傳感器及RFID技術(shù)應(yīng)用（第二版）氣體和濕度測(cè)量

氣體和濕度測(cè)量

傳感器及RFID應(yīng)用技術(shù)氣體和濕度測(cè)量氣體測(cè)量1濕度測(cè)量2了解氣體的檢測(cè)方法，掌握常用氣敏傳感器的主要特性。了解濕度的表示方法，掌握濕度傳感器的主要特性；了解半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器、有機(jī)高分子濕度傳感器的基本結(jié)構(gòu)和感濕特性。了解加濕、除濕技術(shù)。知識(shí)要點(diǎn)學(xué)會(huì)使用氣體傳感器等檢測(cè)、監(jiān)控環(huán)境，學(xué)會(huì)使用濕度傳感器實(shí)現(xiàn)濕度的檢測(cè)、報(bào)警，和控制。技能要點(diǎn)項(xiàng)目目標(biāo)設(shè)計(jì)自動(dòng)控制排氣扇，具有有害氣體報(bào)警、風(fēng)扇啟停功能。任務(wù)目標(biāo)傳感器是信息采集的首要部件。一、氣體測(cè)量一）氣敏傳感器1、氣體檢測(cè)方法

我們生活在氣體的環(huán)境之中，氣體與我們的日常生活密切相關(guān)。我們對(duì)氣體的感知是用鼻子這個(gè)器官，而氣敏傳感器其作用就相當(dāng)于我們的鼻子，可“嗅”出空氣中某種特定的氣體或判斷特定氣體的濃度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體成分的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，以改善人們的生活水平，保障人們的生命安全。需要檢測(cè)的氣體種類繁多，它們的性質(zhì)也各不相同，所以不可能用一種方法來(lái)檢測(cè)所有氣體。對(duì)氣體的分析方法也隨氣體的種類、成分、濃度和用途而異。目前主要應(yīng)用的氣體檢測(cè)方法有電氣法、電化學(xué)法和光學(xué)法等。1）電氣法是利用氣敏器件（主要是半導(dǎo)體氣敏器件）檢測(cè)氣體，是目前應(yīng)用最為廣泛的氣體檢測(cè)方法。2）電化學(xué)法是利用電化學(xué)方法，使用電極與電解液對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)。3）光學(xué)法是利用氣體的光學(xué)折射率或光吸收等特性檢測(cè)氣體。傳感器是信息采集的首要部件。一、氣體測(cè)量一）氣敏傳感器2、半導(dǎo)體氣體傳感器

半導(dǎo)體氣體傳感器主要是以氧化物半導(dǎo)體為基本材料制成，當(dāng)半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸時(shí)，氣體吸附于元件表面，使得半導(dǎo)體的導(dǎo)電率發(fā)生變化，從而檢測(cè)待測(cè)氣體的成分及濃度。半導(dǎo)體氣體傳感器大體上分為電阻式和非電阻式兩種。電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器是用氧化錫、氧化鋅等金屬氧化物材料制作的敏感元件，利用其阻值的變化來(lái)檢測(cè)氣體的濃度。非電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器主要有金屬/半導(dǎo)體結(jié)型二極管和金屬柵的MOS場(chǎng)效應(yīng)管的傳感器，利用它們與氣體接觸后整流特性或閾值電壓的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的測(cè)量。在此只介紹電阻式氣體傳感器。1）氣敏電阻工作原理氣敏電阻的材料是金屬氧化物如氧化錫、氧化鋅等，它們?cè)诔叵率墙^緣的，制成半導(dǎo)體后卻顯出氣敏特性。元件工作在空氣中空氣中的氧、二氧化氮這樣的氧化性氣體——電子接收性氣體，接受來(lái)自半導(dǎo)體材料的電子，結(jié)果使N型半導(dǎo)體材料的載流子數(shù)量減少，使表面電導(dǎo)率減小。元件處于高阻狀態(tài)元件電阻減小元件與被測(cè)還原性氣體（電子供給性氣體（如H2、CO、碳?xì)浠衔锖途祁悾┙佑|，半導(dǎo)體的載流子增多。

例如，用氧化錫制成的氣敏元件，在常溫下吸附某種氣體后，其電導(dǎo)率變化不大，若保持這種氣體濃度不變，該元件的電導(dǎo)率隨元件本身溫度的升高而增加。由上可知，氣敏電阻工作時(shí)需要本身的溫度比環(huán)境溫度高很多。因此，氣敏電阻結(jié)構(gòu)上有電阻絲加熱器。氣敏元件的測(cè)量電路、輸出電壓與溫度的關(guān)系如圖4-1所示。為什么氣敏元器件要工作在高溫狀態(tài)？答：該類氣敏元件通常工作在高溫狀態(tài)（200~450℃），目的是為了加速上述的氧化還原反應(yīng)。圖4-1氣敏元件的測(cè)量電路及氣敏元件

輸出電壓與溫度的關(guān)系2）氧化錫氣敏器件SnO2是一種白色粉末狀的金屬氧化物，其多結(jié)晶體材料具有氣敏特性。分類燒結(jié)型薄膜型厚膜型薄膜型SnO2氣敏元件一般是在絕緣基板上蒸發(fā)或?yàn)R射一層SnO2薄膜，再引出電極即成。這種器件制作方法簡(jiǎn)單，但器件特性一致性差，靈敏度不如燒結(jié)型器件高。厚膜型SnO2氣敏元件一般采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制作，器件強(qiáng)度好，特性比較一致，便于生產(chǎn)。燒結(jié)型這種器件是以多孔質(zhì)陶瓷SnO2為基本材料，添加不同物質(zhì)，采用傳統(tǒng)制陶工藝進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)時(shí)在材料中埋入加熱電阻絲和測(cè)量電極，制成管芯，然后將加熱電阻絲和測(cè)量電極引線焊在管座上，并將管芯罩覆在不銹鋼網(wǎng)中而制成器件。

這種器件主要用于檢測(cè)還原性氣體、可燃性氣體和液體蒸汽。器件工作時(shí)需加熱至300℃左右按其加熱方式不同，又分為直熱式和旁熱式兩種氣敏器件。（1）燒結(jié)型SnO2氣敏器件①直熱式SnO2氣敏器件直熱式器件的結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。工作時(shí)加熱電阻絲通電加熱，使器件達(dá)到工作溫度，測(cè)量電極絲用于器件電阻值變化的測(cè)量。

這種器件的優(yōu)點(diǎn)是：制造工藝簡(jiǎn)單、功耗小、成本低，可在高壓回路中使用，可制成價(jià)格低廉的可燃?xì)怏w報(bào)警器。

這種器件的缺點(diǎn)是：熱容量小，易受環(huán)境氣流的影響，測(cè)量回路和加熱回路之間沒(méi)有隔離，互相影響。圖4-2直熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)與符號(hào)②旁熱式SnO2氣敏器件旁熱式氣敏器件如圖4-3所示。其管芯增加了一個(gè)陶瓷管，在管內(nèi)放進(jìn)一個(gè)高阻加熱絲，管外涂梳狀金材料電極作測(cè)量極，在金材料電極外涂SnO2材料。這種結(jié)構(gòu)克服了直熱式器件的缺點(diǎn)，其測(cè)量極與加熱電阻絲分開(kāi)，加熱絲不與熱敏材料接觸，避免了測(cè)量回路與加熱回路之間的互相影響。而且器件熱容量大，降低了環(huán)境氣溫對(duì)器件加熱溫度的影響，并容易保持SnO2材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。圖4-3旁熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)與符號(hào)傳感器是信息采集的首要部件。一、氣體測(cè)量一）氣敏傳感器3、常見(jiàn)氣敏傳感器及應(yīng)用

1）QM-N5型氣敏傳感器及應(yīng)用QM-N5是一種應(yīng)用廣泛的國(guó)產(chǎn)氣敏傳感器，它由絕緣陶瓷管、加熱器、電極及氧化錫燒結(jié)體等構(gòu)成。工作時(shí)，電熱絲通電加熱，當(dāng)無(wú)被測(cè)氣體流入時(shí)，由于空氣中的氧成分大體上是恒定的，因而氧的吸附量也是恒定的，氣敏元件的阻值大致保持不變。當(dāng)有被測(cè)氣體流入，元件表面將產(chǎn)生吸附作用，元件的阻值將隨氣體濃度增加而減小，然后由測(cè)量回路按照濃度和阻值的變化關(guān)系即可推算出氣體的濃度。QM-N5型氣敏傳感器的極間電壓為10V，加熱電壓為5±0.5V，負(fù)載電阻為2kW，適用環(huán)境溫度為-20~40℃。適用于檢測(cè)煤氣、液化石油氣、煤油、汽油、乙炔、乙醇、酒精、氫氣、硫化氫、一氧化碳、烷類氣體、烯類氣體、氨類氣體及煙霧等。圖4-4QM-N5外形和符號(hào)圖4-4為QM-N5外形和符號(hào)。其中A、B為信號(hào)電極（電極），H為加熱絲極（絲極）。（1）集成可燃性氣體檢測(cè)器集成可燃性氣體檢測(cè)器電路如圖4-5所示圖4-4集成可燃性氣體檢測(cè)器9V直流電源經(jīng)電阻RP1限流，為QM-N5的絲極h-h提供了110mA左右的電流；將A-A與B-B測(cè)量極預(yù)熱。

在清潔的空氣中，兩測(cè)量極間的電阻較大，B-B端對(duì)地電位較低，氣敏元件無(wú)信號(hào)輸出，1IC為SL322型發(fā)光顯示電平指示驅(qū)動(dòng)電路，其①腳為第一組的輸入端，無(wú)信號(hào)輸入時(shí)③~⑦、?~?腳均為低電位，因此，2IC、3IC均不工作，無(wú)報(bào)警信號(hào)。其工作原理是：

當(dāng)氣敏元件的檢測(cè)到一定濃度的可燃?xì)怏w時(shí)，兩測(cè)量極間的電阻減小，B-B端對(duì)地電位上升，使1IC的①腳的電壓也上升，當(dāng)電壓升高到0.2V時(shí)，1IC的③腳立即由低電位變?yōu)楦唠娢?，這時(shí)2IC、3IC相繼工作。2IC、3IC均為5G1555組成的自激多諧振蕩器，不過(guò)2IC工作在超低頻，而3IC工作在音頻范圍內(nèi)。適當(dāng)調(diào)整R1或R2，使2IC工作頻率為1Hz，這時(shí)作指示燈用的發(fā)光二極管LED將閃爍發(fā)光，電壓蜂鳴器YD便發(fā)出“嘀、嘀”的報(bào)警聲。家庭用液化氣報(bào)警器家庭用煤氣報(bào)警器（2）礦燈瓦斯報(bào)警器礦燈瓦斯報(bào)警器如圖4-5所示圖4-5礦燈瓦斯報(bào)警器

當(dāng)瓦斯?jié)舛容^低時(shí)，由于電位器RP的輸出電壓較低，VT1截止，所以VT2、VT3也截止，礦燈不閃爍報(bào)警。

當(dāng)?shù)V內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸^(guò)設(shè)定濃度時(shí)，電位器RP的輸出電壓增加，通過(guò)二極管VD加到三極管VT1的基極，使VT1導(dǎo)通，從而使VT2、VT3得到供電而開(kāi)始工作，由VT2、VT3、R2、R3、C1和C2組成的是一個(gè)互補(bǔ)式自激多諧振蕩器驅(qū)動(dòng)繼電器開(kāi)關(guān)K不斷地?cái)嚅_(kāi)和閉合，使礦燈形成閃光，說(shuō)明瓦斯?jié)舛纫殉^(guò)了設(shè)定值。其工作原理是：調(diào)試方法：通電15min后，先將電位器RP調(diào)到輸出為零的一端，再將礦燈瓦斯報(bào)警器置于設(shè)定濃度的瓦斯氣樣中，緩慢調(diào)節(jié)電位器RP，使報(bào)警器剛好產(chǎn)生報(bào)警即可。傳感器是信息采集的首要部件。一、氣體測(cè)量一）氣敏傳感器3、常見(jiàn)氣敏傳感器及應(yīng)用

2）TGS系列氣敏傳感器及應(yīng)用TGS系列氣敏傳感器是日本費(fèi)加羅公司生產(chǎn)的半導(dǎo)體氣敏傳感器。當(dāng)吸附還原性氣體（例如液化氣、天然氣、氫氣、一氧化碳、有機(jī)溶劑及蒸汽等）時(shí)，電導(dǎo)率上升。當(dāng)恢復(fù)到清潔空氣中時(shí)，電導(dǎo)率恢復(fù)。TGS傳感器就是將這種電導(dǎo)率變化，以輸出電壓的方式取出，從而檢測(cè)出氣體的濃度。圖4-6TGS系列氣敏傳感器（1）實(shí)用酒精測(cè)試儀圖4-7為酒精測(cè)試儀電路。該測(cè)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，確定被試者是否還適宜駕駛車輛。氣體傳感器選用二氧化錫氣敏傳感器TGS-812。此類儀器目前已在國(guó)內(nèi)一些大城市投入使用，并成為交警的必備標(biāo)準(zhǔn)裝備。圖4-7酒精測(cè)試儀電路當(dāng)氣體傳感器探測(cè)不到酒精時(shí)，加在A5腳的電平為低電平；當(dāng)氣體傳感器探測(cè)到酒精時(shí)，其內(nèi)阻變低，從而使A5腳電平變高。圖4-7中A為顯示驅(qū)動(dòng)器，它共有十個(gè)輸出端，每個(gè)輸出端可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)發(fā)光二極管，顯示驅(qū)動(dòng)器A根據(jù)第⑤腳電平高低來(lái)確定依次點(diǎn)亮發(fā)光二極管的個(gè)數(shù)，酒精含量越高則點(diǎn)亮二極管的個(gè)數(shù)越多。上五個(gè)發(fā)光二極管為紅色，表示超過(guò)安全水平。下五個(gè)發(fā)光二極管為綠色，表示安全水平（酒精含量不超過(guò)0.5%）。工作過(guò)程：（2）有害氣體報(bào)警器

MQK-2傳感器為國(guó)產(chǎn)氣敏傳感器，具有以下特點(diǎn)：MQK-2A適合于天然氣、城市煤氣、石油液化氣、丙丁烷和氮?dú)獾龋籑QK-2B適合于檢測(cè)煙霧等減光型有害氣體的檢測(cè)。特性參數(shù)：對(duì)酒精氣體有很高的靈敏度。具有良好的重復(fù)性和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。抗干擾，對(duì)酒精氣體有很好的選擇性。

回路電壓：(Vc)5-24V

取樣電阻：(RL)0.5-20KΩ加熱電壓：(VH)5±0.1V

加熱功率：(P)約750mW

靈敏度：R0(air)/RS(100ppmC2H5OH)＞5

響應(yīng)時(shí)間：Tres＜10秒恢復(fù)時(shí)間：Trec＜30秒

采用MQK-2傳感器設(shè)計(jì)制作有害氣體報(bào)警器，其電路如圖4-8所示。氣敏元件開(kāi)始工作時(shí)，需預(yù)熱3-5分鐘后方可正常使用；不要在蝕性氣體環(huán)境下工作。溫度-10-+50℃、相對(duì)濕度0-90％RH。使用注意事項(xiàng)工作環(huán)境圖4-8有害氣體報(bào)警器圖中7806穩(wěn)壓器提供6V電壓，TL431是精密電壓比較器，當(dāng)MQK-2氣敏傳感器在純凈空氣中，A-B間的電阻有幾十千歐，TL431的R端為低電平；當(dāng)MQK-2氣敏傳感器在接觸到有害可燃?xì)怏w時(shí)，A-B間的電阻迅速減小，R端電壓逐漸升高，當(dāng)電壓為2.5V時(shí)，TL431內(nèi)部導(dǎo)通，LED發(fā)光二極管亮，KD9001報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警聲音。可通過(guò)調(diào)節(jié)RV1確定可燃有害氣體報(bào)警濃度。汽車尾氣分析

二、濕度測(cè)量一）濕度傳感器1、濕度表示方法濕度是指物質(zhì)中所含水分的量，可通過(guò)濕度傳感器進(jìn)行測(cè)量。

濕度傳感器是將環(huán)境濕度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，現(xiàn)代化的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)空氣濕度的重視程度日益提高，要求也越來(lái)越高，如果濕度不能滿足要求，將會(huì)造成不同程度的不良后果。狹義的濕度是指空氣中水汽的含量，常用以下三種方法表示。露點(diǎn)絕對(duì)濕度相對(duì)濕度絕對(duì)濕度絕對(duì)濕度是指在一定溫度及壓力條件下，單位體積待測(cè)氣體中含水蒸氣的質(zhì)量，即水蒸氣的密度，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （4-1）式中：Mv為待測(cè)氣體中水蒸氣的質(zhì)量；

V為待測(cè)氣體的總體積；

Ha為待測(cè)氣體的絕對(duì)濕度，單位為g/m3。相對(duì)濕度相對(duì)濕度為待測(cè)氣體中的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和蒸氣壓的比值的百分?jǐn)?shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （4-2）式中：PV為某溫度下待測(cè)氣體的水蒸氣壓；

PW為與待測(cè)氣體溫度相同時(shí)水的飽和蒸氣壓；

RH為相對(duì)濕度，單位為%RH。飽和水蒸氣壓與氣體的溫度和氣體的壓力有關(guān)。當(dāng)溫度和壓力變化時(shí)，因飽和水蒸氣壓變化，所以氣體中的水蒸氣壓即使相同，其相對(duì)濕度也會(huì)發(fā)生變化，溫度越高，飽和水蒸氣壓越大。日常生活中所說(shuō)的空氣濕度，實(shí)際上就是指相對(duì)濕度而言。凡談到相對(duì)濕度，必須同時(shí)說(shuō)明環(huán)境溫度，否則，所說(shuō)的相對(duì)濕度就失去確定的意義。露點(diǎn)水的飽和蒸氣壓隨溫度的降低而逐漸下降。在同樣的空氣水蒸氣壓下，溫度越低，則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水的飽和水蒸氣壓相等。此時(shí)，空氣中的水蒸氣將向液相轉(zhuǎn)化而凝結(jié)成露珠，相對(duì)濕度為100％RH。該溫度稱為空氣的露點(diǎn)溫度，簡(jiǎn)稱露點(diǎn)。如果這一溫度低于0℃時(shí)，水蒸氣將結(jié)霜，又稱為霜點(diǎn)溫度。兩者統(tǒng)稱為露點(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。2、濕度傳感器的主要特性1、感濕特性4、響應(yīng)

時(shí)間3、靈敏度2、濕度

量程5、感濕溫度系數(shù)6、濕滯

特性7、老化

特性8、互換性1.感濕特性感濕特性為濕度傳感器的感濕特征量（如電阻、電容、頻率等）隨環(huán)境濕度變化的規(guī)律，常用感濕特征量和相對(duì)濕度的關(guān)系曲線來(lái)表示，如圖4-9所示。按曲線的變化規(guī)律，感濕特性曲線可分為正特性曲線和負(fù)特性曲線。性能良好的濕度傳感器，要求在所測(cè)相對(duì)濕度范圍內(nèi)，感濕特征量的變化為線性變化，其斜率大小要適中。3.靈敏度靈敏度為濕度傳感器的感濕特征量隨相對(duì)濕度變化的程度，即在某一相對(duì)濕度范圍內(nèi)，相對(duì)濕度改變1%RH時(shí)，濕度傳感器的感濕特征量的變化值，也就是該濕度傳感器感濕特性曲線的斜率。常用濕度傳感器在不同環(huán)境濕度下的感濕特征量之比來(lái)表示其靈敏度。如R1%/R10%表示器件在1%RH下的電阻值與在10%RH下的電阻值之比。4.響應(yīng)時(shí)間當(dāng)環(huán)境濕度增大時(shí)，濕敏器件有一吸濕過(guò)程，并產(chǎn)生感濕特征量的變化。而當(dāng)環(huán)境濕度減小時(shí)，為檢測(cè)當(dāng)前濕度，濕敏器件原先所吸的濕度要消除，這一過(guò)程稱為脫濕。所以用濕敏器件檢測(cè)濕度時(shí)，濕敏器件將隨之發(fā)生吸濕和脫濕過(guò)程。2.濕度量程濕度傳感器能夠比較精確測(cè)量相對(duì)濕度的最大范圍稱為濕度量程。濕度傳感器按其濕度量程可分為高濕型、低濕型及全濕型三大類。高濕型適用于相對(duì)濕度大于70%RH的場(chǎng)合；低濕型適用于相對(duì)濕度小于40%RH場(chǎng)合；而全濕型則適用于0%~100%RH的場(chǎng)合。6.濕滯特性感濕特性為濕度傳感器的感濕特征量（如電阻、電容、頻率等）隨環(huán)境濕度變化的規(guī)律，常用感濕特征量和相對(duì)濕度的關(guān)系曲線來(lái)表示，如圖4-9所示。按曲線的變化規(guī)律，感濕特性曲線可分為正特性曲線和負(fù)特性曲線。性能良好的濕度傳感器，要求在所測(cè)相對(duì)濕度范圍內(nèi)，感濕特征量的變化為線性變化，其斜率大小要適中。8.互換性濕度傳感器的一致性和互換性差。當(dāng)使用中濕度傳感器被損壞，那么有時(shí)即使換上同一型號(hào)的傳感器也需要再次進(jìn)行調(diào)試。7.老化特性老化特性為濕度傳感器在一定溫度、濕度環(huán)境下，存放一定時(shí)間后，由于塵土、油污、有害氣體等的影響，其感濕特性將發(fā)生變化的特性。5.感濕溫度系數(shù)濕度傳感器的溫度系數(shù)是表示濕度傳感器的感濕特性曲線隨環(huán)境溫度而變化的特性參數(shù)。在不同環(huán)境溫度下，濕度傳感器的感濕特性曲線是不同的，濕度傳感器的感濕溫度系數(shù)定義為：濕度傳感器在感濕特征量恒定的條件下，當(dāng)溫度變化時(shí)，其對(duì)應(yīng)相對(duì)濕度將發(fā)生變化，這兩個(gè)變化量之比，稱為感濕溫度系數(shù)。一個(gè)理想的濕度傳感器應(yīng)具備以下性能和參數(shù)：①使用壽命長(zhǎng)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。②靈敏度高，感濕特性曲線的線性度好。③使用范圍寬，感濕溫度系數(shù)小。④響應(yīng)時(shí)間短。⑤濕滯回差小，測(cè)量精度高。⑥能在有害氣氛的惡劣環(huán)境下使用。⑦器件的一致性、互換性好，易于批量生產(chǎn)，成本低。⑧感濕特征量應(yīng)在易測(cè)范圍以內(nèi)。3.濕度傳感器的分類及工作原理濕度傳感器種類很多，沒(méi)有統(tǒng)一分類標(biāo)準(zhǔn)。

按探測(cè)功能來(lái)分，可分為絕對(duì)濕度型、相對(duì)濕度型和結(jié)露型；

按傳感器的輸出信號(hào)來(lái)分，可分為電阻型、電容型和電抗型，電阻型最多，電抗型最少；

按濕敏元件工作機(jī)理來(lái)分，又分為水分子親和力型和非水分子親和力型兩大類，其中水分子親和力型應(yīng)用更廣泛；

按材料來(lái)分，可分為陶瓷型、有機(jī)高分子型、半導(dǎo)體型和電解質(zhì)型等。下面按材料分類分別加以介紹。

陶瓷濕度傳感器具有很多優(yōu)點(diǎn)，主要如下：測(cè)濕范圍寬，基本上可實(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)間短，多孔陶瓷的表面積大，易于吸濕和脫濕；濕滯小、抗沾污、可高溫清洗和靈敏度高，穩(wěn)定性好等。

半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器按其制作工藝不同可分為：燒結(jié)型、涂覆膜型、厚膜型、薄膜型和MOS型。陶瓷濕度傳感器較成熟的產(chǎn)品有MgCr2O4-TiO2（鉻酸鎂-二氧化鈦）系、ZnO-Cr2O3（氧化鋅-三氧化二鉻）系、ZrO2（二氧化鋯）系、Al2O3（三氧化鋁）系、TiO2-V2O5（二氧化鈦-五氧化二釩）系和Fe3O4（四氧化三鐵）系等。它們的感濕特征量大多數(shù)為電阻，除Fe3O4系外，都為負(fù)特性濕敏傳感器，即隨著環(huán)境濕度的增加電阻值降低。下面介紹其典型品種。1)半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器（1）（2）MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器為燒結(jié)型，其結(jié)構(gòu)如圖4-12所示。圖4-12MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器結(jié)構(gòu)硅MOS型Al2O3濕度傳感器Al2O3濕度傳感器根據(jù)濕敏元件制作方法不同，可分為多孔Al2O3濕度傳感器、涂覆膜狀A(yù)l2O3濕度傳感器和MOS型濕度傳感器。MOS型濕度傳感器具有響應(yīng)速度快、化學(xué)穩(wěn)定性好及耐高低溫沖擊的性能。高分子濕度傳感器包括高分子電解質(zhì)薄膜濕度傳感器、高分子電阻式濕度傳感器、高分子電容式濕度傳感器、結(jié)露傳感器和石英振動(dòng)式傳感器等。

2)高分子濕度傳感器（1）高分子電阻式濕度傳感器這種傳感器的濕敏層為可導(dǎo)電的高分子，強(qiáng)電解質(zhì)，具有極強(qiáng)的吸水性。水吸附在有極性基的高分子膜上，在低濕下，因吸附量少，不能產(chǎn)生電離子，所以電阻值較高；當(dāng)相對(duì)濕度增加時(shí)，吸附量也增大。高分子電解質(zhì)吸水后電離，正負(fù)離子對(duì)主要起到載流子作用，使高分子濕度傳感器的電阻下降。吸濕量不同，高分子介質(zhì)的阻值也不同，根據(jù)阻值變化可測(cè)量相對(duì)濕度。

圖4-13高分子濕度傳感器（2）高分子電容式濕度傳感器圖4-14為高分子薄膜電介質(zhì)電容式濕度傳感器的結(jié)構(gòu)，它是在潔凈的玻璃基片上，蒸鍍一層極薄（50nm）的梳狀金質(zhì)，作為下部電極，然后在其上薄薄地涂上一層高分子聚合物（1nm），干燥后，再在其上蒸鍍一層多孔透水的金質(zhì)作為上部電極，兩極間形成電容，最后上下電極焊接引線，就制成了電容式高分子薄膜濕度傳感器。

當(dāng)高分子聚合物介質(zhì)吸濕后，元件的介電常數(shù)隨環(huán)境相對(duì)濕度的變化而變化，從而引起電容量的變化。由于高分子膜可以做得很薄，所以元件能迅速吸濕和脫濕，故該類傳感器有滯后小和響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。圖4-14高分子薄膜電介質(zhì)電容式濕度傳感器的結(jié)構(gòu)

（3）結(jié)露傳感器結(jié)露傳感器是一種特殊的濕度傳感器，它與一般的濕度傳感器不同之處在于它對(duì)低濕不敏感，僅對(duì)高濕敏感，感濕特征量具有開(kāi)關(guān)式變化特性。結(jié)露傳感器分為電阻型和電容型，目前廣泛應(yīng)用的是電阻型，如圖4-15為結(jié)露傳感器HDS05。圖4-15結(jié)露傳感器HDS05

（3）結(jié)露傳感器電阻型結(jié)露傳感器是在陶瓷基片上制成梳狀電極，在其上涂一層電阻式感濕膜，感濕膜采用摻入碳粉的有機(jī)高分子材料，在高濕下，電阻膜吸濕后膨脹，體積增加，碳粉間距變大，引起電阻突變；而低濕時(shí)，電阻因電阻膜收縮而變小，其特性曲線如圖4-16所示，在75%~80%RH以下時(shí)，很平坦，而超過(guò)75%~80%RH增加較快，達(dá)到94%RH以上時(shí)，電阻將急速增加，到相對(duì)濕度在100％RH時(shí)，電阻值趨向∞，此時(shí)稱為結(jié)露。圖4-16結(jié)露傳感器的感濕特性結(jié)露傳感器的特點(diǎn)：響應(yīng)時(shí)間短，體積較小，對(duì)高濕快速敏感。它的吸濕作用不在濕敏膜的表面，而在其內(nèi)部，這就使它的特性不受灰塵和其他氣體對(duì)其表面污染的影響，因而長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，可靠性高，能在直流電壓下工作。結(jié)露傳感器一般不用于測(cè)濕，而作為提供開(kāi)關(guān)信號(hào)的結(jié)露信號(hào)器，用于自動(dòng)控制或報(bào)警，主要用于磁帶錄像機(jī)、照相機(jī)和高級(jí)轎車玻璃的結(jié)露檢測(cè)及除露控制。

（4）石英振動(dòng)式濕敏傳感器該類傳感器是在石英振子的電極表面涂覆高分子材料感濕膜，當(dāng)膜吸濕時(shí)，由于膜的重量變化而使石英振子共振頻率變化，從而檢測(cè)出環(huán)境濕度，傳感器在0~50℃時(shí)，濕度檢測(cè)范圍為0%~100%RH，誤差±5%RH。石英振動(dòng)式濕敏傳感器還能檢測(cè)露點(diǎn)，當(dāng)石英振子表面結(jié)露時(shí)，振子的共振頻率會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)共振阻抗增加。4.含水量檢測(cè)通常將空氣或其他氣體中的水分含量稱為“濕度”，將固體物質(zhì)中的水分含量稱為“含水量”，即固體物質(zhì)中所含水分的質(zhì)量與總質(zhì)量之比的百分?jǐn)?shù)。濕度信息由濕度傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過(guò)濕敏元件的電量信號(hào)（電阻、電容等）隨環(huán)境濕度變化而變化的特性來(lái)檢測(cè)。濕度傳感器的分類方法繁多，種類各不相同，感濕機(jī)理千差萬(wàn)別。濕度較難檢測(cè)，原因在于濕度信息的傳遞較復(fù)雜。濕度信息必須靠其信息物質(zhì)——水對(duì)濕敏元件直接接觸來(lái)完成。因此，濕敏元件不能密封、隔離，必須直接暴露于待測(cè)的環(huán)境中，而水在自然環(huán)境中容易發(fā)生三態(tài)變化。當(dāng)其液化或結(jié)冰時(shí)，往往使?jié)衩羝骷母叻肿硬牧匣螂娊赓|(zhì)材料溶解、腐蝕或老化，給測(cè)量帶來(lái)不利。濕度傳感器目前最主要的技術(shù)性難點(diǎn)就是長(zhǎng)期穩(wěn)定性差及互換性差。1)濕度檢測(cè)方法

（1）稱重法測(cè)出被測(cè)物質(zhì)烘干前后的重量GH和GD，含水量的百分?jǐn)?shù)為：（4-4）

這種方法很簡(jiǎn)單，但烘干需要時(shí)間，檢測(cè)的實(shí)時(shí)性差，而且有些產(chǎn)品不能采用烘干法。（2）電導(dǎo)法固體物質(zhì)吸收水分后電阻變小，用測(cè)定電阻率或電導(dǎo)率的方法便可判斷含水量。（3）電容法水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于一般干燥固體物質(zhì)，因此用電容法測(cè)物質(zhì)的介電常數(shù)從而測(cè)出含水量是相當(dāng)靈敏的。造紙廠的紙張含水量可用電容法測(cè)量。

（4）紅外吸收法對(duì)波長(zhǎng)為1.94um的紅外線吸收較強(qiáng)，而對(duì)波長(zhǎng)為1.81um紅外線幾乎不吸收。由上述兩種波長(zhǎng)的濾光片對(duì)紅外光進(jìn)行輪流切換，根據(jù)被測(cè)物對(duì)這兩種波長(zhǎng)的能量吸收的比值便可判斷含水量。（5）微波吸收法水分對(duì)波長(zhǎng)為1.36cm附近的微波有顯著吸收現(xiàn)象，而植物纖維對(duì)此波段的吸收僅為水的幾十分之一，利用這一原理可制成測(cè)木材、煙草、糧食和紙張等物質(zhì)中含水量的儀表。微波法要注意被測(cè)物料的密度和溫度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，這種方法的設(shè)備稍為復(fù)雜一些。

圖4-17空氣濕度檢測(cè)電路（5）微波吸收法808H5V5為濕度傳感器集成電路，內(nèi)部包括濕度傳感器和信號(hào)放大電路，工作電源電壓為＋5V，可檢測(cè)濕度范圍為0～100％，相應(yīng)輸出電壓為0.8～3.9V。輸出信號(hào)電壓用引線引出，可直接驅(qū)動(dòng)電壓表指針指示，也可以經(jīng)ICL7106顯示驅(qū)動(dòng)集成電路A／D轉(zhuǎn)換后，驅(qū)動(dòng)液晶顯示器顯示。其簡(jiǎn)易空氣濕度檢測(cè)電路如圖4-17所示?？諝庀鄬?duì)濕度為45%~60%時(shí)人體感覺(jué)最為舒適，也不容易引起疾病。當(dāng)空氣濕度高于65%或低于38%時(shí)，微生物繁殖滋生最快；當(dāng)相對(duì)濕度在45%~55%時(shí)，病菌的死亡率較高。為了使環(huán)境濕度滿足要求，就要采用一定的控制方法來(lái)改變濕度。如果濕度過(guò)高，則要進(jìn)行除濕；反之，如果濕度過(guò)低，則要進(jìn)行加濕。

2)環(huán)境濕度控制的方法（1）除濕技術(shù)空氣除濕是一門涉及多個(gè)學(xué)科的綜合性技術(shù)，目前已被廣泛應(yīng)用于儀器儀表、生物、環(huán)保、紡織、冶金、化工、石化、原子能、航空、航天等領(lǐng)域。常用的空氣除濕技術(shù)主要有冷卻除濕、吸附除濕和吸收除濕等。方法一：冷卻除濕冷卻除濕的原理是濕空氣溫度降低到露點(diǎn)溫度以下時(shí)

會(huì)析出水汽。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，冷卻除濕要使用制冷式冷源，先

通過(guò)降低蒸發(fā)器表面溫度使空氣溫度降到露點(diǎn)溫度以下，從而析出水汽，降低空氣的含濕量，再利用部分或全部冷凝熱加熱冷卻后的空氣，從而降低空氣的相對(duì)濕度，達(dá)到除濕目的。凡通過(guò)這種方式將密封空間內(nèi)空氣中的水分排出以降低濕度的除濕方式均屬冷卻除濕。制冷除濕機(jī)典型結(jié)構(gòu)如圖4-18所示。圖4-18一般制冷除濕機(jī)結(jié)構(gòu)：壓縮機(jī)：冷凝器膨脹閥蒸發(fā)器制冷劑在其中沸騰，吸收被冷卻介質(zhì)的熱量后，由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。消耗一定的外界功后，把蒸發(fā)器中的氣態(tài)制冷劑吸入，并壓縮到冷凝壓力后排入冷凝器中。又叫再熱器，氣態(tài)制冷劑在冷凝器中將熱量傳遞給冷卻介質(zhì)（空氣或常溫水）后，冷凝成液體。又叫節(jié)流閥，將冷凝后的高壓液態(tài)制冷劑通過(guò)其節(jié)流作用，降低到蒸發(fā)壓力后，送入蒸發(fā)器中。壓縮機(jī)冷凝器膨脹閥制冷系統(tǒng)工作流程為：壓縮機(jī)將蒸發(fā)器所產(chǎn)生的低壓、低溫制冷劑蒸氣吸入汽缸內(nèi)，經(jīng)壓縮壓力升高（溫度也升高）到稍大于冷凝器內(nèi)的壓力時(shí)，將氣缸內(nèi)的高壓制冷劑蒸氣排到冷凝器中，所以壓縮機(jī)起著壓縮和輸送制冷劑蒸氣的作用。在冷凝器內(nèi)高壓高溫的制冷劑蒸氣與溫度較低的空氣（或常溫水）進(jìn)行熱交換而冷凝為液態(tài)制冷劑。液態(tài)制冷劑再經(jīng)過(guò)膨脹閥降壓（降溫）后進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)吸收被冷卻物體的熱量后而再次汽化。這樣，被冷卻物體便得到冷卻，而制冷劑蒸氣被壓縮機(jī)吸走。因此，制冷劑在系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)壓縮、冷凝、膨脹、蒸發(fā)這樣四個(gè)過(guò)程，完成一個(gè)循環(huán)。送風(fēng)系統(tǒng)工作流程為：濕空氣被吸入后，在蒸發(fā)器被冷卻到露點(diǎn)溫度以下，水汽凝結(jié)成水被析出，含濕量下降；然后進(jìn)入冷凝器，吸收制冷劑的熱量而升溫，相對(duì)濕度降低，由送風(fēng)機(jī)送入房間。方法二：吸附除濕吸附除濕的原理是某些固體（除濕劑，或稱干燥劑）

對(duì)水蒸汽分子具有強(qiáng)烈的吸附作用。當(dāng)空氣與除濕劑接觸

時(shí)，空氣中的水蒸汽被吸附而解脫，從而達(dá)到除濕目的。常用的固體除濕劑有硅膠、氧化鋁、分子篩、氯化鈣等，使用后脫出吸附的水分可再次使用。吸附式除濕裝置主要有兩類：一類是固定床式除濕器，另一類是旋轉(zhuǎn)式除濕器。最原始的固定床除濕是在密封的容器內(nèi)放置除濕劑進(jìn)行除濕。后來(lái)將固體吸附劑作為固定層填充于塔（筒）內(nèi)進(jìn)行空氣除濕，該除濕方式為間歇方式，需要定期進(jìn)行脫附處理，操作與控制都不方便。

旋轉(zhuǎn)式除濕器是指轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)，它是利用一種特制的吸

濕紙來(lái)吸收空氣中的水分。吸濕紙以玻璃纖維濾紙為載體將除濕劑和保護(hù)加強(qiáng)劑等液體均勻吸附在濾紙上烘干而成，它固定在蜂窩狀轉(zhuǎn)輪上，轉(zhuǎn)輪兩側(cè)由特制的密封裝置分成兩個(gè)區(qū)域：處理區(qū)域及再生區(qū)域。當(dāng)需要除濕的潮濕空氣通過(guò)轉(zhuǎn)輪的處理區(qū)域時(shí)，濕空氣的水蒸汽被轉(zhuǎn)輪的吸濕紙所吸附，干燥空氣被處理風(fēng)機(jī)送至需要處理的空間；而不斷緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)輪載著趨于飽和的水蒸汽進(jìn)入再生區(qū)域；再生區(qū)內(nèi)反向吹入的高溫空氣使得轉(zhuǎn)輪中吸附的水分被脫附，被再生風(fēng)機(jī)排出室外，從而使轉(zhuǎn)輪恢復(fù)了吸濕的能力而完成再生過(guò)程，轉(zhuǎn)輪不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)，上述的除濕及再生周而復(fù)始地進(jìn)行，從而保證除濕機(jī)持續(xù)穩(wěn)定的除濕狀態(tài)。方法二：吸附除濕（2）加濕技術(shù)以日常生活為例，寒冷時(shí)節(jié)常在室內(nèi)進(jìn)行采暖，即使溫度處于熱舒適范圍內(nèi)，過(guò)低的濕度仍然會(huì)使人們感到不舒適?？諝饧訚駨拇蟮姆矫鎭?lái)說(shuō)有兩類：一類是向空氣中蒸發(fā)水，另一類是直接向空氣中噴入水蒸汽。從加濕原理上可分為水汽化式、水噴霧式和蒸汽式。目前，常見(jiàn)的加濕方法中，浸濕面蒸發(fā)加濕屬于水汽化式；高壓噴霧加濕、超聲波加濕屬于水噴霧式；電極加熱和干蒸汽噴霧屬于蒸汽式。超聲波加濕原理是采用電子超頻震蕩，通過(guò)霧化片的高頻諧振，將水拋離水面而產(chǎn)生自然飄逸的水霧，通過(guò)風(fēng)動(dòng)裝置將水霧擴(kuò)散到空氣中，從而達(dá)到均勻加濕空氣的目的。在霧化過(guò)程中釋放的大量負(fù)離子可以有效殺死空氣中懸浮的有害細(xì)菌和病毒，使空氣凈化，減少疾病發(fā)生。超聲波加濕器熱蒸發(fā)型加濕器也叫電加熱式加濕器。其工作原理是將水在加熱體中加熱到100℃，產(chǎn)生蒸汽，