1、2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下10707传感器及应用传感器及应用第第8 8章气体传感器与湿度传感器章气体传感器与湿度传感器- -（下）（下）2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下28.8湿度传感器概述湿度传感器概述8.8.1湿度与科研生产和日常生活的湿度与科研生产和日常生活的关系关系 湿度是指大气中存在的水蒸气的含量湿度是指大气中存在的水蒸气的含量 空气中的含水量会影响燃烧过程中工作物空气中的含水量会影响燃烧过程中工作物的效率、以及天然气的输送和贮存等的效率、以及天然气的输送和贮存等 在日常生活中，为防止物品腐烂、分解和在日常生活
2、中，为防止物品腐烂、分解和变质，在运输和贮藏期间物品的保存，应变质，在运输和贮藏期间物品的保存，应对湿度加以控制对湿度加以控制 在国防、军工、工业生产和农业等方面也在国防、军工、工业生产和农业等方面也有对湿度的测控要求有对湿度的测控要求2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下3 由于湿度对天然纤维和合成纤维有影由于湿度对天然纤维和合成纤维有影响，因此在纺织工业、造纸和印刷过响，因此在纺织工业、造纸和印刷过程中都须对湿度严格控制程中都须对湿度严格控制 在工业生产中，湿度的测控直接关系在工业生产中，湿度的测控直接关系到产品的质量，精密仪器、半导体集到产品的质量，精密仪器、
3、半导体集成电路与元件的制造场所，湿度的测成电路与元件的制造场所，湿度的测控就显得更为重要控就显得更为重要 天气预报、农作物生长等也与湿度密天气预报、农作物生长等也与湿度密切相关切相关2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下4 在枪支弹药、军用仪器、武器装备等在枪支弹药、军用仪器、武器装备等都不能受潮，对军用仓库必须对温度都不能受潮，对军用仓库必须对温度和湿度进行自动检测与控制和湿度进行自动检测与控制 集成电路的失效与湿度关系很大集成电路的失效与湿度关系很大 为确保军用电子的可靠性，美国人将为确保军用电子的可靠性，美国人将微湿度传感器与集成电路封装在一起，微湿度传感器与
4、集成电路封装在一起，监测其早期失效监测其早期失效 湿度的测量是计量中的难点之一，它的湿度的测量是计量中的难点之一，它的准确程度受气压、温度等因素的影响，准确程度受气压、温度等因素的影响，目前有二、三十种测量方法目前有二、三十种测量方法2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下5 含有水气的空气是一种混合气体，对空气中水气的含量的定量描述称为湿度湿度。湿度的表示方法很多，主要有： 相对湿度与绝对湿度， 露点 质量百分比、体积百分比等三种。8.8.2湿度的表示方法湿度的表示方法 2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下61.相对湿度和绝对湿度相对湿
5、度和绝对湿度（1）绝对湿度）绝对湿度 绝对湿度绝对湿度 表示单位体积内空气里所含的表示单位体积内空气里所含的水蒸气的质量，可表示为水蒸气的质量，可表示为 其中其中V为测量空气的体积，为测量空气的体积，MV为水蒸气为水蒸气的重量。的重量。）克米2(VMV2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下7（2）相对湿度）相对湿度 水蒸气压是指在一定温度条件下，混合水蒸气压是指在一定温度条件下，混合气体（空气）中存在水蒸气分压（气体（空气）中存在水蒸气分压（PV） 饱和蒸气压是指在某一温度下，混合气饱和蒸气压是指在某一温度下，混合气体中所含水蒸气压的最大值（体中所含水蒸气压的最大值
6、（PW） 温度越高，饱和水蒸气压越大温度越高，饱和水蒸气压越大 在某一温度下，其水蒸气分压同饱和蒸在某一温度下，其水蒸气分压同饱和蒸气压的百分比，称相对湿度，其表示式气压的百分比，称相对湿度，其表示式为为2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下8 在湿度测量中一般采用在湿度测量中一般采用相对湿度相对湿度，表示为，表示为RH 因为在实际生活中，许多与湿度有关的现因为在实际生活中，许多与湿度有关的现象，如水分蒸发的快慢，人体的自我感觉象，如水分蒸发的快慢，人体的自我感觉空气的干湿程度等，都是与空气中水蒸气空气的干湿程度等，都是与空气中水蒸气和同温度下的饱和蒸气压之间差值相
7、关和同温度下的饱和蒸气压之间差值相关RH%100)(TWVPP2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下93.露（霜）点露（霜）点 水的饱和蒸气压总是随着环境温度的降水的饱和蒸气压总是随着环境温度的降低成逐渐下降的，环境的温度越低，则低成逐渐下降的，环境的温度越低，则空气中水蒸气压与同温度下水的饱和蒸空气中水蒸气压与同温度下水的饱和蒸气压差值就越小气压差值就越小 当空气的温度下降到某一温度时，空气当空气的温度下降到某一温度时，空气中的水蒸气压与该温度下的水的饱和蒸中的水蒸气压与该温度下的水的饱和蒸气相等，这时的相对湿度为气相等，这时的相对湿度为100RH， 2022-6
8、-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下10 空气中的水蒸气将向液相转化，凝结为空气中的水蒸气将向液相转化，凝结为露珠，这时的温度称空气的露点。露珠，这时的温度称空气的露点。 如果露点的温度低于如果露点的温度低于0C，水蒸气将结霜，水蒸气将结霜，这时的温度称霜点。这时的温度称霜点。 通常霜点与露点不予区分，统称为露点。通常霜点与露点不予区分，统称为露点。 空气中水蒸气压越小，露点就越低，因空气中水蒸气压越小，露点就越低，因此可以用露点表示空气的湿度。露点与此可以用露点表示空气的湿度。露点与相对湿度的关系如图所示。相对湿度的关系如图所示。2022-6-2207传感器及应用第8章气体
9、传感器及湿度传感器-下11 图3.2.12022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下124. 质量百分比与体积百分比质量百分比与体积百分比 质量为质量为M的混合气体中，若含有水蒸气的混合气体中，若含有水蒸气的质量为的质量为m，则质量百分比为，则质量百分比为 m/M100 体积为体积为V的混合气体中，若含有水蒸气的的混合气体中，若含有水蒸气的体积为体积为v，则体积百分比为，则体积百分比为 v/V100 体积百分比常用来表示低湿度系统。体积百分比常用来表示低湿度系统。 2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下135.湿湿度度传传感感器器的的分分类类2
10、022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下146.对对 湿度传感器的要求湿度传感器的要求（1）不同领域对湿度传感器的要求）不同领域对湿度传感器的要求 不同的湿度测量和控制领域，对湿度传感不同的湿度测量和控制领域，对湿度传感器的要求并不相同器的要求并不相同 民用方面的要求是价格低廉，不易老化民用方面的要求是价格低廉，不易老化 工业和科研中则要求精度、高互换性好、工业和科研中则要求精度、高互换性好、可靠可靠 经常暴露于烟雾等环境中则要求湿度传感经常暴露于烟雾等环境中则要求湿度传感器抗污染能力强器抗污染能力强 在高温环境中，则要求湿度传感器在高温在高温环境中，则要求湿度传感器在
11、高温下可靠地工作下可靠地工作2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下15（2）对湿度传感器的共同要求）对湿度传感器的共同要求 对水蒸气灵敏度高，受其它气体干扰小，对水蒸气灵敏度高，受其它气体干扰小，有好的选择性有好的选择性 湿滞小，重复性好，测湿可靠湿滞小，重复性好，测湿可靠 工作温区宽，温度变化（温度系数）小工作温区宽，温度变化（温度系数）小 响应速度快，维护方便，价格低廉响应速度快，维护方便，价格低廉 体积小，重量轻，寿命长体积小，重量轻，寿命长2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下16 因为大气中水蒸气的含量与空气相比是相当因为大气中
12、水蒸气的含量与空气相比是相当微小的，这些水分在湿敏元件的表面难于均微小的，这些水分在湿敏元件的表面难于均匀分布。所以重复性、和可靠性都比较差的。匀分布。所以重复性、和可靠性都比较差的。 实际上，要全面满足以上要求是比较困难的，实际上，要全面满足以上要求是比较困难的，通常采用折衷的办法。通常采用折衷的办法。 必需指出的是，湿度传感器的使用寿命与其必需指出的是，湿度传感器的使用寿命与其品种和使用条件有非常密切的关系。品种和使用条件有非常密切的关系。 就目前的情况来说，一般少于就目前的情况来说，一般少于3 5年，有的年，有的湿度传感器的使用寿命只有几个月。湿度传感器的使用寿命只有几个月。 湿度是较难
13、测准的物理参数之一。湿度是较难测准的物理参数之一。 2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下178.8.3 保证一个湿敏器件能够正常工作所允许保证一个湿敏器件能够正常工作所允许环境相对湿度可以变化的最大范围，称环境相对湿度可以变化的最大范围，称为这个湿敏元件的湿度量程。为这个湿敏元件的湿度量程。 湿度量程越大，其实际使用价值越大。湿度量程越大，其实际使用价值越大。 理想的湿敏元件的使用范围应当是理想的湿敏元件的使用范围应当是0-100RH的全量程。的全量程。2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下18 每一种湿敏元件都有其感湿特征量，如每一种
14、湿敏元件都有其感湿特征量，如电阻、电容、电压、频率等。电阻、电容、电压、频率等。 湿敏元件的感湿特征量随环境相对湿度湿敏元件的感湿特征量随环境相对湿度变化的关系曲线，称为该元件的感湿特变化的关系曲线，称为该元件的感湿特征量征量相对湿度特性曲线，简称感湿相对湿度特性曲线，简称感湿特性曲线。特性曲线。 人们希望特性曲线应当在全量程上是连人们希望特性曲线应当在全量程上是连续的，曲线各处斜率相等，即特性曲线续的，曲线各处斜率相等，即特性曲线呈直线。呈直线。2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下19 湿敏元件的灵敏度，相对于环境湿度的变湿敏元件的灵敏度，相对于环境湿度的变化、
15、元件感湿特征量的变化程度。化、元件感湿特征量的变化程度。 由于多数的湿度传感器是非线性的，只能由于多数的湿度传感器是非线性的，只能采用平均的方法。采用平均的方法。 例如日本生产的例如日本生产的MgCr2O4TiO2湿敏元湿敏元件的灵敏度用一组对应湿度的电阻比件的灵敏度用一组对应湿度的电阻比R1%R20%，R1%R40%，R1%R 60 %，R1%R80%及及R1%R100%表示对应湿度表示对应湿度下的灵敏度。下的灵敏度。2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下20 湿敏元件的湿度温度系数是表示感湿特湿敏元件的湿度温度系数是表示感湿特性曲线随环境温度而变化的特性参数。性
16、曲线随环境温度而变化的特性参数。 在不同的环境温度下，湿敏元件的感湿在不同的环境温度下，湿敏元件的感湿特性曲线是不相同的，它直接给测量带特性曲线是不相同的，它直接给测量带来误差。来误差。 湿敏元件的湿度温度系数定义为：在湿湿敏元件的湿度温度系数定义为：在湿敏元件感湿特征量恒定的条件下，该感敏元件感湿特征量恒定的条件下，该感湿特征量值所表示的环境相对湿度随环湿特征量值所表示的环境相对湿度随环境温度的变化率。境温度的变化率。2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下21 由湿敏元件的湿度温度系数由湿敏元件的湿度温度系数值，即可值，即可得知湿敏元件由于境环温度的变化所引得知湿
17、敏元件由于境环温度的变化所引起的测湿误差。起的测湿误差。 T为绝对湿度，为绝对湿度，K为元件的特征量，为元件的特征量， 为为湿度温度系数。湿度温度系数。 当湿度传感器的当湿度传感器的= =0.3RH%/C如果环境如果环境温度变化温度变化20C ，引起湿度传感器的相对，引起湿度传感器的相对误差为误差为6 RH%。KdTRHd)(2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下22（5） 响应时间反映湿敏元件在相对湿度变化时响应时间反映湿敏元件在相对湿度变化时输出特征量随相对湿度变化的快慢程度。输出特征量随相对湿度变化的快慢程度。 一般规定为一般规定为响应相对湿度变化量的响应相对
18、湿度变化量的63时时所需要的时间所需要的时间。2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下23 各种湿敏元件吸湿和脱湿的响应时间各不各种湿敏元件吸湿和脱湿的响应时间各不相同，而且吸湿和脱湿的特性曲线也不相相同，而且吸湿和脱湿的特性曲线也不相同。一般总是同。一般总是脱湿比吸湿迟后脱湿比吸湿迟后，我们称这，我们称这一特性为一特性为湿滞现象湿滞现象 湿滞现象可以用吸湿和脱湿特征曲线所构湿滞现象可以用吸湿和脱湿特征曲线所构成的回线成的回线来表示，我们称这一回线为湿滞来表示，我们称这一回线为湿滞回线。回线。 人们希望湿敏元件的湿滞回差越小越好。人们希望湿敏元件的湿滞回差越小越好。2
19、022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下248.9电解质湿度传感器电解质湿度传感器8.9.1电介质湿度传感器的工作机电介质湿度传感器的工作机理和类型理和类型 电解质的水溶液（或熔融态）具有导电电解质的水溶液（或熔融态）具有导电能力，导电载流子是带电荷的正、负离能力，导电载流子是带电荷的正、负离子。子。 当电介质吸附水气后，离子浓度发生变当电介质吸附水气后，离子浓度发生变化因而其电导将发生相应的改变。化因而其电导将发生相应的改变。 由电介质电导的变化可以测定湿度。由电介质电导的变化可以测定湿度。 电介质传感器有氯化锂和高分子电介质电介质传感器有氯化锂和高分子电介质型两大类
20、，其中以氯化锂湿度传感器较型两大类，其中以氯化锂湿度传感器较为成熟。为成熟。2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下258.9.2氯化锂传感器的组成氯化锂传感器的组成 在绝缘基板上制作一对金属电极，其上在绝缘基板上制作一对金属电极，其上面再涂覆一层电解质溶液，即可形成一面再涂覆一层电解质溶液，即可形成一层感湿膜。层感湿膜。 在聚乙烯醇是水溶性高分子材料（作为在聚乙烯醇是水溶性高分子材料（作为湿敏材料以聚合度湿敏材料以聚合度1650左右为宜）中加左右为宜）中加入一定比率入一定比率LiCl在聚乙烯醇膜中，在聚乙烯醇膜中， 与空气接触，吸附空气中的水分，使部与空气接触，吸附
21、空气中的水分，使部分分LiCl解离，生成离子，作为载流子，解离，生成离子，作为载流子，从而湿敏元件的电阻值降低。从而湿敏元件的电阻值降低。2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下26 可以根据电阻的大小来测定空气中湿度可以根据电阻的大小来测定空气中湿度的大小。的大小。 LiCl（氯化锂）饱和水溶液（氯化锂）饱和水溶液25 C时的平时的平衡蒸汽压低，仅为衡蒸汽压低，仅为12RH。 与之相比，与之相比，NaCl饱和水溶液饱和水溶液25 C时的平时的平衡蒸气压是衡蒸气压是76RH。 因此因此LiCl饱和水溶液具有很强的吸湿能饱和水溶液具有很强的吸湿能力。力。 电解质系湿度传
22、感器有登莫式与浸渍式电解质系湿度传感器有登莫式与浸渍式两大类。两大类。 2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下278.9.3电介质湿度传感器的主要类型电介质湿度传感器的主要类型1.登莫式湿度传感器登莫式湿度传感器 在聚苯乙烯圆管上做出两条相互平行的钯在聚苯乙烯圆管上做出两条相互平行的钯引线作为电极，在该聚苯乙烯管上涂覆一引线作为电极，在该聚苯乙烯管上涂覆一层经过适当碱化处理的聚乙烯醋酸盐和氯层经过适当碱化处理的聚乙烯醋酸盐和氯化锂水溶液的混合液，以形成均匀薄膜。化锂水溶液的混合液，以形成均匀薄膜。2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下28
23、2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下292.浸渍式浸渍式 浸渍式传感器是在基片材料上直接浸渍浸渍式传感器是在基片材料上直接浸渍氯化锂溶液构成的。这类传感器的浸渍氯化锂溶液构成的。这类传感器的浸渍基片材料为天然树皮。在基片上浸渍氯基片材料为天然树皮。在基片上浸渍氯化锂溶液。化锂溶液。 并直接在基片上浸渍氯化锂溶液，因此并直接在基片上浸渍氯化锂溶液，因此这种传感器具有小型化的特点。它适应这种传感器具有小型化的特点。它适应于微小空间的湿度检测。于微小空间的湿度检测。2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下303.复合式氯化锂湿度传感器复合式氯化
24、锂湿度传感器 若只采用一个传感器件，则其检测范围若只采用一个传感器件，则其检测范围狭窄。狭窄。 因此，设法将氯化锂含量不同的几种传因此，设法将氯化锂含量不同的几种传感器组合使用，使其检测范围能达到感器组合使用，使其检测范围能达到(20-90)的相对湿度。的相对湿度。 氯化锂湿度传感器有各种型号可以对不氯化锂湿度传感器有各种型号可以对不同湿度量程进行比较精确的测定。同湿度量程进行比较精确的测定。 目前氯化锂湿度传感器仍有广泛应用。目前氯化锂湿度传感器仍有广泛应用。2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下312022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-
25、下328.108.108.10.1陶瓷湿度传感器的分类陶瓷湿度传感器的分类 按其制作工艺分类：按其制作工艺分类： 有涂覆膜型、烧结体型、厚膜型、薄膜有涂覆膜型、烧结体型、厚膜型、薄膜型及型及MOS型等。型等。 目前获得广泛应用的是陶瓷湿度传感器。目前获得广泛应用的是陶瓷湿度传感器。2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下33 此类湿度敏感元件是此类湿度敏感元件是把感湿粉料把感湿粉料(金属氧金属氧化物化物)调浆，涂覆在已制好的梳状电极或调浆，涂覆在已制好的梳状电极或平行电极的滑石瓷、氧化铝或玻璃等基平行电极的滑石瓷、氧化铝或玻璃等基板上板上。 四氧化三铁、五氧化二钒及三
26、氧化二铝四氧化三铁、五氧化二钒及三氧化二铝等湿敏元件均属此类。等湿敏元件均属此类。 其中比较典型是性能较好的是四氧化三其中比较典型是性能较好的是四氧化三铁湿敏元件。铁湿敏元件。 但现在较少使用。但现在较少使用。2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下348.10.31.烧结型湿度传感器的特点烧结型湿度传感器的特点 这类元件的感湿体是通过典型的陶瓷工这类元件的感湿体是通过典型的陶瓷工艺制成的。艺制成的。 即将颗粒大小处于一定范围的陶瓷粉料即将颗粒大小处于一定范围的陶瓷粉料外加利于成型的结合剂和增塑剂等用外加利于成型的结合剂和增塑剂等用压力轧膜，流延或注浆等方法成型，然压
27、力轧膜，流延或注浆等方法成型，然后在适合的烧成条件下，后在适合的烧成条件下， 在规定的温度和气氛下烧成，待冷却清在规定的温度和气氛下烧成，待冷却清洗，复电极，装好引线。洗，复电极，装好引线。 2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下35 这类元件的可靠性、重现性等均比涂覆这类元件的可靠性、重现性等均比涂覆元件好，而且是体积导电，不存在表面元件好，而且是体积导电，不存在表面漏电流，元件结构也简单。漏电流，元件结构也简单。 这是一类十分有发展前途的湿敏元件，这是一类十分有发展前途的湿敏元件，其中较为成熟，且具有代表性的是：其中较为成熟，且具有代表性的是： 铬酸镁铬酸镁-二
28、氧化钛二氧化钛(MgCr2O4-TiO2)陶瓷陶瓷湿度传感器，湿度传感器， 五氧化二钒五氧化二钒-二氧化钛二氧化钛(V 2O5-TiO2)陶瓷陶瓷湿度传感器、湿度传感器、2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下36 羟基磷灰石羟基磷灰石(Ca10(P04)6(OH) 2)陶瓷湿度陶瓷湿度传感器，传感器， 及氧化锌及氧化锌-三氧化二铬三氧化二铬(ZnO-Cr2O3)陶陶瓷湿度传感器等。瓷湿度传感器等。2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下37 在在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的两面，设置高孔金陶瓷片的两面，设置高孔金电极，并用掺金玻璃粉将引
29、出线与金电极烧结电极，并用掺金玻璃粉将引出线与金电极烧结在一起。在半导体陶瓷片的外面，安放一个由在一起。在半导体陶瓷片的外面，安放一个由镍铬丝烧制而成的加热清洗圈镍铬丝烧制而成的加热清洗圈(又称又称Kathal加热加热器器)，以便对元件进行经常加热清洗，排除有，以便对元件进行经常加热清洗，排除有害气氛对元件的污染。元件安放在一种高度致害气氛对元件的污染。元件安放在一种高度致密的、疏水性的陶瓷基片上。密的、疏水性的陶瓷基片上。 为消除底座上测量电极为消除底座上测量电极2和和3之间由于吸湿和沾之间由于吸湿和沾污而引起的漏电，在电极污而引起的漏电，在电极2和和3的四周设置了金的四周设置了金短路环短路
30、环.2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下382022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下39 陶瓷湿度传感器是利用一陶瓷湿度传感器是利用一些氧化物吸收水分子后，些氧化物吸收水分子后，由于电离水的离子电导率由于电离水的离子电导率变化来测定湿度。变化来测定湿度。 MgCr2O4系列是最早用于系列是最早用于实用化的一种陶瓷传感器，实用化的一种陶瓷传感器， I型是用于低湿度的高灵敏型是用于低湿度的高灵敏度的；度的； II型为全湿度范围的，在对型为全湿度范围的，在对数尺度上大致成线性关系，数尺度上大致成线性关系，当湿度大于当湿度大于1RH时就可时就可以
31、测量。以测量。2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下40 由于陶瓷传感器响应时间较短，精度较高，由于陶瓷传感器响应时间较短，精度较高，有一定的抗污染能力，成本低廉，工艺简有一定的抗污染能力，成本低廉，工艺简单，单， MgCr2O4系列湿度传感器的不足之处是性系列湿度传感器的不足之处是性能不够稳定，需要加热清洗，这会加速陶能不够稳定，需要加热清洗，这会加速陶瓷传感器的老化，并导致湿度无法连续测瓷传感器的老化，并导致湿度无法连续测量。量。 可用于高温环境可用于高温环境(150)，最高承受温度可，最高承受温度可达达600；能用电热反复进行清洗除掉；能用电热反复进行清洗除掉
32、吸附在陶瓷上的油雾、灰尘、等污染物，吸附在陶瓷上的油雾、灰尘、等污染物，响应速度快响应速度快(一般不超过一般不超过20s)；长期稳定性；长期稳定性好。好。2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下412022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下42 ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件是不用电热清陶瓷湿敏元件是不用电热清洗的陶瓷湿敏元件。洗的陶瓷湿敏元件。 该湿敏元件的电阻率几于不随温度改变该湿敏元件的电阻率几于不随温度改变，老化现象很小，长期使用后电阻率变，老化现象很小，长期使用后电阻率变化只有百分之几。元件的响应速度快，化只有百分之几。元件的响应速度
33、快，(0-100)RH时，约时，约10s湿度变化土湿度变化土20时，响应时间仅时，响应时间仅2s；吸湿和脱湿时几；吸湿和脱湿时几乎没有湿滞现象。乎没有湿滞现象。 但这些大都是研究报道，没有正规产品但这些大都是研究报道，没有正规产品。2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下43 特点：电容式特点：电容式 工作机制：吸附水汽后使系统介电常数工作机制：吸附水汽后使系统介电常数增加，电容量随湿度增大而增大。增加，电容量随湿度增大而增大。2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下44 氧化铝薄薄传感器结氧化铝薄薄传感器结构如右，构如右， 多孔导电层多孔导
34、电层A是用蒸发是用蒸发金膜制成的对面电极，金膜制成的对面电极，它能使水蒸汽浸透氧它能使水蒸汽浸透氧化铝层，化铝层， B为湿敏部分，为湿敏部分， C为绝缘层为绝缘层(高分子绝高分子绝缘膜缘膜)； D为导线。为导线。rdAC02022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下45 优点优点 体积小，温度范围宽体积小，温度范围宽(从从-111+20及从及从+20 +60)，元件响应快，在低湿下灵敏，元件响应快，在低湿下灵敏度高。度高。 缺点缺点 对污染敏感而影响精度，高湿时精度较差，对污染敏感而影响精度，高湿时精度较差，工艺复杂，老化严重，稳定性差。工艺复杂，老化严重，稳定性差。 这
35、种湿度传感器在低湿度下是首选传感器这种湿度传感器在低湿度下是首选传感器,但价格很高。但价格很高。 据了解，美国人在集成电路中安装的微型据了解，美国人在集成电路中安装的微型湿度传感器就是薄膜氧化铝湿度传感器。湿度传感器就是薄膜氧化铝湿度传感器。2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下462022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下471. 碳湿敏元件采用的感湿材料是溶胀性能碳湿敏元件采用的感湿材料是溶胀性能较好的羟乙基纤维素较好的羟乙基纤维素(HEC)。 羟乙基纤维素碳湿敏元件多采用丙烯酸羟乙基纤维素碳湿敏元件多采用丙烯酸塑料作为基片，采用涂刷导银
36、导电胶或塑料作为基片，采用涂刷导银导电胶或真空镀金、化学淀积等方法，在基片两真空镀金、化学淀积等方法，在基片两长边的边缘上形成金属电极，然后，再长边的边缘上形成金属电极，然后，再在其上浸涂一层由羟乙基纤维素、导电在其上浸涂一层由羟乙基纤维素、导电碳黑和润湿性分散剂组成的浸涂液，待碳黑和润湿性分散剂组成的浸涂液，待溶剂蒸发后即可获得一层具有胀缩特性溶剂蒸发后即可获得一层具有胀缩特性的感湿膜。经老化、标定后即可使用的感湿膜。经老化、标定后即可使用2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下48l在印制梳状电极的氧化铝基片上涂以电在印制梳状电极的氧化铝基片上涂以电阻式感湿膜，感
37、湿膜由新型树脂和碳粒阻式感湿膜，感湿膜由新型树脂和碳粒组成。组成。l该元件在低湿时几乎没有感湿灵敏度，该元件在低湿时几乎没有感湿灵敏度，而在高湿而在高湿(94RH以上以上)时，其阻值剧时，其阻值剧增增l呈现开关式阻值变化特性。呈现开关式阻值变化特性。2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下492022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下50(1)即使在使用中有灰尘和其它气体产生即使在使用中有灰尘和其它气体产生的表面污染，对元件的湿度特性影响的表面污染，对元件的湿度特性影响很小；很小； (2)能够检测并区别结露、水分等高湿状能够检测并区别结露、水分
38、等高湿状态态(3)尽管存在滞后等因素会引起特性变化，尽管存在滞后等因素会引起特性变化，但由于具有急剧的开关特性，故工作但由于具有急剧的开关特性，故工作点变动较小；点变动较小；2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下51 (4)能使用直流电压设计电路，因为是能使用直流电压设计电路，因为是导电无极化现象，故可用直流电源。导电无极化现象，故可用直流电源。2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下52 这是这是70年代新发展起来的一类比较理想年代新发展起来的一类比较理想的湿敏元件。的湿敏元件。 作为感湿材料的高分子聚合物能随周围作为感湿材料的高分子聚合
39、物能随周围环境的相对湿度大小成比例的吸附和释环境的相对湿度大小成比例的吸附和释放水分子。因为这类高分子大多是具有放水分子。因为这类高分子大多是具有较小电介常数较小电介常数(r27)的电介质，而水的电介质，而水分子偶极矩的存在大大提高了聚合物的分子偶极矩的存在大大提高了聚合物的介电常数介电常数(r 83)。因此将此类特性的高。因此将此类特性的高分子电介质做成电容器，测定其电容量分子电介质做成电容器，测定其电容量的变化，即可得出环境相对湿度。的变化，即可得出环境相对湿度。2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下53结构2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿
40、度传感器-下54这种湿度传感器的线这种湿度传感器的线性度较好，吸湿响应性度较好，吸湿响应时间短，一般小于时间短，一般小于5s也有短的小于也有短的小于1s.基感湿特性受温度影基感湿特性受温度影响很小，在响很小，在550C范围内，电容温度系范围内，电容温度系数约为数约为0.06%RH/C2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下55 目前国内已有一些工厂在生产这样湿度目前国内已有一些工厂在生产这样湿度传感器传感器.世界上较有名的是芬兰的产品，世界上较有名的是芬兰的产品，我国较多单位在使用这种产品，如我国较多单位在使用这种产品，如2022-6-2207传感器及应用第8章气体传
41、感器及湿度传感器-下562022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下572022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下582022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下598.12.其它一些的湿度传感器其它一些的湿度传感器8.12.1 毛发湿度计毛发湿度计 人的毛发之类的蛋白质，具有湿胀干缩人的毛发之类的蛋白质，具有湿胀干缩的特性，因而利用环境湿度变化而导致的特性，因而利用环境湿度变化而导致毛发尺寸（长度）变化，可以测知环境毛发尺寸（长度）变化，可以测知环境湿度的变化。湿度的变化。 例如，当相对相对湿度由例如，当相对相对湿度由0RH
42、变化到变化到100RH时，人的头发会伸长约时，人的头发会伸长约2.5。 2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下602022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下61 通过杠杆将这种伸长放大，从而转动指针，通过杠杆将这种伸长放大，从而转动指针，读出湿度。读出湿度。 其测试精度较差，一般误差为其测试精度较差，一般误差为5RH。 由于这种湿度计具有直接指示、可进行连由于这种湿度计具有直接指示、可进行连接自动记录和易于转换等优点，接自动记录和易于转换等优点， 所以毛发湿度计目前仍在使用。所以毛发湿度计目前仍在使用。2022-6-2207传感器及应用第8章
43、气体传感器及湿度传感器-下628.12.2干湿球湿度计干湿球湿度计 用二支刻度相同的度温度计，其中一支用二支刻度相同的度温度计，其中一支温度计的测温端用浸水的纱布湿润；由温度计的测温端用浸水的纱布湿润；由于湿端的水分会不断的蒸发而吸热，所于湿端的水分会不断的蒸发而吸热，所以干、湿温度计上将有温差。以干、湿温度计上将有温差。 这是一个热力学平衡过程，可以根据测这是一个热力学平衡过程，可以根据测试的温度和二支温度计的温度差查表，试的温度和二支温度计的温度差查表，即可得相对湿度。即可得相对湿度。 只要温度测定精确，通过查表，可以得只要温度测定精确，通过查表，可以得到很精确的相对湿度。到很精确的相对湿
44、度。 2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下632022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下642022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下652022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下66 目前用热敏电阻替代干湿球，目前用热敏电阻替代干湿球， 将二个热敏电阻接在电桥上，取出各自将二个热敏电阻接在电桥上，取出各自的电信号后，经与电脑或单片机中存储的电信号后，经与电脑或单片机中存储的湿度表信息比较后，就可以测量或控的湿度表信息比较后，就可以测量或控制湿度；制湿度； 这种装制称电子干湿度计，这种装制称电
45、子干湿度计， 已经在养殖场和苗圃中得到使用。已经在养殖场和苗圃中得到使用。2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下678.12.3石英振动式湿度传感器石英振动式湿度传感器 石英振子作为频率源广泛被用于检测仪石英振子作为频率源广泛被用于检测仪器、通讯装置及计时等领域。器、通讯装置及计时等领域。 石英振子的共振频率取决于石英的形状、石英振子的共振频率取决于石英的形状、切割方向、表面状态和电极共振系统的切割方向、表面状态和电极共振系统的负载。负载。 当石英振子的表面吸附水蒸气后，它的当石英振子的表面吸附水蒸气后，它的振动频率将发生变化，从而可以进行湿振动频率将发生变化，从而
46、可以进行湿度测定。度测定。 2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下68 12022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下69 在干燥的空气中，对于在干燥的空气中，对于10MHz，AT切割切割的振子，其阻抗为的振子，其阻抗为50 ，但在结露状态，但在结露状态就会变成就会变成200 以上。以上。 将石英振子安装在致冷元件上，当制冷将石英振子安装在致冷元件上，当制冷到露点温度时表面开始结霜，振子的频到露点温度时表面开始结霜，振子的频率发生变化，使共振阻抗增加，这时的率发生变化，使共振阻抗增加，这时的温度可由温度传感器测定，从而也确定温度可由温度传感器测
47、定，从而也确定了露点。了露点。2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下708.13 湿度传感器的选用原则湿度传感器的选用原则 湿度的精确测量是比较困难的，湿度的精确测量是比较困难的， 一般的湿度测量仪的精度为一般的湿度测量仪的精度为5%RH左右，左右，要达到要达到2 %RH 3%RH 的精度就比较困的精度就比较困难。难。 湿度传感器的参数也比较多，但实际使湿度传感器的参数也比较多，但实际使用时重要的是用时重要的是量程量程、精度精度、响应时间响应时间、工作温度工作温度及及稳定性稳定性。 2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下71 目前的湿度传
48、感器有阻抗式和电容式两目前的湿度传感器有阻抗式和电容式两种类型。种类型。 阻抗式湿度传感器有较宽的工作湿度范阻抗式湿度传感器有较宽的工作湿度范围，较小的响应时间，缺点是非线性系围，较小的响应时间，缺点是非线性系数大，数大， 温度系数大，电路中要求线性化温度系数大，电路中要求线性化处理和温度补偿电路，电路调整较麻烦，处理和温度补偿电路，电路调整较麻烦， 而电容式湿度传感器有较小的响应时间，而电容式湿度传感器有较小的响应时间，线性度好，电路相对要简单一些。线性度好，电路相对要简单一些。 2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下72 高分子湿度传感器的稳定性好，但寿命高分子
49、湿度传感器的稳定性好，但寿命不太长，如在较干净的环境使用，寿命不太长，如在较干净的环境使用，寿命可达可达1 2年，在野外工作寿命为年，在野外工作寿命为0.5 1年。年。 相比之下，陶瓷湿度传感器虽然稳定性相比之下，陶瓷湿度传感器虽然稳定性欠佳，但寿命较长，一般可达欠佳，但寿命较长，一般可达5年左右。年左右。2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下73 湿度传感器的工作温度范围很不同：湿度传感器的工作温度范围很不同： 在在-40 C +70 C之间可使用高分子之间可使用高分子（电阻式或电容式）湿度传感器和陶（电阻式或电容式）湿度传感器和陶瓷湿度传感器（电阻式）；瓷湿度传
50、感器（电阻式）； 在在70 C 100 C温度范围测量湿度，通温度范围测量湿度，通常只能用陶瓷湿度传感器。常只能用陶瓷湿度传感器。 高于高于100 C以上温度测湿，一般不用相以上温度测湿，一般不用相对湿度来表示，而是用绝对湿度，目对湿度来表示，而是用绝对湿度，目前国际上在都采用陶瓷湿度传感器来前国际上在都采用陶瓷湿度传感器来测量高温下的绝对湿度。测量高温下的绝对湿度。2022-6-2207传感器及应用第8章气体传感器及湿度传感器-下74 对于极低的湿度，通常也不能用相对湿对于极低的湿度，通常也不能用相对湿度，而是用露点或体积百分数来表示湿度，而是用露点或体积百分数来表示湿度。度。 一般称露点低
