《建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)綜合實驗》 教案 3-10電子式濕度傳感器

電子式濕度傳感器1.氯化鋰電阻式濕度計氯化鋰電阻式濕度計是利用氯化鋰吸濕后電阻率變化的特性制成的儀表。氯化鋰是一種穩(wěn)定的離子型無機鹽，在空氣中具有強烈的吸濕特性，其吸濕量又與空氣的相對濕度成一定的函數(shù)關系，即空氣中的相對濕度越大，氯化鋰吸收的水分也就多、反之減小。同時氯化鋰的導電性能，即電阻率的大小又隨其吸濕量而變化，吸收水分越多、電阻率越小，吸收水分越少，電阻率越大。因此，根據(jù)氯化鋰的電阻率變化可確定空氣相對濕度大小。氯化鋰電阻式測濕傳感器按結構分為梳狀和柱狀，如圖1所示。是用梳狀的金屬箔制在絕緣板上，或用兩根平行的鉑絲繞在絕緣柱表面上，外面再涂上氯化鋰溶液，形成氯化鋰薄膜層。由于兩組平行的梳狀金屬箔或兩根平行的鉑絲本身并不接觸，僅靠氯化鋰薄膜層導電而構成回路。將測濕傳感器置于被測空氣中，當相對濕度改變時，氯化鋰中薄膜層含水量也改變，隨之濕度測量傳感器的兩梳狀金屬箔片或兩根平行的鉑絲間的電阻也發(fā)生變化，將此隨濕度變化的電阻值輸入顯示儀表或變送器，就能顯示相應的相對濕度值。但一定濃度的氯化鋰測濕傳感器的測濕范圍較窄，一般在20%以內，而需要測量的相對濕度通常在5%~95%范圍內，因此，需制成幾種不同濃度氯化鋰涂層的測濕傳感器、一般分成四種：5%~38%，15%~50%，35%~75%，55%~95%。根據(jù)具體測量范圍選擇合適的測濕傳感器。環(huán)境溫度對氯化鋰電阻濕度計有很大的影響，因氯化鋰的電阻值不僅與濕度有關，而且還與空氣溫度有關。因此氯化鋰電阻濕度計帶有溫度補償電路。為避免氯化鋰電阻測濕傳感器的氧化鋰溶液發(fā)生電解，電極兩端應接交流電。為防止氯化鋰薄膜層中的水分蒸發(fā)，最高安全工作溫度為55℃。為保證測量精度，傳感器需定期更換。（a）梳狀（b）柱狀圖1氯化鋰電阻式測濕傳感器1—端子；2—電極；3—塑料底板；4—插座；5—引線DWS-P型氯化鋰濕敏電阻，是近年來研發(fā)的一種新型濕敏電阻。它采用真空鍍膜工藝在玻璃片上鍍上一層梳狀金電極，然后在電極上涂上一層氯化鋰和聚氯乙烯醇等的感濕膜。由于聚氯乙烯醇是一種黏合性很強的多孔性物質，它與氯化鋰結合后，水分子會很容易地在感濕膜中吸附與釋放，從而使?jié)衩綦娮璧碾娮柚蛋l(fā)生迅速的變化。為了增強這種濕敏電阻的優(yōu)點是長期工作穩(wěn)定性好，制作濕度測量儀時會有較高的精度，響應迅速。其缺點是有結露時易失效。DWS-P型氯化鋰濕敏電阻特別適合空調系統(tǒng)中進行濕度監(jiān)測。表1列出了DWS-P型氯化鋰濕敏電阻的基本參數(shù)。表1DWS-P型氯化鋰濕敏電阻基本參數(shù)項目參數(shù)項目參數(shù)濕度測量范圍（%RH)15~95工作頻率（Hz)50工作溫度范圍（℃)5~50工作電壓（V）6(AC)測量精度（%RH)±2溫度系數(shù)（%RH/℃）—濕滯（%RH)—穩(wěn)定性（%RH/年）2響應時間（s）10成分及結構氯化鋰薄膜2）高分子濕度傳感器高分子濕度傳感器主要有高分子電容式濕度傳感器和高分子電阻式濕度傳感器兩種。（1）高分子電容式濕度傳感器高分子電容式濕度傳感器的結構如圖2所示。這種傳感器基本上是一個電容器，在高分子薄膜上的電極是很薄的金屬微孔蒸發(fā)膜，水分子可通過兩端的電極被高分子薄膜吸附或釋放。隨著這種水分子吸附或釋放，高分子薄膜的介電系數(shù)將發(fā)生相應的變化。因為介電系數(shù)隨空氣中的相對濕度變化而變化，所以只要測定電容C就可測得相對濕度。傳感器的電容值可由下式確定，即：C式中ε——極板間電介質的介電常數(shù)；A——極板間的有效面積，m2；d——極板間的距離，m。目前，大多采用醋酸丁酸纖維素作為高分子薄膜的材料。這種薄膜吸附水分子后，能維持其傳感特性，尤其在與多孔金電極結合時，可使傳感器具有響應速度快、無濕滯等特點。高分子電容式濕度傳感器的電容值與相對濕度的關系，如圖3所示。表2列出了RHS型電容式濕度傳感器的基本參數(shù)。圖2高分子電容式濕度傳感器的結構1—底板；2—高分子薄膜；3—過濾網(wǎng)；4—電極；5—支架；6—引線圖3高分子電容式濕度傳感器的電容值與相對濕度的關系表2RHS型電容式濕度傳感器基本參數(shù)項目參數(shù)項目參數(shù)濕度測量范圍（%RH)15~95響應時間（s）＜10工作溫度范圍（℃)5~50工作頻率（Hz）50~300K測量精度（%RH)±2工作電壓（V）＜12（AC）濕滯（%RH)1溫度系數(shù)（%RH/℃）-2.高分子電阻式濕度傳感器高分子電阻式濕度傳感器是目前發(fā)展迅速且應用廣泛的新型濕度傳感器。它具有靈敏度高、線性度好、響應時間快、易小型化以及制作工藝簡單、成本低、使用方便等優(yōu)點。高分子電阻式濕度傳感器主要使用高分子固體電解質材料制作感濕膜，由于膜中的可動離子而產生導電性，隨著濕度的增加，其電離作用增強，使可動離子的濃度增大，電極間的電阻值減小。當濕度減小時，電離作用也隨之減弱，可動離子的濃度也減小，電極間的電阻值增大。這樣，濕度傳感器對水分子的吸附和釋放情況，可通過電極間電阻值的變化檢測出來，從而得到相應的濕度值（圖4）。傳感器可使用的材料很多，如高氯酸鋰—一聚氯乙烯、有親水性基的有機硅氧烷、四乙基硅烷的等離子共聚膜等。圖4高分子電阻式濕度傳感器3.金屬氧化物陶瓷濕度傳感器金屬氧化物陶瓷濕度傳感器是由金屬氧化物多孔性陶瓷燒結而成。燒結體上有微細孔，可使?jié)衩魧游交蜥尫潘肿?，造成其電阻值的改變。利用多孔陶瓷構成的這種濕度傳感器，具有工作范圍寬、穩(wěn)定性好、壽命長、耐環(huán)境能力強等特點。由于它們的電阻值與濕度的關系為非線性，而其電阻的對數(shù)值與濕度的關系為線性，因此在電路處理上應加入線性化處理單元。另外，由于這類傳感器有一定的溫度系數(shù)，在應用時還需進行溫度補償。金屬氧化物陶瓷濕度傳感器是當今濕度傳感器的發(fā)展方向，近幾年世界上許多國家通過各種研究發(fā)現(xiàn)了不少能作為電阻型濕敏多孔陶瓷的材料，如LaO3-TiO?、SnO2-Al2O3-TiO?、La2O3-TiO?-V2O5、TiO2-Nb2O?、MnO2-Mn2O?等。以下對實用化的兩種金屬氧化物陶瓷濕度傳感器作進行介紹。1）MgCr?O?-TiO?陶瓷濕度傳感器MgCr2O4-TiO?陶瓷濕度傳感器的結構如圖5相對濕度與電阻值之間的關系如REF_Ref31742\h圖6所示。MgCr2O4-TiO?陶瓷片為4mm×5mm×0.3mm,氣孔率為25%～30%,孔徑小于1μm,具有良好的吸濕性。陶瓷片兩面涂覆有多孔金電極，金電極與引出線燒結在一起。為了減少測量誤差，在陶瓷片的外圍設置由鎳鉻絲制成的加熱線圈，以便對器件加熱清洗，排除惡劣環(huán)境對器件的污染，整個器件安裝在陶瓷基片上。MgCr2O4-TiO?陶瓷濕度傳感器的相對濕度與電阻值之間的關系見REF_Ref31840\h圖6。由圖可知，傳感器的電阻值隨相對濕度的增加而減少，而且也與周圍環(huán)境有關。MgCr?O?-TiO?陶瓷濕度傳感器在使用前，應先加熱約1min左右，以消除由于油污及各種有機蒸汽等的污染所引起的性能惡化。圖5MgCr2O4-TiO?陶瓷濕度傳感器結構1—加熱線圈；2—濕敏陶瓷片；3—金電極；4—固定端子；5—陶瓷基片；6—引線圖6陶瓷濕度傳感器的相對濕度與電阻值之間的關系2）NiO陶瓷濕度傳感器NiO陶瓷濕度傳感器主要由氧化鎳金屬氧化物燒結而成的多孔狀陶瓷體，它的結構及外形如REF_Ref600\h圖7所示。在NiO多孔狀陶瓷體的兩端有多孔電極，電極由引線引出傳感器的外部。在電極的外部還設置有過濾層，以防惡劣環(huán)境對傳感器性能產生影響。整個器件安裝在塑料外殼內。NiO陶瓷濕度傳感器就是利用其微細多孔本身對水分子吸附及釋放的現(xiàn)象，從而使其電阻值發(fā)生變化的一種傳感器。它具有工作穩(wěn)定性好、壽命較長的特點，對丙酮、苯等蒸汽有抗污染能力。由于在結構上加上了過濾層，所以響應時間較長，適合在空調系統(tǒng)中使用。國產UD-8NiO濕度傳感器的基本參數(shù)見表3。（a）(b)圖7NiO陶瓷濕度傳感器結構及外形1—外殼；2—過濾層；3—孔狀電極；4—NiO陶瓷；5—引線表3UD-8NiO濕度傳感器的基本參數(shù)項目參數(shù)項目參數(shù)濕度測量范圍（%RH)5~90工作頻率（Hz)50~100工作溫度范圍（℃)0~60工作電壓（V）1(AC)測量精度（%RH)±2溫度系數(shù)（%RH/℃）0.5濕滯（%RH)＜3穩(wěn)定性（%RH/年）1~2響應時間（s）≤3成分及結構NiO燒結體3）金屬氧化物膜濕度傳感器Cr2O?、Fe2O?、Fe3O?、Al2O?、MgO、ZnO及TiO2等金屬氧化物的細粉，它們吸附水分后有極快的速干特性，利用這種現(xiàn)象可以制造出多種金屬氧化物膜濕度傳感器。金屬氧化物膜濕度傳感器的結構如圖8所示。在陶瓷基片上先制作鈀銀梳狀電極，然后采用絲網(wǎng)印制、涂布或噴射等工藝方法，將調制好的金屬氧化物的糊狀物加工在陶瓷基片及電極上，采用燒結或烘干方法使之固化成膜。這種膜可以吸附或釋放水分子而改變其電阻值，通過測量電極間的電阻值即可檢測相對濕度。金屬氧化物膜濕度傳感器的特點是傳感器電阻的對數(shù)值與濕度呈線性關系，具有測濕范圍及工作溫度范圍寬的優(yōu)點，測量精度為2%～4%RH，使用壽命在兩年以上。表4列出了一些國產這類傳感器的基本參數(shù)。圖8金屬氧化物膜濕度傳感器結構圖1—陶瓷基片；2—梳狀電極；3—金屬氧化物感濕膜；4—引線表4金屬氧化物膜