气敏湿敏传感器讲.pptx

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1、气敏传感器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，其中用的最多的是半导体气敏传感器。8.18.1 气敏传感器气敏传感器第1页/共91页它的应用主要有：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）的检测呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。第2页/共91页第3页/共91页第4页/共91页气敏传感器将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。第5页/共91页 由于气体种类

2、繁多，性质也各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，因此半导体气敏传感器的种类非常多。第6页/共91页按制造工艺上分烧结型、薄膜型、厚膜型。第7页/共91页(1)烧结型气敏元件将元件的电极和加热器均埋在金属氧化物气敏材料中，经加热成型后低温烧结而成。目前最常用的是氧化锡（SnO2）烧结型气敏元件，它的加热温度较低，一般在 200-300，SnO2气敏半导体对许多可燃性气体，如氢、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。第8页/共91页(2)薄膜型气敏元件采用真空镀膜或溅射方法，在石英或陶瓷基片上制成金属氧化物薄膜（厚度0.1m以下），构成薄膜型气敏元件。氧化锌（ZnO）薄膜型气敏

3、元件以石英玻璃或陶瓷作为绝缘基片，通过真空镀膜在基片上蒸镀锌金属，用铂或钯膜作引出电极，最后将基片上的锌氧化。第9页/共91页 氧化锌敏感材料是N型半导体，当添加铂作催化剂时，对丁烷、丙烷、乙烷等烷烃气体有较高的灵敏度，而对H2、CO2等气体灵敏度很低。若用钯作催化剂时，对H2、CO有较高的灵敏度，而对烷烃类气体灵敏度低。因此，这种元件有良好的选择性，工作温度在400500的较高温度。第10页/共91页(3)厚膜型气敏元件将气敏材料（如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（Al2O3）基片上，在400800的温度下烧结12小时便

4、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。以上三种气敏器件都附有加热器，在实际应用时，加热器能使附着在测控部分上的油雾、尘埃等烧掉，同时加速气体氧化还原反应，从而提高器件的灵敏度和响应速度。第11页/共91页1.1.气敏电阻的工作原理气敏电阻的工作原理 气敏电阻的材料是金属氧化物，在合成材料时，通过化学计量比的偏离和杂质缺陷制成。第12页/共91页 金属氧化物半导体分：N型半导体：如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等。P型半导体：如氧化钴、氧化铅、氧化铜、氧化镍等。第13页/共91页 为了提高某种气敏元件对某些气体成分的选择性和灵敏度，合成材料有时还渗入了催化

5、剂，如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等。第14页/共91页金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体后却显示气敏特性。第15页/共91页(半导体的功函数与气体吸附分子的亲和力或离解能比较）：通常器件工作在空气中，空气中的氧和NO2这样的电子兼容性大的气体，接受来自半导体材料的电子而吸附负电荷，结果使N型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电子减少，使表面电导减小，从而使器件处于高阻状态。一旦元件与被测还原性气体接触，就会与吸附的氧起反应，将被氧束缚的电子释放出来，敏感膜表面电导增加，使元件电阻减小。第16页/共91页第17页/共91页第18页/共91页 该类气敏元件通常工作在高温状态（2004

6、50），目的是为了加速上述的氧化还原反应。第19页/共91页 例如，用氧化锡制成的气敏元件，在常温下吸附某种气体后，其电导率变化不大，若保持这种气体浓度不变，该器件的电导率随器件本身温度的升高而增加，尤其在100300范围内电导率变化很大。显然，半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度增加的结果。气敏元件的基本测量电路如图10-1（a）所示。氧化锡、氧化锌材料气敏元件输出电压与温度的关系如图10-1（b）所示。第20页/共91页 图中EH为加热电源，EC为测量电源，电阻中气敏电阻值的变化引起电路中电流的变化，输出电压（信号电压）由电阻Ro上取出。图10-1 输出电压与温度关系第21页/共91页第

7、22页/共91页气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多。因此，气敏元件结构上，有电阻丝加热，结构如图10-2所示，1和2是加热电极，3和4是气敏电阻的一对电极。图10-2 气敏元件结构第23页/共91页第24页/共91页3.测量电路第25页/共91页第26页/共91页第27页/共91页第28页/共91页第29页/共91页城市煤气报警器（甲烷、一氧化碳、酒精）城市煤气报警器（甲烷、一氧化碳、酒精）第30页/共91页第31页/共91页第32页/共91页第33页/共91页检测停车场内有害气体浓度检测停车场内有害气体浓度第34页/共91页第35页/共91页8.28.2湿敏传感器湿敏传感器 主要应

8、用有：主要应用有：精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所；精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所；气象预报；气象预报；医疗卫生；医疗卫生；食品加工；食品加工；农业生产等行业。农业生产等行业。第36页/共91页分类：分类：电电解解质质型型：以以氯氯化化锂锂为为例例，它它在在绝绝缘缘基基板板上上制制作作一一对对电电极极，涂涂上上氯氯化化锂锂盐盐胶胶膜膜。氯氯化化锂锂极极易易潮潮解解，并并产产生生离离子子导电，随湿度升高而电阻减小。导电，随湿度升高而电阻减小。第37页/共91页 陶陶瓷瓷型型：一一般般以以金金属属氧氧化化物物为为原原料料，通通过过陶陶瓷瓷工工艺艺，制制成成一一种种多多孔孔陶陶瓷瓷

9、。利利用用多多孔孔陶陶瓷瓷的的阻阻值值对对空空气气中中水水蒸蒸气的敏感特性而制成。气的敏感特性而制成。第38页/共91页第39页/共91页 高高分分子子型型：先先在在玻玻璃璃等等绝绝缘缘基基板板上上蒸蒸发发梳梳状状电电极极,通通过过浸浸渍渍或或涂涂覆覆,使使其其在在基基板板上上附附着着一一层层有有机机高高分分子子感感湿湿膜膜。有机高分子的材料种类也很多有机高分子的材料种类也很多,工作原理也各不相同。工作原理也各不相同。第40页/共91页 单晶半导体型：单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成。制成二极管湿敏器件和工艺制成。制成二极管湿敏器件和MOS

10、FETMOSFET湿度敏感器湿度敏感器件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。第41页/共91页1 1、电解质湿度传感器、电解质湿度传感器 电解质是以离子形式导电的物质，分为电解质是以离子形式导电的物质，分为固体电解质固体电解质和和液体电解质液体电解质。若物质溶于水中，在极性水分子作用下，。若物质溶于水中，在极性水分子作用下，能全部或部分地离解为自由移动的正、负离子，称为液能全部或部分地离解为自由移动的正、负离子，称为液体电解质。电解质溶液的电导率与溶液的浓度有关，而体电解质。电解质溶液的电导率与溶液的浓度有关，而溶液的浓度，在一定的温度下又是环境相

11、对湿度的函数。溶液的浓度，在一定的温度下又是环境相对湿度的函数。如由如由氯化锂氯化锂与与聚乙烯聚乙烯醇组成的醇组成的混合体。混合体。第42页/共91页电解质氯化锂湿度传感器最为典型030 60900.010.1110R/108相相对湿湿度度/%1.0%LiCl 2.2%LiCl 0.5%LiCl 0.25%LiCl PVAC氯化化锂湿湿度度传感器的阻感器的阻湿湿特性特性组合式合式氯化化锂的阻的阻湿湿特性特性030 60 900.010.1110相相对湿湿度度/%R/108把不同感湿范围的单片湿把不同感湿范围的单片湿度传感器组合起来度传感器组合起来,可制成可制成相对湿度工作量程为相对湿度工作量程

12、为20209090RHRH的湿度传感器的湿度传感器第43页/共91页优点：滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度高达5%。缺点：耐热性差，且不能用于露点以下测量，器件性能的重复性不理想，使用寿命短。第44页/共91页2 2、陶瓷湿度传感器、陶瓷湿度传感器 利用半导体陶瓷材料制成的陶瓷湿度传感器。利用半导体陶瓷材料制成的陶瓷湿度传感器。优点：测湿范围宽；优点：测湿范围宽；可实现全湿范围内的湿度测量；可实现全湿范围内的湿度测量；工作温度高，常温湿度传感器的工作温度在工作温度高，常温湿度传感器的工作温度在150150以下，而高温湿度传感器的工作温度可达以下，而高温湿度传感器的工作温度可达800800

13、 ；响应时间较短；响应时间较短；精度高，抗污染能力强，工艺简单，成本低廉。精度高，抗污染能力强，工艺简单，成本低廉。第45页/共91页 典型产品：典型产品：烧烧结结型型陶陶瓷瓷湿湿敏敏元元件件是是MgCrMgCr2 2OO4 4TiOTiO2 2系系。此此外外，还还有有TiOTiO2 2-V-V2 2O O5 5系系、ZnOZnOLiLi2 2O OV V2 2OO5 5系系、ZnCrZnCr2 2OO4 4系系、ZrOZrO2 2MgOMgO系系、FeFe3 3O O4 4系系、TaTa2 2OO5 5系系等等。这这类类湿湿度度传传感感器器的的感感湿湿特特征征量量大大多多数数为为电电阻阻。除

14、除FeFe3 3OO4 4外外，都都为为负负特特性湿度传感器。性湿度传感器。也有少数陶瓷湿度传感器，它的感湿特性量为电容。也有少数陶瓷湿度传感器，它的感湿特性量为电容。第46页/共91页 1 1）、结构）、结构 该湿度传感器的感湿体是该湿度传感器的感湿体是MgCrMgCr2 2OO4 4-TiO-TiO2 2系多孔陶瓷。这种多系多孔陶瓷。这种多孔陶瓷的气孔大部分为粒间气孔孔陶瓷的气孔大部分为粒间气孔,气孔直径随气孔直径随TiOTiO2 2添加量的增加而添加量的增加而增大。粒间气孔与颗粒大小无关增大。粒间气孔与颗粒大小无关,相当于一种开口毛细管相当于一种开口毛细管,容易吸容易吸附水分。材料的主晶

15、相是附水分。材料的主晶相是MgCrMgCr2 2OO4 4相相,此外此外,还有还有TiOTiO2 2相等相等,感湿体感湿体是一个多晶多相的混合物。是一个多晶多相的混合物。陶瓷湿敏元件结构图陶瓷湿敏元件结构图护圈圈电极极感感湿湿陶瓷陶瓷氧氧化化钌电极极加加热器器基板基板电极极引引线第47页/共91页第48页/共91页 2 2）、主要特性与性能）、主要特性与性能 （a a）电阻一湿度特性）电阻一湿度特性 MgCrMgCr2 2OO4 4TiOTiO2 2系陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特性，随系陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特性，随着相对湿度的增加，电阻值急骤下降，基本按指数规律下降。着相对湿度的增加，电

16、阻值急骤下降，基本按指数规律下降。在在单对数的坐标中，电阻单对数的坐标中，电阻湿度特性近似呈线性关系湿度特性近似呈线性关系。当相对湿度。当相对湿度由由0 0变为变为100100RHRH时，阻值从时，阻值从10107 7 下降到下降到10104 4，即变化了三个数，即变化了三个数量级。量级。20406080100103104105106107108相相对湿湿度度/%R/第49页/共91页 （b b）电阻）电阻温度特性温度特性 是在不同的温度环境下，测量陶瓷湿度传感器的电阻是在不同的温度环境下，测量陶瓷湿度传感器的电阻湿度特湿度特性。从图可见，从性。从图可见，从2020到到8080各条曲线的变化规

17、律基本一致，具各条曲线的变化规律基本一致，具有负温度系数，其感湿有负温度系数，其感湿负负温度系数为温度系数为0.380.38RHRH。如果要如果要求精确的湿度测量，需要对湿度传感器进行温度补偿。求精确的湿度测量，需要对湿度传感器进行温度补偿。20406080100103104105106107108相相对湿湿度度/%204 40608 80R/MgCr2O4-TiO2系系湿湿度度传感器的感器的电阻阻温温度特性度特性第50页/共91页MgCr2O4-TiO2系系湿湿度度传感器的感器的时间响响应特性特性20406080100010203094%RH 50%RH1%RH 50%RH t/s%RH （

18、c c）响应时间）响应时间 响应时间特性如图。根据响应时间的规定，从图中可知，响应响应时间特性如图。根据响应时间的规定，从图中可知，响应时间小于时间小于10s10s。第51页/共91页（d d）稳定性）稳定性 制制成成的的MgCrMgCr2 2OO4 4-TiO-TiO2 2系系陶陶瓷瓷类类湿湿度度传传感感器器，需需要要实实验验：高高温温负负荷荷实实验验(大大气气中中，温温度度150150，交交流流电电压压5V5V，时时间间10104 4h)h)；高高温温高高湿湿负负荷荷试试验验(湿湿度度大大于于9595RHRH，温温度度6060，交交流流电电压压5V5V，时时间间10104 4h)h)；常常

19、温温常常湿湿试试验验 湿湿度度(10(1090)90)RHRH，温温度度(10(1040)40)；油油气气循循环环试试验验(油油蒸蒸气气加加热热清清洗洗循循环环2525万万次次，交交流流电电压压5V)5V)。经经过过以以上上各各种种试试验验，大大多多数数陶陶瓷瓷湿湿度度传传感感器器仍仍能能可可靠靠地地工作，说明稳定性比较好。工作，说明稳定性比较好。第52页/共91页3、高分子湿度传感器、高分子湿度传感器 用有机高分子材料制成的湿度传感器，主要是利用其吸湿性用有机高分子材料制成的湿度传感器，主要是利用其吸湿性与胀缩性。某些高分子电介质吸湿后，与胀缩性。某些高分子电介质吸湿后，介电常数介电常数明显

20、改变，制成明显改变，制成了了电容式湿度传感器电容式湿度传感器；某些高分子电解质吸湿后，；某些高分子电解质吸湿后，电阻电阻明显变化，明显变化，制成了制成了电阻式湿度传感器电阻式湿度传感器；利用胀缩性高分子（如树脂）材料和；利用胀缩性高分子（如树脂）材料和导电粒子，在吸湿之后的导电粒子，在吸湿之后的开关特性开关特性，制成了结露传感器，制成了结露传感器。1）电容式湿度传感器）电容式湿度传感器 （a)a)、结构、结构高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的基本结构。第53页/共91页(b)(b)、感湿机理与性能、感湿机理与性能 电电容容式式高高分分子子湿湿度度传传感感器器，其其上上部部多多孔孔质质的的金金电

21、电极极可可使使水水分分子子透透过过，水水的的介介电电系系数数比比较较大大，室室温温时时约约为为7979。感感湿湿高高分分子子材材料料的的介介电电常常数数并并不不大大，当当水水分分子子被被高高分分子子薄薄膜膜吸吸附附时时，介介电电常常数数发发生生变变化化。随随着着环环境境湿湿度度的的提提高高，高高分分子子薄薄膜膜吸吸附附的的水水分分子子增增多多，因因而而湿湿度度传传感感器器的的电电容容量量增增加加。所所以以根根据据电电容容量量的的变变化化可可测得相对湿度。测得相对湿度。第54页/共91页（2 2）响应特性）响应特性 由由于于高高分分子子薄薄膜膜可可以以做做得得极极薄薄，所所以以吸吸湿湿响响应应时

22、时间间都都很很短短，一一般都小于般都小于5s5s，有的响应时间仅为，有的响应时间仅为1s1s。（3 3）电容一温度特性）电容一温度特性 电电容容式式高高分分子子膜膜湿湿度度传传感感器器的的感感湿湿特特性性受受温温度度影影响响非非常常小小，在在555050范围内范围内,电容温度系数约为电容温度系数约为0.060.06R RH H/相相对湿湿度度/%050100200250300350电容容湿湿度特性度特性C/pF（f=1.5MHZ）（1 1）电容）电容湿度特性湿度特性 其电容随着环境温度的增加而增加其电容随着环境温度的增加而增加,基本基本上呈线性关系。当测试频率为上呈线性关系。当测试频率为l.5

23、MHzl.5MHz左右左右时时,其输出特性有良好的线性度。对其它测其输出特性有良好的线性度。对其它测试频率试频率,如如1kHz1kHz、10kHz10kHz，尽管传感器的，尽管传感器的电容量变化很大电容量变化很大,但线性度欠佳。可外接转但线性度欠佳。可外接转换电路换电路,使电容使电容湿度特性趋于理想直线。湿度特性趋于理想直线。第55页/共91页（2 2）电阻式高分子膜湿度传感器）电阻式高分子膜湿度传感器 (a)(a)、结构、结构 聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的结构。聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的结构。引引线端端感感湿湿膜膜梳梳状状电极极基片基片第56页/共91页 (b)(b)、主要特性、主要特性 （1

24、 1）电阻）电阻湿度特性湿度特性 当当环环境境湿湿度度变变化化时时，传传感感器器在在吸吸湿湿和和脱脱湿湿两两种种情情况况的的感感湿湿特特性性曲曲线线，如如图图。在在整整个个湿湿度度范范围围内内，传传感感器器均均有有感感湿湿特特性性，其其阻阻值值与与相相对对湿湿度度的的关关系系在在单单对对数数坐坐标标纸纸上上近近似似为为一一直直线线。吸吸湿湿和和脱脱湿湿时湿度指示的最大误差值为时湿度指示的最大误差值为(3(34)4)R RH H。1K30405060708090吸吸湿湿10K100K1M10M相相对湿湿度度/%R/脱湿脱湿3%R3%RH H电阻电阻湿度特性湿度特性第57页/共91页 （2 2）温

25、度特性）温度特性 聚苯乙烯磺酸锂的电导率随温度的变化较为明显，具有负温聚苯乙烯磺酸锂的电导率随温度的变化较为明显，具有负温度系数。在度系数。在(0(055)55)时，温度系数为时，温度系数为(0.6(0.61.01.0)RH/)RH/。040201046080100505010102103聚聚苯苯乙乙烯磺酸磺酸锂湿湿度度传感器的感器的湿湿度特性度特性254040R R/相相对湿湿度度/%/%第58页/共91页 （3 3）其它特性）其它特性 优优点点：升升湿湿响响应应时时间间比比较较快快，降降湿湿响响应应时时间间比比较较慢慢，响响应应时时间间在在一一分分钟钟之之内内。湿湿滞滞比比较较小小，在在(

26、1(12 2)RH)RH之之间间。这这种种湿湿度度传传感感器器具具有有良良好好的的稳稳定定性性。存存储储一一年年后后，其其最最大大变变化化不不超超过过2 2RHRH，完全可以满足器件稳定性的要求。，完全可以满足器件稳定性的要求。缺点：缺点：对于含有机溶媒气体的环境下测湿时，器件易损坏；另对于含有机溶媒气体的环境下测湿时，器件易损坏；另外不能用于外不能用于8080以上的高温。以上的高温。第59页/共91页4 4、湿度表示法、湿度表示法 空空气气中中含含有有水水蒸蒸气气的的量量称称为为湿湿度度，含含有有水水蒸蒸气气的的空空气气是是一一种种混混合合气气体体。主主要要有有质质量量百百分分比比和和体体积

27、积百百分分比比、相对湿度相对湿度和和绝对湿度绝对湿度、露点（霜点）露点（霜点）等表示法。等表示法。第60页/共91页1)1)、质量百分比和体积百分比、质量百分比和体积百分比 质质量量为为MM的的混混合合气气体体中中，若若含含水水蒸蒸气气的的质质量量为为mm，则质量百分比为则质量百分比为mM100第61页/共91页vV100 这两种方法统称为水蒸气百分含量法。在体积为V的混合气体中，若含水蒸气的体积为v，则体积百分比为第62页/共91页 2)2)、相对湿度和绝对湿度、相对湿度和绝对湿度 水水蒸蒸气气压压：指指在在一一定定的的温温度度条条件件下下，混混合合气气体体中中存存在的水蒸气分压在的水蒸气分

28、压(p p)。饱饱和和蒸蒸气气压压：是是指指在在同同一一温温度度下下，混混合合气气体体中中所所含含水蒸气压的水蒸气压的最大值最大值(p ps s)。温度越高，饱和水蒸气压越大。温度越高，饱和水蒸气压越大。相相对对湿湿度度：在在某某一一温温度度下下，其其水水蒸蒸气气压压同同饱饱和和蒸蒸气气压的百分比，称为相对湿度。压的百分比，称为相对湿度。第63页/共91页 2)2)、相对湿度和绝对湿度、相对湿度和绝对湿度 绝绝对对湿湿度度：表表示示单单位位体体积积内内，空空气气里里所所含含水水蒸蒸气气的质量，其定义为的质量，其定义为m待测空气中水蒸气质量；V待测空气的总体积；v待测空气的绝对湿度。第64页/共

29、91页 3)3)、露（霜）点、露（霜）点 水的饱和蒸气压随温度的降低而逐渐下降。在同样的水的饱和蒸气压随温度的降低而逐渐下降。在同样的空气水蒸气压下，温度越低，则空气的空气水蒸气压下，温度越低，则空气的水蒸气压水蒸气压与同温度与同温度下水的下水的饱和蒸气压饱和蒸气压差值越小。差值越小。露点：露点：当空气温度下降到某一温度时，空气中的水当空气温度下降到某一温度时，空气中的水蒸气压与同温度下水的饱和水蒸气压相等。此时，空气中蒸气压与同温度下水的饱和水蒸气压相等。此时，空气中的水蒸气将向液相转化而凝结成的水蒸气将向液相转化而凝结成露珠露珠，相对湿度为，相对湿度为100100RHRH。该温度，称为空气

30、的。该温度，称为空气的露点温度露点温度，简称露点。，简称露点。霜点：霜点：如果这一温度低于如果这一温度低于00时，水蒸气将结霜时，水蒸气将结霜，又又称为称为霜点温度霜点温度。两者统称为露点。两者统称为露点。空气中水蒸气压越小，露点越低，因而可用露点表空气中水蒸气压越小，露点越低，因而可用露点表示空气中的湿度。示空气中的湿度。第65页/共91页5010203040-1001020304050温温度度/10%RH露点露点/90%RH80%RH70%RH60%RHH50%RH40%RH20%RH30%RH第66页/共91页5 5、湿度传感器的主要参数、湿度传感器的主要参数 1)1)、湿度量程、湿度量

31、程 指指湿湿度度传传感感器器技技术术规规范范中中所所规规定定的的感感湿湿范范围围。全全湿湿度度范范围围用用相相对对湿湿度度(0(0100)100)RHRH表表示示，它它是是湿湿度度传传感感器工作性能的一项重要指标。器工作性能的一项重要指标。第67页/共91页 2)2)、感湿特征量、感湿特征量相对湿度特性相对湿度特性 每种湿度传感器都有其感湿特征量，如电阻、电容每种湿度传感器都有其感湿特征量，如电阻、电容等，通常用电阻比较多。以电阻为例，在规定的工作湿等，通常用电阻比较多。以电阻为例，在规定的工作湿度范围内，湿度传感器的电阻值随环境湿度变化的关系度范围内，湿度传感器的电阻值随环境湿度变化的关系特

32、性曲线，简称特性曲线，简称阻湿特性阻湿特性。有的湿度传感器的电阻值随。有的湿度传感器的电阻值随湿度的增加而增大，这种为湿度的增加而增大，这种为正特性湿敏电阻器正特性湿敏电阻器，如，如FeFe3 3O O4 4湿敏电阻器。有的阻值随着湿度的增加而减小，湿敏电阻器。有的阻值随着湿度的增加而减小，这种为这种为负特性湿敏电阻器负特性湿敏电阻器，如，如TiOTiO2 2SnOSnO2 2陶瓷湿敏电陶瓷湿敏电阻器。阻器。第68页/共91页 3)3)、感湿灵敏度、感湿灵敏度(湿度系数湿度系数)定定义义:是是在在某某一一相相对对湿湿度度范范围围内内，相相对对湿湿度度改改变变1 1RHRH时，湿度传感器电参量的

33、变化值或百分率。时，湿度传感器电参量的变化值或百分率。各种不同的湿度传感器，对灵敏度的要求各不相同，各种不同的湿度传感器，对灵敏度的要求各不相同，对于低湿型或高湿型的湿度传感器，它们的对于低湿型或高湿型的湿度传感器，它们的量程较窄量程较窄，要求要求灵敏度要很高灵敏度要很高。但对于。但对于全湿型湿度传感器全湿型湿度传感器，并非灵，并非灵敏度越大越好，因为电阻值的动态范围很宽，给配制二敏度越大越好，因为电阻值的动态范围很宽，给配制二次仪表带来不利，所以次仪表带来不利，所以灵敏度的大小要适当灵敏度的大小要适当。第69页/共91页70 4)、特征量温度系数 反映湿度传感器在感湿特征量相对湿度特性曲线随

34、环境温度而变化的特性。感湿特征量随环境温度的变化越小，环境温度变化所引起的相对湿度的误差就越小。在环境温度保持恒定时，湿度传感器特征量的相对变化量与对应的温度变化量之比，称为特征量温度系数。T温度25与另一规定环境温度之差；R1(C1)温度25时湿度传感器的电阻值(或电容值)；R2(C2)另一规定环境温度时湿度传感器的电阻值(或电容值)。电容温度系数(%/)=电阻温度系数(%/)=第70页/共91页 5)5)、感湿温度系数、感湿温度系数 它它表表示示在在两两个个规规定定的的温温度度下下，湿湿度度传传感感器器的的电电阻阻值值(或或电电容容值值)达达到到相相等等时时，其其对对应应的的相相对对湿湿度

35、度之之差差与与两两个个规规定定的的温温度度变变化化量量之之比比，称称为为感感湿湿温温度度系系数数。或或环环境境温温度度每每变变化化11时时，所所引引起起的的湿湿度度传感器的湿度误差传感器的湿度误差。感湿温度系数。感湿温度系数 T T温度温度2525与另一规定环境温度之差；与另一规定环境温度之差；H H1 1温温度度2525时时湿湿度度传传感感器器某某一一电电阻阻值值(或或电电容容值值)对对应应的的相相对湿度值；对湿度值；H H2 2另另一一规规定定环环境境温温度度下下湿湿度度传传感感器器另另一一电电阻阻值值(或或电电容容值值)对应的相对湿度。对应的相对湿度。下图为感湿温度系数示意图。下图为感湿

36、温度系数示意图。(%RH/)=第71页/共91页相相对湿湿度度/%H1H2H2感湿温度系数示意图感湿温度系数示意图相相对湿湿度度/%H1H2H2RCT2T2T2T22525(a)电阻型阻型(b)电容型容型第72页/共91页 6)6)、响应时间、响应时间 定义：定义：在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的电参量达到稳态变化量的规定比例所需要的时传感器的电参量达到稳态变化量的规定比例所需要的时间。间。一般是以相应的起始和终止这一相对湿度变化区间的一般是以相应的起始和终止这一相对湿度变化区间的6363作为相对湿度变化所需要的时间，也称作为相对湿度变化

37、所需要的时间，也称时间常数时间常数，它是反映湿度传感器相对湿度发生变化时，其反应速度它是反映湿度传感器相对湿度发生变化时，其反应速度的快慢。单位是的快慢。单位是s s。也有规定从起始到终止。也有规定从起始到终止9090的相对的相对湿度变化作为响应时间的。响应时间又分为湿度变化作为响应时间的。响应时间又分为吸湿响应时吸湿响应时间间和和脱湿响应时间脱湿响应时间。大多数湿度传感器都是脱湿响应时。大多数湿度传感器都是脱湿响应时间大于吸湿响应时间，间大于吸湿响应时间，一般以脱湿响应时间作为湿度传一般以脱湿响应时间作为湿度传感器的响应时间。感器的响应时间。第73页/共91页 7)7)、电压特性、电压特性

38、当当用用湿湿度度传传感感器器测测量量湿湿度度时时，所所加加的的测测试试电电压压，不不能能用用直直流流电电压压。这这是是由由于于加加直直流流电电压压引引起起感感湿湿体体内内水水分分子子的的电电解解，致致使使电电导导率率随随时时间间的的增增加加而而下下降降，故故测测试试电电压采用交流电压。压采用交流电压。右图表示湿度传感器的右图表示湿度传感器的电阻与外加交流电压之间的电阻与外加交流电压之间的关系。可见，测试电压小于关系。可见，测试电压小于5V5V时，电压对阻时，电压对阻湿特性湿特性没有影响。但交流电压大于没有影响。但交流电压大于15V15V时，由于产生焦耳热，时，由于产生焦耳热，对湿度传感器的阻对

39、湿度传感器的阻湿特湿特性产生了较大影响，因而一性产生了较大影响，因而一般湿度传感的使用电压都小般湿度传感的使用电压都小于于10V10V。Lg R/0123456578420 100Hz 100Hz11%RH33%RH75%RH100%RHU/V第74页/共91页75电阻阻频率特性率特性20 5V 5V11%RH33%RH100%RHLg f/Hz0123456578475%RHLg R/8)8)、频率特性、频率特性 湿度传感器的阻值与外加测试电压频率的关系，如图。在高湿度传感器的阻值与外加测试电压频率的关系，如图。在高湿时，频率对阻值的影响很小，当低湿高频时，随着频率的增加，湿时，频率对阻值的

40、影响很小，当低湿高频时，随着频率的增加，阻值下降。对这种湿度传感器，在各种湿度下，当测试频率小于阻值下降。对这种湿度传感器，在各种湿度下，当测试频率小于10103 3HzHz时，阻值不随使用频率而变化，故该时，阻值不随使用频率而变化，故该湿度传感器使用频率湿度传感器使用频率的上限为的上限为10103 3HzHz。湿度传感器的使用频率上限由实验确定。直流。湿度传感器的使用频率上限由实验确定。直流电压会引起水分子的电解，因此，测试电压频率也不能太低。电压会引起水分子的电解，因此，测试电压频率也不能太低。第75页/共91页6 6、湿度传感器的测量电路、湿度传感器的测量电路 （一）检测电路的选择（一）

41、检测电路的选择 第76页/共91页 1)1)、电源选择、电源选择 一一切切电电阻阻式式湿湿度度传传感感器器都都必必须须使使用用交交流流电电源源，否否则则性性能能会会劣劣化甚至失效。化甚至失效。电电解解质质湿湿度度传传感感器器的的电电导导是是靠靠离离子子的的移移动动实实现现的的，在在直直流流电电源源作作用用下下，正正、负负离离子子必必然然向向电电源源两两极极运运动动，产产生生电电解解作作用用，使使感感湿湿层层变变薄薄甚甚至至被被破破坏坏；在在交交流流电电源源作作用用下下，正正负负离离子子往往返返运运动动，不会产生电解作用，感湿膜不会被破坏。不会产生电解作用，感湿膜不会被破坏。交流电源的交流电源的

42、频率选择频率选择是，是，在不产生正、负离子定向积累情况下在不产生正、负离子定向积累情况下尽可能低一些。尽可能低一些。在高频情况下，测试在高频情况下，测试引线引线的容抗明显下降，会把的容抗明显下降，会把湿敏电阻短路。另外，湿敏膜在高频下也会产生湿敏电阻短路。另外，湿敏膜在高频下也会产生集肤效应集肤效应，阻值，阻值发生变化，影响到发生变化，影响到测湿灵敏度和准确性测湿灵敏度和准确性。第77页/共91页2)2)温度补偿温度补偿 湿湿度度传传感感器器具具有有正正或或负负的的温温度度系系数数，其其温温度度系系数数大大小小不不一一，工工作作温温区区有有宽宽有有窄窄。所所以要考虑温度补偿问题。以要考虑温度补

43、偿问题。对对于于半半导导体体陶陶瓷瓷传传感感器器，其其电电阻阻与与温温度度的的的的关关系系一一般般为为指指数数函函数数关关系系，通通常常其其温温度度关系属于关系属于NTCNTC型，即型，即 H：相对湿度；T：绝对温度；R0：在T=0相对湿度H=0时的阻值；A：湿度常数；B：温度常数。温度系数湿度系数湿度温度系数 若传感器的湿度温度系数为若传感器的湿度温度系数为0.070.07RH/RH/，工作温度差为，工作温度差为3030，测量误差为，测量误差为0.210.21RH/RH/，则不必考虑温度补偿；若湿度温度系数为，则不必考虑温度补偿；若湿度温度系数为0.40.4RH/RH/，则引起，则引起121

44、2RH/RH/的误的误差差,必须进行温度补偿。必须进行温度补偿。第78页/共91页 3)3)线性化线性化 湿度传感器的感湿特征量与相对湿度之间的关系不是线性的，湿度传感器的感湿特征量与相对湿度之间的关系不是线性的，这给湿度的测量、控制和补偿带来了困难。需要通过一种变换使这给湿度的测量、控制和补偿带来了困难。需要通过一种变换使感湿特征量与相对湿度之间的关系线性化。下图为湿度传感器测感湿特征量与相对湿度之间的关系线性化。下图为湿度传感器测量电路原理框图。量电路原理框图。A2A1A3A4A5A6+_湿湿敏敏元元件件R1R2R3R4R5R6RTUSCC1C2C3W湿度传感器测量电路原理框图湿度传感器测

45、量电路原理框图D1振振荡器器放大放大电路路传感器感器驱动电路路整流整流电路路对数数温温补电路路第79页/共91页 （二）典型电路（二）典型电路 电阻式湿度传感器，其测量电路主要有两种形式电阻式湿度传感器，其测量电路主要有两种形式:1 1电桥电路电桥电路 振振荡荡器器对对电电路路提提供供交交流流电电源源。电电桥桥的的一一臂臂为为湿湿度度传传感感器器，由由于于湿湿度度变变化化使使湿湿度度传传感感器器的的阻阻值值发发生生变变化化，于于是是电电桥桥失失去去平平衡衡，产产生生信信号号输输出出，放放大大器器可可把把不不平平衡衡信信号号加加以以放放大大，整整流流器器将将交交流流信信号号变变成成直直流流信信号

46、号，由由直直流流毫毫安安表表显显示示。振振荡荡器器和和放放大大器器都都由由9V9V直直流电源供给。电桥法适合于氯化锂湿度传感器。流电源供给。电桥法适合于氯化锂湿度传感器。振荡器电 桥放大器桥式整流电表指示直流电源9V湿度传感器电桥测湿电路框图第80页/共91页100k传感器感器湿湿度度3AX3 2 210k100k6 63DG62k2k2.2k9V10FF10FF20FF10FF2 20FF3k3k2 2U U10FF51k51k51k51k100mA100mA便携式湿度计的实际电路 第81页/共91页 2 2欧姆定律电路欧姆定律电路 此此电电路路适适用用于于可可以以流流经经较较大大电电流流的

47、的陶陶瓷瓷湿湿度度传传感感器器。由由于于测测湿湿电电路路可可以以获获得得较较强强信信号号，故故可可以以省省去去电电桥桥和和放放大大器器，可可以以用用市市电作为电源，只要用降压变压器即可。其电路图如图。电作为电源，只要用降压变压器即可。其电路图如图。欧欧姆定律姆定律电路路220V220V22k51k3V2AP94 4输入入Rd插插口口0.05FF2 2第82页/共91页 3 3带温度补偿的湿度测量电路带温度补偿的湿度测量电路 在在实实际际应应用用中中，需需要要同同时时考考虑虑对对湿湿度度传传感感器器进进行行线线性性处处理理和和温温度度补补偿偿，常常常常采采用用运运算算放放大大器器构构成成湿湿度度

48、测测量量电电路路。下下图图为为湿湿度度测测量量电电路路中中R Rt t是是热热敏敏电电阻阻器器(20k(20k，B B=4100K)=4100K)；R RH H为为H204CH204C湿湿度度传传感感器器，运运算算放放大大器器型型号号为为LM2904LM2904。该该电电路路的的湿湿度度电电压压特特性性及及温温度度特特性性表表明明：在在(30(309090)RH)RH、15153535范围内，输出电压表示的湿度误差不超过范围内，输出电压表示的湿度误差不超过3 3RHRH。_+_+1V120HZ51k91k22k91kRH+12V-12VD20FF47k100k100k330kUOUT-VSRtA2A1第83页/共91页第84页/共91页第85页/共91页第86页/共91页第87页/共91页第88页/共91页第89页/共91页第90页/共91页感谢您的观看。第91页/共91页