分子接觸產(chǎn)生的物理效應(yīng)來測量濕度。例如,利用熱力學(xué)方法測量的熱敏電阻式濕度傳感器,利用水蒸氣能吸收某波長段的紅外線的特性制成的紅外線吸收式濕度傳感器等。1、電解質(zhì)濕敏元件利用潮解性鹽類受潮后電阻發(fā)生變化制成的濕敏元件。最常用的是電解質(zhì)氯化鋰(LiCl)。從1938年頓蒙發(fā)明這種元件以來,在較長的使用實踐中,對氯化鋰的載體及元件尺寸作了許多改進,提高了響應(yīng)速度和擴大測濕范圍。氯化鋰濕敏元件的工作原理是基于濕度變化能引起電介質(zhì)離子導(dǎo)電狀態(tài)的改變,使電阻值發(fā)生變化。結(jié)構(gòu)形式有頓蒙式和含浸式。頓蒙式氯化鋰濕敏元件是在聚苯乙烯圓筒上平行地繞上鈀絲電極,然后把皂化聚乙烯醋酸酯與氯化鋰水溶液混合液均勻地涂在圓筒表面上制成,測濕范圍約為相對濕度30%。含浸式氯化鋰濕敏元件是由天然樹皮基板用氯化鋰水溶液浸泡制成的。植物的髓脈具有細密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),有利于水分子的吸入和放出。70年代研制成功玻璃基板含浸式濕敏元件,采用兩種不同濃度的氯化鋰水溶液浸泡多孔無堿玻璃基板(孔徑平均500埃),可制成測濕范圍為相對濕度20?80%的元件。氯化鋰元件具有滯后誤差較小,不受測試環(huán)境的風速影響,不影響和破壞被測濕度環(huán)境等優(yōu)點,但因其基

本原理是利用潮解鹽的濕敏特性,經(jīng)反復(fù)吸濕、脫濕后,會引起電解質(zhì)膜變形和性能變劣,尤其遇到高濕

及結(jié)露環(huán)境時,會造成電解質(zhì)潮解而流失,導(dǎo)致元件損壞。2、高分子材料濕敏元件利用有機高分子材料的吸濕性能與膨潤性能制成的濕敏元件。吸濕后,介電常數(shù)發(fā)生明顯變化的高分子電

介質(zhì),可做成電容式濕敏元件。吸濕后電阻值改變的高分子材料,可做成電阻變化式濕敏元件。常用的高

分子材料是醋酸纖維素、尼龍和硝酸纖維素等。高分子濕敏元件的薄膜做得極薄,一般約5000埃,使元

件易于很快的吸濕與脫濕,減少了滯后誤差,響應(yīng)速度快。這種濕敏元件的缺點是不宜用于含有機溶媒氣體

的環(huán)境,元件也不能耐80r以上的高溫。3、金屬氧化物膜濕敏元件許多金屬氧化物如氧化鋁、四氧化三鐵、鉭氧化物等都有較強的吸脫水性能,將它們制成燒結(jié)薄膜或涂布薄膜可制作多種濕敏元件。把鋁基片置于草酸、硫酸或銘酸電解槽中進行陽極氧化,形成氧化鋁多孔薄膜,通過真空蒸發(fā)或濺射工藝,在薄膜上形成透氣性電極。這種多孔質(zhì)的氧化鋁濕敏元件互換性好,低濕范圍測濕的時間響應(yīng)速度較快,滯后誤差小,常用于高空氣球上測濕。四氧化三鐵膠體的優(yōu)點是固有電阻低,長期置于大氣環(huán)境表面狀態(tài)不會變化,膠體粒子間相互吸引粘結(jié)緊密等。它是一種價廉物美,較早投入批量生產(chǎn)的濕敏元件,在濕度測量和濕度控制方面都有大量應(yīng)用。4、金屬氧化物陶瓷濕敏元件將極其微細的金屬氧化物顆粒在高溫1300°C下燒結(jié),可制成多孔體的金屬氧化物陶瓷,在這種多孔體表面加上電極,引出接線端子就可做成陶瓷濕敏元件。濕敏元件使用時必須裸露于測試環(huán)境中,故油垢、塵土和有害于元件的物質(zhì)(氣、固體)都會使其物理吸附和化學(xué)吸附性能發(fā)生變化,引起元件特性變壞。而金屬氧化物陶瓷濕敏元件的陶瓷燒結(jié)體物理和化學(xué)狀態(tài)穩(wěn)定,可以用加熱去污方法恢復(fù)元件的濕敏特性,而且燒結(jié)體的表面結(jié)構(gòu)極大地擴展元件表面與水蒸氣的接觸面積,使水蒸氣易于吸著和脫去,還可通過控制元件的細微構(gòu)造使物理性吸附占主導(dǎo)地位,獲得最佳的濕敏特性。因此陶瓷濕敏元件的使用壽命長、元件特性穩(wěn)定,是目前最有可能成為工程應(yīng)用的主要濕敏元件之一。陶瓷濕敏元件的使用溫度為0?160C。在諸多的金屬氧化物陶瓷材料中,由銘酸鎂一二氧化鈦固溶體組成的多孔性半導(dǎo)體陶瓷是性能較好的濕敏材料,它的表面電阻率能在很寬的范圍內(nèi)隨著濕度的變化而變化,而且能在高溫條件下進行反復(fù)的熱清洗,性能仍保持不變。5、熱敏電阻式濕度傳感器利用熱敏電阻作濕敏元件。傳感器中有組成橋式電路的珠狀熱敏電阻R1和R2,電源供給的電流使R1、R2保持在200C左右的溫度。其中R2裝在密封的金屬盒內(nèi),內(nèi)部封裝著干燥空氣,R1置于與大氣相接觸的開孔金屬盒內(nèi)。將R1先置于干燥空氣中,調(diào)節(jié)電橋平衡,使輸出端A、B間電壓為零,當R1接觸待測含濕空氣時,含濕空氣與干燥空氣產(chǎn)生熱傳導(dǎo)差,使R1受冷卻,電阻值增高,A、B間產(chǎn)生輸出電壓,其值與濕度變化有關(guān)。熱敏電阻式濕敏傳感器的輸出電壓與絕對濕度成比例,因而可用于測量大氣的絕對濕度。傳感器是利用濕度與大氣導(dǎo)熱率之間的關(guān)系作為測量原理的,當大氣中混入其他特種氣體或氣壓變化時,測量結(jié)果會有程度不同的影響。此外,熱敏電阻的位置對測量也有很大影響。但這種傳感器從可靠性、穩(wěn)定性和不必特殊維護等方面來看,很有特色,現(xiàn)巳用于空調(diào)機濕度控制,或制成便攜式絕對濕度表、直讀式露點計、相對濕度計、水分計等。6、紅外線吸收式濕度傳感器利用水蒸氣能吸收某波段的紅外線制成的濕度傳感器。60年代中期,美國氣象局以波長為1.37微米和1.25微米的紅外光分別作敏感光束和參考光束,研制成紅外線吸收式濕度傳感器。這種傳感器采用裝有入0濾光片和入濾光片的旋轉(zhuǎn)濾光片,當光源通過旋轉(zhuǎn)濾光片時,輪流地選擇波長為入0和入的紅外光束,兩條光束通過被測濕度的樣氣抵達光敏元件,由于波長為入0的光束不被水蒸氣吸收,其光強仍為10,波長為入的光束被水蒸氣部分吸收,光強衰減為I。采用朗伯一貝爾法測量:式中I0為光源光強度,I為光敏元件處的光強度,E為吸收系數(shù),c為待測含水蒸氣的濃度,1為光路長度。

根據(jù)光強度的變化,將光敏元件上的信號處理后可獲得正比于水蒸氣濃度c的電信號。紅外線吸收式濕度

傳感器屬非水分子親和力型濕敏元件,測量精度和靈敏度較高,能夠測量高溫或密封場所的氣體濕度,也

能解決其他濕度傳感器不能解決的大風速或通風孔道環(huán)境中的濕度測量問題。缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,光路系統(tǒng)

存在溫度漂移現(xiàn)象。7、微波式濕度傳感器利用微波電介質(zhì)共振系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)隨濕度變化的機理制成的傳感器。微波共振器采用氧化鎂-氧化鈣-二

氧化鈦陶瓷體,共振器與耦合環(huán)構(gòu)成共振系統(tǒng),含水蒸氣的氣體進入傳感器腔體后改變原共振系統(tǒng)的品質(zhì)

因數(shù),其微波損失量與濕度成線性關(guān)系。這種傳感器的測濕范圍為相對濕度40?95%,在溫度0?50°C

時,精度可達±2%。微波式濕度傳感器具有非水分子親和力型濕敏元件的優(yōu)點,又由于采用陶瓷材料作共

振系統(tǒng),故可加熱清洗,且堅固耐用。缺點是對微波電路穩(wěn)定性要求甚高。8、超聲波式濕度傳感器超聲波在空氣中的傳播速度與溫度、濕度有關(guān),利用這一特性可制成超聲波式濕度傳感器。傳感器由超聲

波氣溫計和鉑絲電阻測溫計組成,前者的測量數(shù)據(jù)與濕度有關(guān),后者的測量數(shù)據(jù)只與溫度有關(guān),按照超聲

波在干燥空氣和含濕空氣中的傳播速度可計算出空氣的絕對濕度。超聲波濕度傳感器有很多優(yōu)點,它的測

濕數(shù)據(jù)比較準確,響應(yīng)速度快,可以測出某一極小范圍的絕對濕度而不受輻射熱的影響。這種傳感器尚處

于研制階段。二、濕度傳感器的選型國內(nèi)外各廠家的濕度傳感器產(chǎn)品水平不一,質(zhì)量價格都相差較大,用戶如何選擇性能價格比最優(yōu)的理想產(chǎn)

品確有一定難度,需要在這方面作深入的了解。濕度傳感器具有如下特點:1、精度和長期穩(wěn)定性濕度傳感器的精度應(yīng)達到土2%~±5%RH,達不到這個水平很難作為計量器具使用,濕度傳感器要達到土

2%~±3%RH的精度是比較困難的,通常產(chǎn)品資料中給出的特性是在常溫(20C±10C)和潔凈的氣體

中測量的。在實際使用中,由于塵土、油污及有害氣體的影響,使用時間一長,會產(chǎn)生老化,精度下降,

濕度傳感器的精度水平要結(jié)合其長期穩(wěn)定性去判斷,一般說來,長期穩(wěn)定性和使用壽命是影響濕度傳感器

質(zhì)量的頭等問題,年漂移量控制在1%RH水平的產(chǎn)品很少,一般都在±2%左右,甚至更高。2、濕度傳感器的溫度系數(shù)濕敏元件除對環(huán)境濕度敏感外,對溫度亦十分敏感,其溫度系數(shù)一般在0.2~0.8%RH/°C范圍內(nèi),而且有的濕敏元件在不同的相對濕度下,其溫度系數(shù)又有差別。溫漂非線性,這需要在電路上加溫度補償式。采用單片機軟件補償,或無溫度補償?shù)臐穸葌鞲衅魇潜WC不了全溫范圍的精度的,濕度傳感器溫漂曲線的線性化直接影響到補償?shù)男Ч蔷€性的溫漂往往補償不出較好的效果,只有采用硬件溫度跟隨性補償才會獲得真實的補償效果。濕度傳感器工作的溫度范圍也是重要參數(shù)。多數(shù)濕敏元件難以在40C以上正常工作。3、濕度傳感器的供電金屬氧化物陶瓷,高分子聚合物和氯化鋰等濕敏材料施加直流電壓時,會導(dǎo)致性能變化,甚至失效,所以

這類濕度傳感器不能用直流電壓或有直流成份的交流電壓。必須是交流電供電。4、互換性目前,濕度傳感器普遍存在著互換性差的現(xiàn)象,同一型號的傳感器不能互換,嚴重影響了使用效果,給維

修、調(diào)試增加了困難,有些廠家在這方面作出了種種努力,取得了較好效果。5、濕度校正校正濕度要比校正溫度困難得多。溫度標定往往用一根標準溫度計作標準即可,而濕度的標定標準較難實

現(xiàn),干濕球溫度計和一些常見的指針式濕度計是不能用來作標定的,精度無法保證,因其要求環(huán)境條件非

常嚴格,一般情況,(最好在濕度環(huán)境適合的條件下)在缺乏完善的檢定設(shè)備時,通常用簡單的飽和鹽溶

液檢定法,并測量其溫度。幾種典型濕度傳感器的原理和概要分析一一論文濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類。濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜,當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時,元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化,利用這一特性即可測量濕度。濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的,常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。當環(huán)境濕度發(fā)生改變時,濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化,使其電容量也發(fā)生變化,其電容變化量與相對濕度成正比。電子式濕敏傳感器的準確度可達2-3%RH,這比干濕球測濕精度高。濕敏元件的線性度及抗污染性差,在檢測環(huán)境濕度時,濕敏元件要長期暴露在待測環(huán)境中,很容易被污染而影響其測量精度及長期穩(wěn)定性。這方面沒有干濕球測濕方法好。下面對各種濕度傳感器進行簡單的介紹。1、氯化鋰濕度傳感器(1)電阻式氯化鋰濕度計第一個基于電阻-濕度特性原理的氯化鋰電濕敏元件是美國標準局的F.W.Dunmore研制出來的。這種元件具有較高的精度,同時結(jié)構(gòu)簡單、價廉,適用于常溫常濕的測控等一系列優(yōu)點。氯化鋰元件的測量范圍與濕敏層的氯化鋰濃度及其它成分有關(guān)。單個元件的有效感濕范圍一般在20%RH以內(nèi)。例如0.05%的濃度對應(yīng)的感濕范圍約為(80?100)%RH,0.2%的濃度對應(yīng)范圍是(60?80)%RH等。由此可見,要測量較寬的濕度范圍時,必須把不同濃度的元件組合在一起使用??捎糜谌砍虦y量的濕度計組合的元件數(shù)一般為5個,采用元件組合法的氯化鋰濕度計可測范圍通常為(15?100)%RH,國外有些產(chǎn)品聲稱其測量范圍可達(2?100)%RH。(2)露點式氯化鋰濕度計露點式氯化鋰濕度計是由美國的Forboro公司首先研制出來的,其后我國和許多國家都做了大量的研究工作。這種濕度計和上述電阻式氯化鋰濕度計形式相似,但工作原理卻完全不同。簡而言之,它是利用氯化鋰飽和水溶液的飽和水汽壓隨溫度變化而進行工作的。2、碳濕敏元件碳濕敏元件是美國的E.K.Carver和C.W.Breasefield于1942年首先提出來的,與常用的毛發(fā)、腸衣和氯化鋰等探空元件相比,碳濕敏元件具有響應(yīng)速度快、重復(fù)性好、無沖蝕效應(yīng)和滯后環(huán)窄等優(yōu)點,因之令人矚目。我國氣象部門于70年代初開展碳濕敏元件的研制,并取得了積極的成果,其測量不確定度不超過士5%RH,時間常數(shù)在正溫時為2?3s,滯差一般在7%左右,比阻穩(wěn)定性亦較好。3、氧化鋁濕度計氧化鋁傳感器的突出優(yōu)點是,體積可以非常?。ɡ缬糜谔娇諆x的濕敏元件僅90pm厚、12mg重),靈敏度高(測量下限達-110°C露點),響應(yīng)速度快(一般在0.3s到3s之間),測量信號直接以電參量的形式輸出,大大簡化了數(shù)據(jù)處理程序,等等。另外,它還適用于測量液體中的水分。如上特點正是工業(yè)和氣象中的某些測量領(lǐng)域所希望的。因此它被認為是進行高空大氣探測可供選擇的幾種合乎要求的傳感器之一。也正是因為這些特點使人們對這種方法產(chǎn)生濃厚的興趣。然而,遺憾的是盡管許多國家的專業(yè)人員為改進傳感器的性能進行了不懈的努力,但是在探索生產(chǎn)

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