《传感器及实用检测技术》课件_12.湿度传感器.ppt

1、第3章 湿度传感器3.1 概述3.2 湿度传感器的分类及工作原理3.3 湿度传感器应用实例第第3章章 湿度传感器湿度传感器 3.1 概述概述 随着现代工农业技术的发展及生活环境的提高,湿度的检测与控制成为生产和生活中必不可少的手段。例如：大规划集成电路生产车间，当其相对湿度低于30%时，容易产生静电而影响生产；一些粉尘大的车间，当湿度小而产生静电时，容易发生爆炸；一些仓库在湿度过大时，易发生变质或霉变现象；湿度是通过湿度传感器来测量的。3.1.1 湿度的定义及其表示方法湿度的定义及其表示方法 湿度是指物质中所含水蒸气的量，常用绝对湿度、相对湿度和露点（或露点温度）来表示。1、绝对湿度、绝对湿度

2、 绝对湿度是指在一定温度及压力条件下，单位体积待测气体中含水蒸气的质量，即水蒸气的密度。其数学表达式为：（3-1）式中，Mv为待测气体中的水蒸气的质量，V为待测气体的总体积，Ha为待测气体的绝对湿度，单位为g/m3 VMHva 2.相对湿度（相对湿度（Relative Humidity）相对湿度为待测气体中的水蒸气气压与同温度下饱和水蒸气压的比值的百分数，其数学表达式为：（3-2）Pv为某温度下待测气体的水蒸气压；Pw为与待测气体温度相同时水的饱和蒸气压；RH为相对湿度，其单位为%RH。温度越高，饱和水蒸气压越大。日常生活中所说的空气湿度，实际上就是指相对湿度而言。凡谈到相对湿度，必须同时说明

3、环境温度，否则，所说的相对湿度失去确定的意义。%100WVPPRH 3.露点露点 保持压力不变，将含水蒸气的空气冷却，当降到某温度时，空气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态变为液态而凝结成露珠，称为结露，这一特定的温度称为露点温度，其单位为。如果这一特定的温度低于0，水蒸气将凝结成霜，此时温度称为霜点或霜点温度，通常对两者不予区分，统称为露点。3.1.2 湿感传感器的主要特性湿感传感器的主要特性 1、感湿特性、感湿特性 感湿特性为湿度传感器的感湿特征量（如：电阻、电容等）随环境湿度变化的规律，常用感湿特征量和相对湿度的关系曲线来表示。图(3-1)湿敏元件的感湿特性曲线 按曲线的变化规律，感湿特

4、性曲线可分为正特性曲线和负特性按曲线的变化规律，感湿特性曲线可分为正特性曲线和负特性曲线。感湿特性曲线可以反映出相对湿度传感器最佳使用范围的曲线。感湿特性曲线可以反映出相对湿度传感器最佳使用范围的大小及灵敏度的高低。大小及灵敏度的高低。性能良好的湿度传感器，要求在所测相对性能良好的湿度传感器，要求在所测相对湿度范围内，感湿特征量的变化为线性变化，其斜率大小要适中。湿度范围内，感湿特征量的变化为线性变化，其斜率大小要适中。2、湿度量程、湿度量程 湿度传感器能够比较精确测量相对湿度的最大范围称为湿度量程。湿度传感器按其湿度量程可分为高湿型、低湿型及全湿型三大类。高湿型适用于相对湿度大于70%RH的

5、场合；低湿型适用于相对湿度小于40%RH场合；而全湿型则适用于0100%RH的场合。3、灵敏度、灵敏度 灵敏度为湿度传感器的感湿特征量随相对湿度变化的程度，是该湿度传感器感湿特性曲线的斜率。4.响应时间响应时间 在一定环境湿度下，当环境湿度改变时，湿敏传感器完成吸湿或脱湿以及动态平衡（感湿特征量达到稳定值）过程所需要的时间，称为响应时间。感湿特征量的变化滞后于环境湿度的变化，所以实际多采用感湿特征量的改变量达到总改变量的90%所需要的时间，即以相应的起始湿度和终止湿度这一变化区间90%的相对湿度变化所需的时间来计算。5.5.湿温度系数湿温度系数 湿度传感器的温度系数是表示湿度传感器的感湿特性曲

6、线随环境温度而变化的特性参数。在不同环境温度下，湿度传感器的感湿特性曲线是不同的。图3-2湿敏元件的温度特性 湿度传感器的感湿温度系数定义为：湿度传感器在感湿特征量恒定的条件下，当温度变化时，其对应相对湿度将发生变化，这两个变化量之比，称为感湿温度系数:(3-3)湿度传感器感湿特性曲线随温度的变化越大，由感湿特征量所表示的环境湿度与实际的环境湿度之间的误差就越大，即感湿温度系数越大。湿度传感器的感湿温度系数越小越好，传感器的感湿温度系数越小，在使用中受环境温度的影响也就越小，传感器就越实用。一般湿度传感器的温度系数在0.20.8%RH/。THHCRH21%6、湿滞特性、湿滞特性 在吸湿和脱湿时

7、，两种感湿特性曲线形成一个环形线，称为湿滞回线。湿度传感器这一特性称为湿滞特性。表示湿度传感器湿滞特性的参数是湿滞回差，湿滞回差表示在湿滞回线上，同一感湿特征量值下，吸湿和脱湿两种感湿特性曲线所对应的两湿度的最大差值。图3-3湿度传感器湿滞特性 7.老化特性老化特性 老化特性为湿度传感器在一定温度、湿度环境下，存放一定时间后，于尘土、油污、有害气体等的影响，其感湿特性将发生变化的特性。8.互换性互换性 湿度传感器的一致性和互换性差。当使用中湿度传感器被损坏，那么有时即使换上同一型号的传感器也需要再次进行调试。3.2 湿度传感器的分类及工作原理湿度传感器的分类及工作原理 湿度传感器种类很多，没有

8、统一分类标准。下面按材料分类分别加以介绍。3.2.1 3.2.1 半导体陶瓷湿度传感器半导体陶瓷湿度传感器 半导体陶瓷湿度传感器按其制作工艺不同可分为：烧结型、涂覆膜型、厚膜型、薄膜型和MOS型。陶瓷湿度传感器较成熟的产品有MgCr2O4-TiO2系、ZnO-Cr2O3系、ZrO2系、Al2O3系、Fe3O4系。它们的感湿特征量大多数为电阻，除Fe3O4系外，都为负特性湿敏传感器，即随着环境湿度的增加电阻值降低。1 1、MgCr2O4-TiO2MgCr2O4-TiO2系湿度传感器系湿度传感器 MgCr2O4-TiO2系湿度传感器为烧结型，其结构如下。其感湿体为MgCr2O4-TiO2多孔陶瓷。

9、图3-4 MgCr2-TiO2湿度传感器结构 MgCr2O4-TiO2湿度传感器的感湿特性曲线如下,该湿度传感器的特点是体积小、感湿灵敏度适中，电阻率低，阻值随相对湿度的变化特性好，测量范围宽，可测量0100%RH，响应速度快，响应时间小至几秒。图3-5 MgCr2O4-TiO2湿度传感器的感湿特性曲线 2 2、硅、硅MOSMOS型型AlAl2 2O O3 3湿度传感器湿度传感器 Al2O3湿度传感器根据湿敏元件制作方法不同，可分为多孔Al2O3湿度传感器、涂覆膜状Al2O3湿度传感器和MOS型湿度传感器，下面我们介绍硅MOS型湿度传感器。图3-6Al2O3湿度传感器的结构 MOS型湿度传感器

10、具有响应速度快、化学稳定性好及耐高低温冲击的性能。在Si单晶上制成MOS晶体管，其栅极是用热氧化法生长厚度为80nm的SiO2膜，再在此SiO2上面蒸发上一层高纯度铝，用阳极氧化法使整个铝层都氧化成Al2O3膜，然后在多孔Al2O3膜层上蒸镀多孔金（Au）膜，使感湿膜具有良好的导电性和足够的透水性，在Si衬底下面蒸发上铝层，最后在上下引出电极即可。3.2.2 3.2.2 有机高分子湿度传感器有机高分子湿度传感器 1 1、分子电阻式湿度传感器、分子电阻式湿度传感器 这种传感器的湿敏层为可导电的高分子，强电解质，具有极强的吸水性。水吸附在有极性基的高分子膜上，在低湿下，因吸附量少，不能产生荷电离子

11、，所以电阻值较高，当相对湿度增加时，吸附量也增大，大量的吸附水就成为导电通道。高分子电解质吸水后电离，正负离子对主要起到载流子作用，使高分子湿度传感器的电阻下降。吸湿量不同，高分子介质的阻值也不同，根据阻值变化可测量相对湿度。这类传感器具有重复性好，滞后小的优点。2 2、分子电容式湿度传感器、分子电容式湿度传感器 在洁净的玻璃基片上，蒸镀一层极薄（50nm）的梳状金质，作为下部电极，然后在其上薄薄地涂上一层高分子聚合物（1nm）,干燥后，再在其上蒸镀一层多孔透水的金质作为上部电极，两极间形成电容，最后上下电极焊接引线，就制成了电容式高分子薄膜湿度传感器。当高分子聚合物介质吸湿后，元件的介电常数

12、随环境相对湿度的变化而变化，从而引起电容量的变化。由于高分子膜可以做得很薄，所以元件能迅速吸湿和脱湿，故该类传感器有滞后小和响应速度快等特点。下面是其结构图:图3-7高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的结构 3 3、结露传感器、结露传感器 结露传感器是一种特殊的湿度传感器，它与一般的湿度传感器不同之处在于它对低湿不敏感，仅对高湿敏感，感湿特征量具有开关式变化特性。结露传感器分为电阻型和电容型，目前广泛应用的是电阻型。电阻型结露传感器是在陶瓷基片上制成梳状电极，在其上涂一层电阻式感湿膜，感湿膜采用掺入碳粉的有机高分子材料，在高湿下，电阻膜吸湿后膨胀，体积增加，碳粉间距变大，引起电阻突变；而低湿时，

13、电阻因电阻膜收缩而变小，其特性曲线如图，在75%80%RH以下时，很平坦，而超过75%80%RH陡升。图3-8 结露传感器感湿特性 4 4、石英振动式湿敏传感器、石英振动式湿敏传感器 该类传感器是在石英振子的电极表面涂覆高分子材料感湿膜，当膜吸湿时，由于膜的重量变化而使石英振子共振频率变化，从而检测出环境湿度，传感器在050时，湿度检测范围为0100%RH，误差5%RH。石英振动式湿敏传感器还能检测露点，当石英振子表面结露时，振子的共振频率会发生变化，同时共振阻抗增加。3.2.33.2.3含水量检测含水量检测 通常将空气或其他气体中的水分含量称为“湿度”，将固体物质中的水分含量称为“含水量”。

14、1 1、称重法称重法 将被测物质烘干前后的重量GH和GD测出，含水量的百分数便是(3-4)这种方法很简单，但烘干需要时间，检测的实时性差。而且有些产品不能采用烘干法。2 2、电导法电导法 固体物质吸收水分后电阻变小，用测定电阻率或电导率的方法便可判断含水量。例如用专门的电极安装在生产线上，可以在生产过程中得到含水量数据。但要注意被测物质的表面水分可能与内部含水量不一致，电极应设计成测量纵深部位电阻的形式。%100HDHGGGW 3.电容法电容法 水的介电常数远大于一般干燥固体物质，因此用电容法测物质的介电常数从而测含水量相当灵敏。造纸厂的纸张含水量便可用电容法测量。由于电容法是由极板间的电力线

15、贯穿被测介质内部，所以表面水分引起的误差较小。至于电容值的测定，可用交流电桥电路、谐振电路及伏安法等。4.红外吸收法红外吸收法 水分对波长为1.94的红外射线吸收较强，并且可用几乎不被水分吸收的1.81波长作为参比。由上述两种波长的滤光片对红外光进行轮流切换，根据被测物对这两种波长的能量吸收的比值便可判断含水量。检测元件可用硫化铅光敏电阻，但应使光敏电阻处在1015的某一温度下，为此要用半导体致冷器维持恒温。这种方法也常用于造纸工业的连续生产线。5.微波吸收法微波吸收法 水分对波长为1.36cm附近的微波有显著吸收现象，而植物纤维对此波段的吸收要比水小几十倍，利用这一原理可构成测木材、烟草、粮

16、食、纸张等物质中含水量的仪表。微波法要注意被测物料的密度和温度对检测结果的影响，这种方法的设备稍为复杂一些。3.3 3.3 湿度传感器应用实例湿度传感器应用实例 3.3.13.3.1土壤湿度测量电路土壤湿度测量电路 图为土壤湿度测量电路，H为硅湿敏电阻式湿度传感器，电路由湿度检测电路、信号放大电路和高精度稳压电源电路组成.图3-9土壤湿度测量电路 土壤湿度检测电路由湿敏电阻RH，晶体管VT及R1、R2等组成；信号放大电路由放大器A、RP1、RP2、R3、R4、R5、R8和VD3等组成；稳压电源电路为电路提供2.5V的稳压电源。使用时，将湿度传感器插入土壤中，由于土壤湿度不同，RH阻值也不同。R

17、H为VT的基极偏流电阻，故RH的变化，将导致基极电流的变化，从而改变VT的集电极电流，也改变了发射极电流，R2将发射极电流转换成电压信号，并送至放大器A的同相输入端，经A 放大后输出，VD3将输出电压控制在5V以内。使用前，应先调整，将H插入水中，调RP2使A的输出电压为5V，然后从水中取出H并擦干，调RP1使A的输出电压为0V，这样反复调整至满足要求。该土壤湿度测量电路响应速度快，常温下小于5秒，测湿范围广，为0100%。3.3.2 3.3.2 湿度控制装置湿度控制装置图图3-103-10湿度控制装置电路湿度控制装置电路 图为一湿度控制装置电路，与非门H1、H2和R2、C1组成振荡电路，输出

18、电压经RP1、Rs分压，VD1整流，再经R3、RP2分压送至晶体管VT3。Rs为负特性电阻式湿度传感器湿敏电阻，当湿度下降时，Rs降值增大，其上分压增大，使VT3导通，VT3集电极电位下降，使VT4截止，继电器K2释放，其常开触点K2-1断开，干燥设备断电不工作，LED 2（驱湿信号）灭，而VT1、VT2导通，LED1（增湿信号）亮，继电器K1吸合，其常开触点K1-1闭合，接通增湿设备增湿。当湿度增大，Rs阻值减小，其上分压减小，使VT3截止，VT3集电极电位升高，VT4导通，LED2亮，继电器K2吸合，其常开触点K2-1闭合，接通干燥设备进行驱湿，而VT1、VT2截止，LED1灭,继电器K1

19、释放,其常开触点K1-1断开，增湿设备断电停止工作。3.3.3 3.3.3 录像机结露报警电路录像机结露报警电路 录像机中应安装结露传感器及保护装置，保护磁头及磁带。因环境湿度过大，走带机构的磁鼓、导带杆、主轴等金属零件上会结露，导致磁带和机械传动装置之间的磨擦力加大，进而造成磁带速度不稳，甚至停止，而由结露传感器可检测结露信号，提供相应控制信号使录像机自动进入结露停机保护状态。图3-11录像机结露报警电路录像机结露报警电路 录像机结露报警电路如图，此电路由VT1VT4组成，在结露时，发光二极管LED发光报警，并在电路输出端输出控制信号使录像机进入停机保护状态。在正常湿度（80%RH）以下，结

20、露传感器的电阻值约为2K，VT1因基极电压低于0.5V而截止，而VT2饱和导通，VT2集电极电位低于1V，VT3、VT4接成达林顿电路，且VT3基极（接VT2集电极）电位低于1V，使VT3、VT4截止，结露指示灯LED不亮，输出控制信号为低电平。在结露（高湿）时，结露传感器的电阻值急剧增大，当大于50K时，使VT1的基极电位升高，VT1饱和导通，VT1集电极电位降低，使VT2截止，VT3、VT4导通，结露指示灯LED亮，输出控制信号为高电平，使录像机进入除露保护状态。结露传感器串联二极管VD1是为了进行温度补偿，VT1基极接滤波电容C是为了在除露时略有延时。小结小结 湿度是我们非常熟悉的一个物

21、理量，不论是生活或生产中，都会与它接触，合适的湿度对于生产和生活都是非常重要的。湿度传感器是将湿度信号转换为电信号的器件，通过湿敏元件的电量信号（电阻、电容等）随环境湿度变化而变化的特性来检测的。湿度传感器的分类方法繁多，种类各不相同，感湿机理千差万别。自1938年美国F.W.Dummore研制成功浸涂式氯化锂湿敏元件至今，已有几十种湿敏元件应运而生。常用的湿敏元件及湿度传感器，主要是电阻式湿敏元件，且从发展来看，其湿敏材料主要是半导体陶瓷材料；从结构上来看，发展厚膜型或薄膜型。它们工作范围宽，响应时间短，缺点是非线性大，温度系数大。电容式湿敏元件的特点是线性度好、响应快。目前湿敏传感技术的研究还远远不如对温度等其他传感器技术研究得那么精确和完美。湿度较难检测，原因在于湿信息的传递较复杂。湿信息必须靠其信息物质水对湿敏元件直接接触来完成。因此，湿敏元件不能密封、隔离，必须直接暴露于待测的环境中。而水在自然环境中容易发生三态变化。当其液化或结冰时，往往使湿敏器件的高分子材料或电解质材料溶解、腐蚀或老化，给测量带来不利。湿度传感器目前最主要的技术性难点就是长期稳定性差及互换性差，给生产单位和用户带来诸多不便，有时为得到长期可靠的湿度传感器，宁可在测量精度、响应时间、形状尺寸、湿度和温度特性等方面作出一些牺牲。