第15章濕度傳感器.ppt

1、第15章濕度傳感器,一、濕度表示法 空氣中含有水蒸氣的量稱為濕度，含有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、相對濕度和絕對濕度、露點（霜點）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,這兩種方法統(tǒng)稱為水蒸氣百分含量法。,mM100,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,15.1濕度及濕度傳感器,2、相對濕度和絕對濕度 水蒸氣壓是指在一定的溫度條件下，混合氣體中存在的水蒸氣分壓(p)。 飽和水蒸氣壓是指在同一溫度下，混合氣體中所含水蒸氣壓的最大值(ps)。溫度越高，飽和水蒸氣壓越大。

2、在某一溫度下，其水蒸氣壓同飽和蒸氣壓的百分比，稱為相對濕度。,m待測空氣中水蒸氣質(zhì)量；V待測空氣的總體積； v待測空氣的絕對濕度。,絕對濕度表示單位體積內(nèi)，空氣里所含水蒸氣的質(zhì)量，其定義為,二、濕度傳感器的主要參數(shù) 1、濕度量程 指濕度傳感器技術規(guī)范中所規(guī)定的感濕范圍。全濕度范圍用相對濕度(0100)RH表示，它是濕度傳感器工作性能的一項重要指標。,2、感濕特征量相對濕度特性 每種濕度傳感器都有其感濕特征量，如電阻、電容等，通常用電阻比較多。以電阻為例，在規(guī)定的工作濕度范圍內(nèi)，濕度傳感器的電阻值隨環(huán)境濕度變化的關系特性曲線，簡稱阻濕特性。有的濕度傳感器的電阻值隨濕度的增加而增大，這種為正特性濕

3、敏電阻器，如Fe3O4濕敏電阻器。有的阻值隨著濕度的增加而減小，這種為負特性濕敏電阻器，如TiO2SnO2陶瓷濕敏電阻器。對于這種濕敏電阻器，低濕時阻值不能太高，否則不利于和測量系統(tǒng)或控制儀表相連接。,5,3、感濕靈敏度 簡稱靈敏度，又叫濕度系數(shù)。其定義是在某一相對濕度范圍內(nèi)，相對濕度改變1RH時，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，對靈敏度的要求各不相同，對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。但對于全濕型濕度傳感器，并非靈敏度越大越好，因為電阻值的動態(tài)范圍很寬，給配制二次儀表帶來不利，所以靈敏度的大小要適當。,4、特征量溫度系數(shù) 反映濕度傳感

4、器在感濕特征量相對濕度特性曲線隨環(huán)境溫度而變化的特性。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濕度的誤差就越小。 在環(huán)境溫度保持恒定時，濕度傳感器特征量的相對變化量與對應的溫度變化量之比，稱為特征量溫度系數(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)(%/)=,7,5、感濕溫度系數(shù) 反映濕度傳感器溫度特性的一個比較直觀、實用的物理量。它表示在兩個規(guī)定的溫度下，濕度傳感器的電阻值(或電容值)達到相等時，其對應的相對濕度之差與兩個規(guī)定

5、的溫度變化量之比，稱為感濕溫度系數(shù)?；颦h(huán)境溫度每變化1時，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時濕度傳感器某一電阻值(或電容值)對應的相對濕度值； H2另一規(guī)定環(huán)境溫度下濕度傳感器另一電阻值(或電容值)對應的相對濕度。,(%RH/)=,6、濕滯現(xiàn)象 脫濕比吸濕遲后的現(xiàn)象。 吸濕和脫濕特性曲線所構(gòu)成的回線為濕滯回線。,9,7、響應時間 在一定溫度下，當相對濕度發(fā)生躍變時，濕度傳感器的電參量達到穩(wěn)態(tài)變化量的規(guī)定比例所需要的時間。一般是以相應的起始和終止這一相對濕度變化區(qū)間的63作為相對濕度變化所需要的時間，也稱時間常數(shù)，它是反映濕度傳感器相對

6、濕度發(fā)生變化時，其反應速度的快慢。單位是s。也有規(guī)定從起始到終止90的相對濕度變化作為響應時間的。響應時間又分為吸濕響應時間和脫濕響應時間。大多數(shù)濕度傳感器都是脫濕響應時間大于吸濕響應時間，一般以脫濕響應時間作為濕度傳感器的響應時間。,10,8、電壓特性 當用濕度傳感器測量濕度時，所加的測試電壓，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，致使電導率隨時間的增加而下降，故測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系?？梢姡瑴y試電壓小于5V時，電壓對阻濕特性沒有影響。但交流電壓大于15V時，由于產(chǎn)生焦耳熱，對濕度傳感器的阻濕特性產(chǎn)生了較大影響，因而一般

7、濕度傳感的使用電壓都小于10V。,Lg R /,0,1,2,3,4,5,6,5,7,8,4,20 100Hz,11% RH,33% RH,75% RH,100% RH,U/V,二、濕度傳感器 水是一種極強的電解質(zhì)。水分子有較大的電偶極矩，在氫原子附近有極大的正電場，因而它有很大的電子親和力，使得水分子易吸附在固體表面并滲透到固體內(nèi)部。 利用水分子這一特性制成的濕度傳感器稱為水分子親和力型傳感器。 而把與水分子親和力無關的濕度傳感器稱為非水分子親和力型傳感器。 在現(xiàn)代工業(yè)上使用的濕度傳感器大多是水分子親和力型傳感器，它們將濕度的變化轉(zhuǎn)換為阻抗或電容值的變化后輸出。,濕度傳感器分類,13,電解質(zhì)型

8、：以氯化鋰為例，它在絕緣基板上制作一對電極，涂上氯化鋰鹽膠膜。氯化鋰極易潮解，并產(chǎn)生離子導電，隨濕度升高而電阻減小。 陶瓷型：一般以金屬氧化物為原料，通過陶瓷工藝，制成一種多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值對空氣中水蒸氣的敏感特性而制成。 高分子型：先在玻璃等絕緣基板上蒸發(fā)梳狀電極,通過浸漬或涂覆,使其在基板上附著一層有機高分子感濕膜。有機高分子的材料種類也很多,工作原理也各不相同。 單晶半導體型：所用材料主要是硅單晶，利用半導體工藝制成。制成二極管濕敏器件和MOSFET濕度敏感器件等。其特點是易于和半導體電路集成在一起。,14,15.2 電解質(zhì)濕度傳感器 電解質(zhì)是以離子形式導電的物質(zhì)，分為固體電解

9、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，能全部或部分地離解為自由移動的正、負離子，稱為液體電解質(zhì)。電解質(zhì)溶液的電導率與溶液的濃度有關，而溶液的濃度，在一定的溫度下又是環(huán)境相對濕度的函數(shù)。,電解質(zhì)氯化鋰濕度傳感器最為典型,把不同感濕范圍的單片濕度傳感器組合起來,可制成相對濕度工作量程為2090RH的濕度傳感器,15,15.3 陶瓷濕度傳感器 利用半導體陶瓷材料制成的陶瓷濕度傳感器。具有許多優(yōu)點：測濕范圍寬，可實現(xiàn)全濕范圍內(nèi)的濕度測量；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800，響應時間較短，精度高，抗污染能力強，工藝簡單，成本低廉。,典型產(chǎn)

10、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。這類濕度傳感器的感濕特征量大多數(shù)為電阻。除Fe3O4外，都為負特性濕度傳感器，即隨著環(huán)境相對濕度的增加，阻值下降。也有少數(shù)陶瓷濕度傳感器，它的感濕特性量為電容。,16,1、結(jié)構(gòu) 該濕度傳感器的感濕體是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。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關, 相當于一種開口毛細管,容易吸附水分。材料的主晶相是MgCr2O4相,此外,還有TiO2相等

11、,感濕體是一個多晶多相的混合物。,17,2、主要特性與性能 （1）電阻一濕度特性 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。在單對數(shù)的坐標中，電阻濕度特性近似呈線性關系。當相對濕度由0變?yōu)?00RH時，阻值從107下降到104，即變化了三個數(shù)量級。,20,40,60,80,100,103,104,105,106,107,108,相對濕度/%,R/,18,（2）電阻溫度特性 是在不同的溫度環(huán)境下，測量陶瓷濕度傳感器的電阻濕度特性。從圖可見，從20到80各條曲線的變化規(guī)律基本一致，具有負溫度系數(shù)，其感濕負溫度系數(shù)為0.38RH。

12、如果要求精確的濕度測量，需要對濕度傳感器進行溫度補償。,20,40,60,80,100,103,104,105,106,107,108,相對濕度/%,20,40,60,80,R/,MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器的電阻溫度特性,19,MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器的時間響應特性,20,40,60,80,100,0,10,20,30,94%RH 50%RH,1%RH 50%RH,t /s,%RH,（3）響應時間 響應時間特性如圖。根據(jù)響應時間的規(guī)定，從圖中可知，響應時間小于10s。,20,15.4 高分子濕度傳感器 用有機高分子材料制成的濕度傳感器，主要是利用其吸濕性與脹縮性。某些高分

13、子電介質(zhì)吸濕后，介電常數(shù)明顯改變，制成了電容式濕度傳感器；某些高分子電解質(zhì)吸濕后，電阻明顯變化，制成了電阻式濕度傳感器；利用脹縮性高分子（如樹脂）材料和導電粒子，在吸濕之后的開關特性，制成了結(jié)露傳感器。 （一）電容式濕度傳感器 1、結(jié)構(gòu),高分子薄膜電介質(zhì)電容式濕度傳感器的基本結(jié)構(gòu)。,21,2、感濕機理與性能 電容式高分子濕度傳感器，其上部多孔質(zhì)的金電極可使水分子透過，水的介電系數(shù)比較大，室溫時約為79。感濕高分子材料的介電常數(shù)并不大，當水分子被高分子薄膜吸附時，介電常數(shù)發(fā)生變化。隨著環(huán)境濕度的提高，高分子薄膜吸附的水分子增多，因而濕度傳感器的電容量增加所以根據(jù)電容量的變化可測得相對濕度。,22

14、,（2）響應特性 由于高分子薄膜可以做得極薄，所以吸濕響應時間都很短，一般都小于5s，有的響應時間僅為1s。 （3）電容一溫度特性 電容式高分子膜濕度傳感器的感濕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/,（1）電容濕度特性 其電容隨著環(huán)境溫度的增加而增加,基本上呈線性關系。當測試頻率為l.5MHz左右時,其輸出特性有良好的線性度。對其它測試頻率,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。,23,（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

15、濕度傳感器的結(jié)構(gòu),梳狀電極,基片,24,2、主要特性 （1）電阻濕度特性 當環(huán)境濕度變化時，傳感器在吸濕和脫濕兩種情況的感濕特性曲線，如圖。在整個濕度范圍內(nèi)，傳感器均有感濕特性，其阻值與相對濕度的關系在單對數(shù)坐標紙上近似為一直線。吸濕和脫濕時濕度指示的最大誤差值為(34)RH。,1K,30,40,50,60,70,80,90,吸濕,10K,100K,1M,10M,相對濕度/%,R/,脫濕,3%RH,電阻濕度特性,25,（2）溫度特性 聚苯乙烯磺酸鋰的電導率隨溫度的變化較為明顯，具有負溫度系數(shù)。在(055)時，溫度系數(shù)為(0.61.0)RH/。,0,40,20,104,60,80,100,50,

16、10,102,103,聚苯乙烯磺酸鋰濕度傳感器的濕度特性,25,40,R/,相對濕度/%,26,（3）其它特性 聚苯乙烯磺酸鋰濕度傳感器的升濕響應時間比較快，降濕響應時間比較慢，響應時間在一分鐘之內(nèi)。濕滯比較小，在(12)RH之間。這種濕度傳感器具有良好的穩(wěn)定性。存儲一年后，其最大變化不超過2RH，完全可以滿足器件穩(wěn)定性的要求。 高分子薄膜濕度傳感器的缺點是：對于含有機溶媒氣體的環(huán)境下測濕時，器件易損壞；另外不能用于80以上的高溫。,15.6 濕度傳感器的應用 一、濕度傳感器的選擇 1選擇測量范圍 2、選擇測量精度 3、考慮時漂和溫漂,二、濕度傳感器的應用注意事項 (1) 電源選擇濕敏電阻必須工作于交流回路中，若用直流供電，會引起多孔陶瓷表面結(jié)構(gòu)改變，濕敏特性變劣。采用交流電源頻率過高，將由于元件的附加容抗而影響測濕靈敏度和準確性， 因此應以不產(chǎn)生正、負離子積聚為原則， 使電源頻率盡可能低。對離子導電型濕敏元件，電源頻率應大于50 Hz，一般以1000 Hz為宜。對電子導電型，電源頻率應低于50 Hz。(2) 線性化一般濕敏元件的特性均為非線性， 為便于測量， 應將其線性化。,(