传感器与检测技术-图文pp模块七.ppt

《传感器与检测技术-图文pp模块七.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器与检测技术-图文pp模块七.ppt（94页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、传感器与检测技术传感器与检测技术项目教程项目教程学习单元一气敏传感器学习单元二湿度传感器模块七模块七 气敏传感器和湿度传感器气敏传感器和湿度传感器模块七模块七 气敏传感器和湿度传感器气敏传感器和湿度传感器模块导读模块导读气敏传感器是一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器，它将气体种类及与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息。气敏传感器主要用于工业上天然气、煤气及石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、报警和自动控制。模块七模块七 气敏传感器和湿度传感器气敏传感器和湿度传感器模块导读模块导读湿度传感器是由湿敏元件和转

2、换电路等组成，能感受外界湿度（通常将空气或其他气体中的水分含量称为湿度）变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将环境湿度变换为电信号的装置。湿度传感器可广泛使用于各种场合的湿度监测、控制和报警，应用领域非常广阔。本模块针对常见的气敏传感器和湿度传感器进行教学，使学生能够掌握各种利用气敏传感器和湿度传感器进行测量的方法。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器由于气敏传感器暴露在检测现场使用，工作条件比较恶劣，温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，气体作用于传感元件材料产生的化学反应物会附着在元件表面，往往会使传感器性能变差，因此要求气敏传感器的性能必须满足下列要求：（1）能够检测

3、易爆气体的允许浓度、有害气体的允许浓度和其他基准设定浓度，并能及时给出报警、显示和控制信号。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器（2）对被测气体以外的共存气体或物质不敏感。（3）长期稳定性好、重复性好、动态特性好、响应迅速。（4）使用、维护方便，价格便宜等。由于半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、使用寿命长和成本低等优点，应用很广，因此本学习单元将着重介绍半导体气敏传感器。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器 气体成分检测的主要方法及特点一、一、随着国民经济的快速发展，及时、准确地对易燃、易爆、有毒、有害气体进行检测、预报和自动控制已成为煤炭、石油化工、电力等部门亟待解决的重要课

4、题。同时，随着人们生活水平的提高，家用燃料结构的改变，交通运输事业的发展，人们对净化生态环境的要求也越来越高，要求能够使用性能优良、方便耐用、小型多功能的传感器及时、准确地检测、监控易燃、易爆、有毒、有害气体。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器图7-1 甲醛检测仪图7-2 甲烷传感器学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器成 分分析包括两部分内容：一是定性分析，确定物质的化学组成，都是利用物质所含组成成分在物理或化学性质上的差异来进行的，如电学、光学、磁学、力学、声学等方面的差异，从而实现对其组成成分含量的准确测量。图7-3所示为汽车尾气分析仪。图7-3 汽车尾气分析仪学习单元一学习

5、单元一 气敏传感器气敏传感器对不同气体的检测有不同方法，目前主要的方法有：利用半导体气体器件检测的电气法；利用电解质和电极对气体进行检测的电化学法；利用气体对光的折射率或光吸收等特性检测的光学法。气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。由于气体种类繁多，性质各不相同，因此，实现气/电转换的传感器种类也很多。按构成材料可将气敏传感器分为半导体和非半导体两大类，目前使用最多的是半导体气敏传感器；从结构上可将气敏传感器分为干式（构成气体传感器的材料为固体）和湿式（利用水溶液或电解液感知待测气体）两种。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器待测气体与半导体表面接触会造成半导体电导率等物理

6、性质变化，半导体气敏传感器正是基于此来进行气体检测的。半导体气敏元件通常有以下两种分类方式：（1）按照半导体与气体相互作用时产生的变化是限于半导体表面还是深入到半导体内部，半导体气敏元件可以分为表面控制型和体控制型两种。前者半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子接收，结果使半导体的电导率等物理性质发生变化，但内部化学组成不变；后者半导体与气体的反应使半导体内部组成发生变化，导致电导率变化。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器（2）按照半导体变化的物理特性，半导体气敏元件可分为电阻型和非电阻型两种。电阻型半导体气敏元件利用敏感材料接触气体时的阻值变化来检测气体的成分或浓度；非电阻型半导体气

7、敏元件利用其他参数，如二极管整流特性和晶体管特性变化来检测被测气体。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器由于气体种类繁多，性质差异较大，因此单一种类的气敏传感器不可能检测所有的气体，而只能检测某一类特定性质的气体。例如，固体电解质气敏传感器的主要检测对象是无机气体，如CO2、H2、Cl2、SO2等。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器图7-4所示为固体电解质CO2气敏传感器。其气敏选择性相当好，但灵敏度不高，信号响应速度变化范围较大，且与固态电解质材料的性质及传感器的使用温度都有关，其长期工作稳定性也因材料的选择及使用温度的变化而改变。图7

8、-5 酒精检测仪 学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器声表面波气敏传感器虽然也可以测量某些无机气体，但主要的测量对象是各种有机气体，如卤化物、苯乙烯、碳酰氯、有机磷化物等。其气敏选择性取决于元件表面的气敏膜材料。其一般用于同时检测多种化学性质相似的气体，而不适宜检测未知气体组分中的单一气体成分。但由于其灵敏度很高，也常用作测定已知气体组分中某一特定低浓度气体的浓度变化情况。氧化物半导体气敏传感器的主要测量对象是各种还原性气体，如CO、H2、甲醇、乙醇等。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器如图7-5所示为酒精检测仪。它虽然可以通过添加各种催化剂及助催化剂在一定程度上改变其主要气敏对

9、象，却很难消除对其他还原性气体的共同响应，并且它的信号响应线性范围很窄，因此一般只能用于定性及半定量范围的气体监测。图7-5 酒精检测仪 学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器 半导体气敏传感器二、二、半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。当半导体的逸出功小于吸附分子的亲和力（气体的吸附和渗透特性）时，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层

10、。如果半导体的逸出功大于吸附分子的离散能，吸附分子将向器件释放出电子而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气体或电子供给型气体。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，半导体的载流子减少，电阻值增大。当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，半导体的载流子增多，电阻值下降。图7-6所示为N型半导体气敏传感器吸附被测气体时的电阻变化曲线。图7-6 N型半导体气敏传感器吸附被测气体时的电阻变化曲线学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器半导体气敏传感器一般由

11、三部分组成：气敏元件、加热器和外壳。半导体气敏传感器按其结构可分为烧结型、薄膜型和厚膜型，如图7-7所示。图7-7 半导体气敏元件学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器图7-7(a)所示为烧结型气敏元件，它以多孔质陶瓷（如SnO2）为基材，添加不同物质，采用低温（700900）制陶方法进行烧结。烧结时埋入铂电极和加热丝，最后将电极和加热丝引线焊在管座上制成元件。由于制作简单，它是一种最普通的结构形式，主要用于检测还原性气体、可燃性气体和液体蒸气。但由于烧结不充分，器件的机械强度较差，且所用电极材料较贵重，电特性误差较大，因此应用受到一定的限制。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器图7

12、-7(b)所示为薄膜型气敏元件，用蒸发或溅射方法在石英或陶瓷基片上形成金属氧化物薄膜（厚度在100 nm以下），用这种方法制成的敏感膜颗粒很小，因此具有很高的灵敏度和响应速度。敏感体的薄膜化有利于器件的低功耗、小型化，以及与集成电路制造技术兼容，是一种很有前途的器件。图7-7(c)所示为厚膜型气敏元件，将气敏材料（SnO2、ZnO）与一定比例的硅凝胶混制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印刷到事先安装有铂电极的氧化铝的基片上，在400800 的温度下烧结12 h便制成厚膜型气敏元件。用厚膜工艺制成的器件一致性较好，机械强度高，适于批量生产。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器这些气敏元件全

13、部附有加热器，一般加热到200400。加热器的作用是使附着在探测部分的油雾、尘埃等被烧掉；同时加速气体氧化还原反应，从而提高元件的灵敏度和响应速度。由于加热方式有直热式和旁热式两种，相应地形成了直热式和旁热式气敏元件。直热式气敏元件是将加热丝、测量丝直接埋入半导体材料粉末中烧结而成的，工作时加热丝通电，测量丝用于测量元件阻值。这类元件制造工艺简单、成本低，可在高电压回路中使用，但热容量小，易受环境气流的影响，测量回路和加热回路间没有隔离而相互影响。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器如国产的QN型及日本费加罗TGS109型气敏传感器均采用此种结构。对于旁热式气敏元件而言，它的特点是将加热

14、丝放置在一个陶瓷管内，管外涂梳状电极作为测量极。加热丝不与气敏材料接触，使测量极和加热极分离，避免了测量回路和加热回路的相互影响，元件热容量大，降低了环境温度对元件加热温度的影响，所以这类元件的稳定性、可靠性都较直热式气敏元件好。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器图7-8 国产QM-N5型气敏传感器图7-9 日本费加罗TGS812型气敏传感器 学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器 烟雾传感器三、三、烟雾传感器是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，其广泛应用在小区、工厂、公司、学校、家庭、别墅、仓库、石油化工、燃气输配等众多安防领域。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器烟雾传

15、感器的分类烟雾传感器的分类1.烟雾传感器按照工作原理可分为三类：离子式烟雾传感器、光电式烟雾传感器和气敏式烟雾传感器。（1）离子式烟雾传感器（见图7-10）是一种技术先进、工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各消防报警系统中。它在内外电离室里有放射源镅241，电离产生的正、负离子在电场的作用下各自向正负电极移动。在正常情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。一旦有烟雾进入外电离室，干扰了带电粒子的正常运动，电流、电压就会有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机将报警信号传递出去。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器图7-10 离子式烟雾传感

16、器学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器（2）光电式烟雾传感器（见图7-11）内有一个光学迷宫，安装有红外对管，无烟时红外接收管收不到红外发射管发出的红外光；当烟雾进入光学迷宫时，通过折射、反射，接收管接收到红外光，智能报警电路判断是否超过阈值，如果超过就发出警报。图7-11 光电式烟雾传感器学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器（3）气敏式烟雾传感器（见图7-12）是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用得最多的是半导体气敏传感器。它的应用主要有一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检

17、测、呼气中乙醇的检测等。图7-12 气敏式烟雾传感器学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警，还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。气敏式烟雾传感器有以下几种类型：可燃性气体气敏传感器，包含各种烷类和有机蒸气类（VOC）气体，大量应用于抽油烟机、泄漏报警器和空气清新机。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器一氧化碳气敏传感器，可用于工业生产、环保、汽车、家庭等一氧化碳泄漏和不完全燃烧检测报警。氧传感器，其应用很广泛，在环保、医疗

18、、冶金、交通等领域需求量很大。毒性气体传感器，主要用于检测烟气、尾气、废气等环境污染气体。气敏式烟雾传感器的典型型号为MQ2，该传感器常用于家庭和工厂的气体泄漏检测装置，适于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、乙醇、氢气、烟雾等的探测。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器烟雾传感器的选用烟雾传感器的选用2.离子式烟雾报警器对微小的烟雾粒子的感应要灵敏一些，对各种烟能均衡响应；而光电式烟雾报警器对稍大的烟雾粒子的感应较灵敏，对灰烟、黑烟响应差些。当发生熊熊大火时，空气中烟雾的微小粒子较多；而闷烧的时候，空气中稍大的烟雾粒子会多一些。如果火灾发生后，产生了大量烟雾的微小粒子，离子式烟雾报警器会比光电式

19、烟雾报警器先报警。这两种烟雾报警器的报警时间间隔不大，但是这类火灾的蔓延极快，此类场所建议安装离子式烟雾报警器。如果产生了大量稍大的烟雾粒子，光电式烟雾报警器会比离子式烟雾报警器先报警，这类场所建议安装光电式烟雾报警器。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器火灾烟雾是由气、液、固体微粒群组成的混合物，具有体积、质量、温度、电荷等物理特性。离子式烟雾报警器是通过相当于烟敏电阻的电离室引起的电压变化来感知烟雾粒子微电流变化的装置。当烟雾粒子进入电离室，改变了电离室空气的电离状态，从而宏观表现为电离室的等效电阻增加，引起电离室两端的电压增大，由此来确定空气中的烟雾状况。而气敏式烟雾传感器是探测空

20、气中某些可燃气体的成分，所以在火灾探测方面，气敏式烟雾传感器的性能不如离子式烟雾传感器。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器 气敏传感器的应用四、四、气敏传感器广泛应用于防灾报警，可制成液化石油气、天然气、城市煤气、煤矿瓦斯及有毒气体等方面的报警器，图7-13所示为可燃性气体泄漏报警器。图7-13 可燃性气体泄漏报警器学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器图7-14所示为有毒气体检测仪。其也可用于对大气污染进行监测及在医疗上用于对O2等气体的测量，生活中则可用于空调机、烹调装置、酒精浓度探测等方面。图7-14 有毒气体检测仪 学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器学习单元一学习单

21、元一 气敏传感器气敏传感器可燃气体泄漏报警器可燃气体泄漏报警器1.可燃气体泄漏报警器的电路图如图7-15所示。它采用载体催化型气敏元件作为检测探头，报警灵敏度从0.2%起连续可调，当空气中可燃气体的浓度达到0.2%时，报警器可发出声光报警。因此，它特别适用于液化石油气、煤矿瓦斯、天然气、焦炉煤气、重油裂解气、氢气和一氧化碳等各种可燃气体的测漏及报警。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器图7-15 可燃气体泄漏报警器的电路图学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器电路中，D为检测元件，因外观呈黑褐色，又称为黑元件；C为补偿元件，因外观呈白色，又称为白元件；RC为补偿电阻。黑、白元件工作时

22、装在防爆气室中，通过隔爆罩与大气接触。而C、D、RC、R3、R4组成检测桥路。运算放大器及外围元件组成电压比较器。半导体三极管VT2、VT3、VT4、VT5与发光二极管VD5及蜂鸣器Y等组成声光报警电路。VT1、VD3及R8组成控制开关电路。当没有可燃性气体泄漏时，A点电位低于B点电位，电桥处于相对平衡状态，比较器IC1输出低电平，使VT1截止，打开报警电路，在VT2和VT3组成的多谐振荡器的作用下，发光二极管VD5与蜂鸣器Y 同步发出闪光和报警声。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器智能酒驾控制器智能酒驾控制器2.汽车越来越多地进入普通大众的生活，成为人们出行不可或缺的工具。然而，汽车

23、技术的提高也带来了道路交通事故的增加，其中酒驾是重要原因。为了控制酒后驾车，国家规定酒驾入刑，然而检测仍然需要依靠交警执行，不能从根本上杜绝酒驾。图7-16所示为智能酒驾控制器，它的设计思路是直接从汽车入手，一旦饮酒，汽车直接“罢工”，从而使酒后驾车不能发生，保障驾驶员和其他乘客的安全。智能酒驾控制器采用超高灵敏度酒精传感器和超低功率单片机系统，自动探测酒精浓度，从而判断驾驶员是否酒后驾车。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器图7-16 智能酒驾控制器探测控制仪对酒精传感器探测的气体信号进行检测，由于酒精含量与酒精传感器检测后产生的电压信号成特定的比例关系，因而可根据电压信号进行酒精含量

24、的判断。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器其基本原理为：检测装置对驾驶位置的人员进行是否饮酒过量的检测，检测信号送到单片机得到控制信号，控制信号送到执行部件进行切断启动的操作。其工作示意图如图7-17所示。图7-17 智能酒驾控制器工作示意图学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器油烟检测油烟检测 3.图7-18所示为气体浓度与排气扇开关的关系。自动吸排油烟机的工作充分利用了继电器启动电压和返回电压的不同，即当空气中污染气体的浓度超过了Cs时，排气扇工作，排出污染了的空气。图7-18 气体浓度与排气扇开关的关系学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器氧气传感器氧气传感器4.作为空气

25、质量中的主要指标，氧浓度越来越受到人们的关注，氧气浓度监测和控制成为一项重要课题。氧气传感器可以检测汽车发动机的空燃比状态，或者用于缺氧报警、环境氧浓度测定等。图7-19所示为汽车用氧气传感器。图7-19 汽车用氧气传感器学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器由于在生产、生活、环境监控等领域对气敏传感器的精度、性能、稳定性等方面的要求越来越高，因此对气体传感器的研究和开发也越来越重要。随着先进科学技术的应用，气敏传感器发展的趋势是微型化、智能化和多功能化。深入研究和掌握有机、无机、生物和各种材料的特性及相互作用，理解各类气敏传感器的工作原理和作用机理，正确选用各类传感器的敏感材料，灵活运用

26、微机械加工技术、敏感薄膜形成技术、微电子技术、光纤技术等，使传感器性能最优化是气敏传感器的发展方向。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器思考与练习问题1 半导体气敏元件的工作原理是怎样的？从结构上来说可分为哪三个部分？思考：问题2 请谈谈烟雾传感器的分类和选用规则。思考：学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器随着现代工农业技术的发展及生活条件的提高，湿度的检测与控制成为生产和生活中必不可少的环节。例如，大规模集成电路生产车间中，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，容易引发爆炸；纺织厂为了减少棉纱断头，车间要保持相对高的湿度（60%

27、75%）；一些仓库（如存放烟草、茶叶和中药材等）在湿度过大时易发生霉变现象。在农业上，先进的工厂式育苗、食用菌的培养、水果及蔬菜的保鲜等都离不开湿度的检测与控制。学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器湿度传感器是指能将湿度转换为与其成一定比例关系的电信号输出的器件或装置，通常由湿敏元件及转换电路组成。湿度传感器有以下几个主要特性：（1）湿度量程。湿度量程是保证一个湿敏元件能够正常工作所允许的相对湿度的最大范围。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0100%RH的全量程。由于各种不同湿度传感器所采用的材料及所依据的物理效应和化学反应不同，往往只能在一定的湿度范围内

28、才能正常工作。学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器（2）特性曲线。湿度传感器的特性曲线是指湿度传感器的输出量（感湿特征量）与被测湿度（如相对湿度）间的关系曲线，如图7-20所示。图7-20 湿度传感器的特性曲线学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器（3）灵敏度。灵敏度表示被测湿度做单位值变化时所引起的输出量的变化程度。灵敏度是特性曲线的斜率。一般而言，湿度传感器的特性往往不是直线，而是曲线，即在不同的被测湿度下，传感器的灵敏度是不同的，因此常须用一组规定被测湿度下的灵敏度来描述。（4）感湿温度系数。湿度传感器的特性往往随环境温度而变化。当环境湿度恒定时，温度每变化1，引起湿度传感器感

29、湿特征量的变化量为感湿温度系数，其单位是%RH/。学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器对湿度传感器一般有如下要求：（1）使用寿命长，长期稳定性好。（2）灵敏度高，感湿特性线性度好。（3）使用范围宽，感湿温度系数小。（4）响应快，响应时间短。（5）一致性和互换性好，易于批量生产，成本低廉。学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器 湿度的概念二、二、湿度是表示大气中水蒸气含量的物理量，在一定的温度下，一定体积的空气里含有的水蒸气越少，则空气越干燥；水蒸气越多，则空气越潮湿。图7-21所示为湿度计。图7-21 湿度计学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器它有两种常用的表示方法：绝对湿度和

30、相对湿度。图7-22所示为一台湿度计正在计量相对湿度。图7-22 一台湿度计正在计量相对湿度 学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器绝对湿度绝对湿度1.绝对湿度（absolute humidity）是在一定的温度及压力下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，一般用符号AH表示，其定义为 式中，m为待测空气中水蒸气的含量；V为待测空气的总体积。AH的单位为g/m3或mg/m3。学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器相对湿度相对湿度2.在实际生活中，许多与湿度有关的现象，如水分蒸发的快慢、“桑拿天”人体感觉不适、植物的枯萎等，并不直接与空气的水蒸气气压有关，而是与空气中的水蒸气分压与同

31、温度下水的饱和蒸汽压之间的差值有关。如果这一差值过小，人们就感到空气过于潮湿；如果差值过大，就会使人们感到空气干燥。因此，有必要引入一个与空气的水蒸气分压和在同温度下的水的饱和蒸汽压有关的物理量相对湿度。学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器相对湿度（relative humidity）是指被测气体中的水蒸气分压和该气体在相同温度下水的饱和蒸汽压的百分比。相对湿度表示大气的潮湿程度，因此，它是一个无量纲的值，一般用符号%RH表示，其表达式为 式中，PV为温度T时的水蒸气分压；PW为待测空气在同温度T下的水的饱和蒸汽压。相对湿度的使用更加广泛，常用于气象预测中，它能反映降雨、有雾的可能性。在

32、炎热的天气下，高的相对湿度会让人类（和其他动物）感到更热，因为其妨碍了汗水的挥发。人体在室内感觉舒适的最佳相对湿度是40%50%，相对湿度过小或过大，人体都会感到不适。学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器 常见的湿度传感器二、二、湿度传感器种类繁多，有多种分类方式。（1）湿度传感器按元件输出的电学量可分为电阻式、电容式、频率式等。（2）湿度传感器按其探测功能可分为相对湿度、绝对湿度、结露和多功能式等。（3）湿度传感器按材料可分为陶瓷式、有机高分子式、半导体式、电解质式等。学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器另外，根据与水分子亲和力是否有关，可以将湿度传感器分为水分子亲和力型湿度传感

33、器和非水分子亲和力型湿度传感器。水分子易于吸附在固体表面并渗透到固体内部的这种特性称为水分子亲和力。水分子附着或浸入湿敏功能材料后，不仅有物理吸附，而且有化学吸附，其结果是使功能材料的电性能产生变化，如使LiCl、ZnO材料的阻抗发生变化。因此，这些材料就可以制成湿敏元件，另外，利用某些材料与水分子接触的物理效应也可以测量湿度。学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器在现代工业中使用的湿度传感器大多是水分子亲和力型湿度传感器，它们将湿度的变化转化为阻抗或电容的变化后输出。但是，水分子亲和力型湿度传感器的缺点是响应速度慢，而且可靠性较差，不能很好地满足使用的需要，这种现状迫使人们开始研究与水分

34、子亲和力无关的湿敏元件。例如，利用水蒸气能吸收特定波长红外线的吸收式湿度传感器；利用微波在含水蒸气的空气中传播时，水蒸气吸收微波使其产生一定损耗制成的微波湿度传感器；等等。开发非水分子亲和力型传感器是湿度传感器的重要研究方向，因为它能克服水分子亲和力型湿度传感器的缺点。下面介绍几种常见的湿度传感器。学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器氯化锂湿度传感器氯化锂湿度传感器1.氯化锂（LiCl）湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解后离子导电率发生变化而制成的湿敏元件。在条状绝缘基片的两面，分别用化学沉积或真空蒸发的方法做上电极，再浸渍一定配方的氯化锂聚乙烯醇混合溶液，经一定时间的老化处理，即可制成湿敏电

35、阻器，如图7-23所示。图7-23 氯化锂湿敏电阻学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器氯化锂是典型的离子晶体。高浓度的氯化锂溶液中，氯和锂仍以正、负离子的形式存在，而Li+对水分子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。当溶液置于一定湿度的环境中时，若环境的相对湿度高，溶液将因吸收水分而浓度降低，电阻率增高；相反，环境的相对湿度低，则溶液的浓度升高，其电阻率下降。因此，氯化锂湿敏电阻的阻值将随环境湿度的改变而变化，从而实现对湿度的电测量。学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器氯化锂浓度不同的湿度传感器，适用于不同的相对湿度范围。浓度低的氯化锂湿度传感器对高湿度

36、敏感，浓度高的氯化锂湿度传感器对低湿度敏感。一般单片湿度传感器的敏感范围仅在30%RH左右，为了扩大湿度测量的线性范围，可以将多个氯化锂含量不同的湿度传感器组合使用，如将(10%20%)RH、(20%40%)RH、(40%70%)RH、(70%90%)RH、(90%99%)RH的五种元件配合使用，可以实现整个湿度范围的湿度测量。学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器氯化锂湿敏元件的优点是滞后小，不受测试环境风速的影响，检测精度一般可达到5%。但是单片氯化锂湿度传感器测湿范围窄，而多片组合体积大，成本高，不抗污染，怕结露，耐热性差，难于在高湿和低湿的环境中使用，工作温度不高，寿命短，响应时间

37、较慢，必须使用交流电源，以避免出现极化。学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器氯化锂湿度传感器具有稳定性、耐温性和使用寿命长等多项重要的优点。氯化锂湿敏元件属于电解质感湿性材料，是利用电解质溶解于水中降低水面上的水蒸气压的原理而实现感湿的。氯化锂湿度传感器特有的长期稳定性是其他感湿材料不可替代的，也是湿度传感器最重要的性能。感湿混合液的配制和工艺上的严格控制是保持和发挥这一特性的关键。学习单元二学习单元二 湿度传感器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2.随着科学技术的发展，要求在高温下测量湿度的场合越来越多，如水泥、金属冶炼、食品加工等涉及工艺条件和质量控制的许多工业过程的

38、湿度测量与控制。自20世纪60年代起，许多国家开始竞相研制适用于高温条件下测量的湿度传感器。考虑到传感器的使用条件，人们很自然地把探索方向着眼于既具有吸水性又能耐高温的某些无机物上。实践已经证明，陶瓷元件不仅具有湿敏特性，而且可以作为感温元件和气敏元件，这些特性使它极有可能成为一种有发展前途的多功能传感器。学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器半导体陶瓷湿敏电阻是一种电阻型传感器，根据微粒堆集体或多孔状陶瓷体的感湿材料吸附水分可使电导率改变这一原理检测湿度。由于它具有使用寿命长、可在恶劣条件下工作、响应时间短、测量精度高、测温范围宽（常温湿度传感器的工作温度在150 以下，高温湿度传感器的

39、工作温度可达800）、工艺简单、成本低廉等优点，是目前应用较为广泛的湿度传感器。半导体陶瓷湿敏电阻按其结构可以分为烧结型、涂覆膜型和薄膜型三类。学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器（1）烧结型半导体陶瓷湿敏电阻。烧结型半导体陶瓷湿敏电阻的结构如图7-24所示。图7-24 烧结型半导体陶瓷湿敏电阻的结构学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器其感湿体为MgCr2O4-TiO2多孔陶瓷，气孔率达30%40%。MgCr2O4属于P型半导体，其特点是感湿灵敏度适中、电阻率低、阻值温度特性好。为改善烧结特性和提高元件的机械强度及抗热骤变特性，在原料中添加了TiO2，这样在1 300 的空气中可烧

40、结成相当理想的陶瓷体。材料烧结成型后，切割成所需薄片，在薄片的两面印刷并烧结叉指型氧化钌电极，就制成感湿体。由于500 左右的高温短期加热可去除油、有机物和尘埃等污染，因此在这种湿敏元件的感湿体外往往罩上一层加热丝，以便对器件经常进行加热清洗，排除恶劣环境对器件的污染。器件安装在一种高致密、疏水性的陶瓷片底板上。学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器（2）涂覆膜型半导体陶瓷湿敏电阻。此类湿敏元件是把感湿粉料（金属氧化物）调浆，涂覆在已制好的梳状电极或平行电极的滑石瓷、氧化铝或玻璃等基板上，经低温烘干后制成的。Fe3O4、V2O5及Al2O3等湿敏元件均属此类，涂覆膜型半导体陶瓷湿敏元件有多

41、种，其中比较典型且性能较好的是Fe3O4湿敏元件。学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器（3）薄膜型半导体陶瓷湿敏电阻。由于多孔的Al2O3薄膜易于吸收空气中的水蒸气，从而改变其自身的介电常数，利用Al2O3做电介质构成的电容器的电容值就会随着空气中的水蒸气分压变化而变化，从而可以测量出空气的相对湿度。目前，以铝为基础的湿敏元件在有腐蚀剂和氧化剂的环境中使用时，都不能保证长期稳定性；但以钽作为基片，利用阳极氧化法形成的氧化钽多孔薄膜是一种介电常数高、电特性和化学特性较稳定的薄膜，以此薄膜制成电容式湿敏元件可以大大提高元件的长期稳定性。学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器高分子湿度传感

42、器高分子湿度传感器3.随着高分子化学和有机合成技术的发展，用高分子材料制作化学感湿膜的湿敏元件的方法日益得到发展和应用，并已成为目前湿敏元件中的一个重要分支。有机纤维素具有吸湿溶胀、脱湿收缩特性，利用此特性，将导电的微粒或离子掺入作为导电材料，就可将其体积随湿度的变化转换为感湿材料电阻的变化，从而完成对环境湿度的测量。学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器图7-25所示为高分子聚合物湿度传感器的结构图图7-25 高分子聚合物湿度传感器的结构图学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器图7-26所示为高分子湿度传感器实物。图7-26 高分子湿度传感器学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器

43、高分子聚合物薄膜湿敏元件是一类比较理想的湿敏元件。感湿材料的高分子聚合物能随周围环境的相对湿度大小成比例地吸附和释放水分子。将此类特性的高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。在设计和制作工艺中很难做到感湿特性全湿程线性。作为电容器，高分子介质膜的厚度d和平板电容的有效面积S也与温度有关。温度变化所引起的介质几何尺寸的变化将影响电容值。湿敏电容的温度特性受多种因素支配，在不同的湿度范围温漂不同；在不同的温区有不同的温度系数；不同的感湿材料温度特性不同。高分子湿度传感器的温度系数并非常数，而是个变量。学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器 湿度传感器的应用实例三、三

44、、随着全球一体化进程的加快，国内产品面临巨大挑战，各行业特别是传统产业都迫切需要进行改造和提升。湿度是影响纺织品质量的一个重要原因；在制药行业和食品行业里，开始更多地使用湿度传感器；在农业方面，各地建立了越来越多的新型温室大棚，种植蔬菜和花卉等；养殖业对环境的测控也日感迫切，对于空气的测量技术的需求也越来越大。学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器图7-27 几种常用湿度传感器 学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器（1）微波炉。在微波炉中，陶瓷湿度传感器用于监测食品烹制成熟程度，图7-28所示为微波炉中的湿度传感器。图7-28 湿度传感器用于微波炉学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度

45、传感器食品原料或多或少地含有水分，加热时它们将蒸发成水蒸气，因此通过测定炉中的湿度可以监控食品的加工过程。微波炉中的湿度变化范围很大，从百分之几的相对湿度一直到百分之百。同时，温度上升很快，几分钟内便达到100 左右。此外，除了水蒸气，还有大量不同的有机挥发物从食品原料中发散到微波炉中。由于空气中的杂质、油蒸气、颗粒物等会黏附在陶瓷传感器上，使它的灵敏度下降。因此，为了使它能保持原有的性能，通常选用再生型（如通过热处理）陶瓷传感器。在食品加工开始前和结束后，对传感器进行热清洁处理，把传感器表面上的污物清除掉。学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器微波炉开关接通后，就会有一个信号执行热清洁处

46、理，传感器性能得以复原。微波炉的烹调过程可以分为两个阶段。第一个阶段(初始加热过程)，磁控管启动后食品开始加热，相对湿度开始增大，然后开始减小并达到某个最低值。进入第二阶段时，继续加热又产生更多的水蒸气，相对湿度重新增大，一直到食品最终加工完成。第二阶段包括的时间是从相对湿度的最低谷开始，一直到烹调的完成。显然，这个时间的长短与食品原料有关，因此它的设定应与初始加热时间成比例，并按不同食品原料性质进行调整。学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器（2）自动气象站湿度测报。湿度传感器被广泛用于自动气象站的遥测装置上，耗电量很小的湿度传感器可以由蓄电池供电长期自动工作，几乎不需要维护。图7-29

47、所示为CAWS620型便携式自动气象站，其中安装了湿度传感器。图7-29 CAWS620型便携式自动气象站 学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器用于无线电遥测自动气象站的湿度测报原理框图如图7-30所示。氯化锂湿度传感器将被测湿度转换为电阻值，Rf转换电路将此电阻值R转换为相应的频率f，再经自校准器控制使频率f与相对湿度一一对应，最后经门电路记录在自动记录仪上。如果需要远距离数据传输，那么还需要将得到的数字量编码调制到无线电载波上发射出去。图7-30 无线电遥测自动气象站的湿度测报原理框图 学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器（3）半导体生产净化车间。图7-31所示为半导体生产净化

48、车间，湿度传感器多用于此主要有几个方面的原因。一是保证半导体表面的清洁度，以免水蒸气等的污染；二是满足工艺要求，要保证半导体表面干燥，以免涂胶时产生胶膜脱落等；三是在生产过程中必须对静电事故给予特别的关注，静电电荷的数量与湿度有直接关系。图7-31 半导体生产净化车间学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器（4）汽车后窗玻璃自动去湿装置。图7-32所示为一种用于汽车驾驶室挡风玻璃的自动去湿电路。其目的是防止驾驶室的挡风玻璃结露或结霜，保证驾驶员视线清楚，避免事故发生。该电路也可用于其他需要去湿的场合。图7-32 汽车后窗玻璃自动去湿电路学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器图中，RL为嵌

49、入玻璃的加热电阻，RH为设置在后窗玻璃上的湿度传感器。由三极管VT1和VT2组成施密特触发电路，在VT1的基极接有由R1、R2和湿度传感器电阻组成的偏置电路。在常温常湿条件下，由于传感器电阻的阻值较大，VT1处于导通状态，VT2处于截止状态，继电器K不工作，加热电阻无电流通过。当车内、外温差较大，且湿度过大时，湿度传感器RH 的阻值减小，使VT2处于导通状态，VT1处于截止状态，继电器K 工作，其常开触点K1闭合，加热电阻开始加热，后窗玻璃上的潮气被驱散。学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器 结露传感器 四、四、结露是指物体表面温度低于附近空气露点时表面出现冷凝水的现象。结露传感器是一种

50、能够测量结露时的温度（露点）的湿度传感器。露点温度Td是指当蒸气分压保持不变时，湿空气达到饱和时所对应的温度。一般把0 以上称为“露点”，把0 以下称为“霜点”。学习单元二学习单元二 湿度传感器湿度传感器露点本是个温度值，可为什么用它来表示湿度呢？这是因为，当空气中的水蒸气已达到饱和时，气温与露点相同；当水蒸气未达到饱和时，气温一定高于露点，所以露点与气温的差值可以表示空气中的水蒸气距离饱和的程度。在百分之百的相对湿度时，周围环境的温度就是露点。露点较周围环境的温度越小，结露的可能性就越小，也就意味着空气越干燥，露点不受温度影响，但受压力影响。通过露点就可以知道空气中的水蒸气含量，因而露点是一