ch12+濕敏傳感器及其應用課件

第12章濕敏傳感器及其應用濕度是指大氣中的水蒸氣含量,通常采用絕對濕度和相對濕度兩種表示方法。

絕對濕度是指單位空間中所含水蒸氣的絕對含量或者濃度或者密度,一般用符號AH表示。

相對濕度是指被測氣體中蒸氣壓和該氣體在相同溫度下飽和水蒸氣壓的百分比,一般用符號RH表示。相對濕度給出大氣的潮濕程度,它是一個無量綱的量,在實際使用中多使用相對濕度這一概念。

12.1濕敏傳感器概述為了更好地描述一些與濕度有關的自然現象,目前,普遍用相對濕度（縮寫為RH）來表示濕度。

所謂相對濕度是指氣體的絕對濕度（PV）與同一溫度下達到飽和狀態(tài)的絕對濕度PS的百分比,即滿足如下關系:

保持壓力一定而降溫,使混合氣體中的水蒸氣達到飽和而開始結露或結霜時的溫度稱為露點溫度,單位為℃。二、濕度傳感器的主要參數

1.濕度量程能保證一個濕敏器件正常工作的環(huán)境濕度的最大變化范圍稱為濕度量程。濕度范圍用相對濕度（0~100）%RH表示。量程是濕度傳感器工作性能的一項重要指標。

2.感濕特征量-相對濕度特性曲線每種濕度傳感器都有其感濕特征量,如電阻、電容、電壓、頻率等,在規(guī)定的工作溫度范圍內,濕度傳感器的感濕特征量隨環(huán)境相對濕度變化的關系曲線,稱為相對濕度特性曲線,簡稱感濕特性曲線。

通常希望特性曲線應當在全量程上是連續(xù)的且呈線性關系。有的濕度傳感器的感濕特征量隨濕度的增加而增大,這稱為正特性濕敏傳感器;有的感濕特征量隨濕度的增加而減小,這稱為負特性濕敏傳感器。4.溫度系數溫度系數是反映濕度傳感器的感濕特征量-相對濕度特性曲線隨環(huán)境溫度而變化的特征。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。溫度系數分為特征量溫度系數和感濕溫度系數。在環(huán)境濕度保持恒定的情況下,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。如感濕特征量是電阻,則電阻溫度系數為電阻溫度系數（%/°C）感濕溫度系數（%RH/°C）

式中,ΔT為一個溫度(25°C)與另一規(guī)定環(huán)境溫度之差;H1為溫度為25°C時濕度傳感器的某一電阻值對應的相對濕度值;H2為另一規(guī)定環(huán)境溫度下,濕度傳感器的同一電阻值對應的另一相對濕度值。5.響應時間在一定的溫度下,當相對濕度發(fā)生躍變時,濕度傳感器的感濕特征量之值達到穩(wěn)態(tài)變化量的規(guī)定比例所需要的時間稱為響應時間,也稱為時間常數。一般是以相應于起始和終止這一相對濕度變化區(qū)間63%的相對濕度變化所需要的時間,叫響應時間,單位是s,也有規(guī)定從始到終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。7.電壓特性用濕度傳感器測量濕度時,由于加直流測試電壓引起感濕體內水分子的電解,致使電導率隨時間的增加而下降,故測試電壓應采用交流電壓。濕度傳感器感濕特征量之值與外加交流電壓之間的關系稱為電壓特性。當交流電壓較大時,由于產生焦耳熱,對濕度傳感器的特性會帶來較大影響。

8.頻率特性濕度傳感器的阻值與外加測試電壓頻率有關。在各種濕度下,當測試頻率小于一定值時,阻值不隨測試頻率而變化,該頻率被確定為濕度傳感器的使用頻率上限。當然,為防止水分子的電解,測試電壓頻率也不能太低。9.其它特性與參數

精度是指濕度量程內,濕度傳感器測量濕度的相對誤差。工作溫度范圍表示濕度傳感器能連續(xù)工作的環(huán)境溫度范圍,它應由極限溫度來決定,即由在額定功率條件下,能夠連續(xù)工作的最高環(huán)境溫度和最低環(huán)境溫度所決定。

穩(wěn)定性是指濕度傳感器在各種使用環(huán)境中,能保持原有性能的能力。一般用相對濕度的年變化率表示,即±%RH/年。

壽命是指濕度傳感器能夠保持原來的精度,能夠連續(xù)工作的最長時間。濕敏傳感器水分子親和力型濕敏傳感器電阻式濕敏傳感器陶瓷式濕敏傳感器電容式濕敏傳感器電解質濕敏傳感器非水分子親和力型濕敏傳感器熱敏電阻式濕敏傳感器紅外線式濕敏傳感器微波式濕敏傳感器超聲波式濕敏傳感器根據水分子易于吸附在固體濕敏元件表面并滲透到固體內部的特性可以分為水分子親和力型和非水分子親和力型12.2電解質濕敏傳感器

電解質濕敏傳感器的濕敏元件主要包括潮解性鹽元件、非溶性鹽薄膜元件和采用離子交換樹脂元件，即包括無機電解質和高分子電解質濕敏傳感器兩大類。2、高分子電解質濕敏傳感器

利用高分子電解質吸濕而導致電阻率發(fā)生變化的基本原理來進行測量的。雖然這類元件的感濕膜是高分子聚合物，但是真正起到吸濕導電作用的敏感物質是電解質。當水吸附在強極性基高分子上時，隨著濕度的增加吸附量增大，吸附水之間凝聚呈液態(tài)水狀態(tài)。在低濕吸附量少的情況下，由于沒有電離子產生，電阻值很高；當相對濕度增加時，凝聚化的吸附水就成為導電通道，高分子電解質的成對離子主要起載流子作用。此外，由吸附水自身離解出來的質子（H+）及水和氫離子（H3O+）也起電荷載流子作用，這就使得載流子數目急劇增加，傳感器的電阻急劇下降。利用高分子電解質在不同濕度條件下電離產生的導電離子數量不等使阻值發(fā)生變化，就可以測定環(huán)境中的濕度。12.4半導體濕度傳感器

利用金屬硒蒸發(fā)膜或無定型硒蒸發(fā)膜都可以做濕敏器件。一般來說,硒蒸發(fā)膜的濕敏器件的電阻值比鍺蒸發(fā)膜的濕敏器件電阻值低,被測濕度范圍較大,但它也有和鍺膜濕敏器件同樣的需要較長老化時間的缺點。2.金屬氧化物半導體陶瓷濕敏器件金屬氧化物半導體陶瓷材料具有較好的熱穩(wěn)定性及其抗沾污的特點,逐漸被人們所重視,相繼出現了各種半導體陶瓷濕敏器件。半導體陶瓷使用壽命長,可以在很惡劣的環(huán)境下使用幾萬小時,這是其它濕敏器件所無法比擬的。在對濕度的測量方面,半導體陶瓷濕敏器件可以檢測1%RH這樣的低濕狀態(tài),而且還具有響應快、精度高、使用溫度范圍寬、濕滯現象小和可以加熱清洗等各種優(yōu)點。所以,半導體陶瓷濕敏器件已在當前濕度敏感器件的生產和應用中占有很重要的地位。應用領域使用設備使用溫度、濕度范圍備注溫度℃濕度%RH家用電器空調機器干燥機電子炊具VTR5~405~805~100-5~6040~700~102~10060~100空調、烘干機、食品加熱、烹調控制、防止結露汽車散熱器-20~8050~100防止結露醫(yī)療治療器保健設備10~3010~3080~10050-80呼吸器系統(tǒng)、空調工業(yè)纖維干燥器粉體水分干燥食品電子部件生產10~3030~1005~10050~1005~405~1000~500~500~500~50制絲、窯業(yè)木材干燥、窯業(yè)原料、磁頭、LSI、IC農林畜牧房屋空調茶田防霜養(yǎng)殖5~40-10~6020~250~1005~10040~70空調、防止結露、健康管理測量恒溫恒濕槽無線氣候監(jiān)測5~100-50~400~1000~100精密測量、氣象測量1、直讀式濕度計圖中RH為氯化鋰濕敏傳感器。由VT1、VT2、T1等組成測濕電橋的電源，其振蕩頻率為250~1000Hz。電橋的輸出經變壓器T2，Ｃ3耦合到VT3，經VT3放大后的信號，經VD1~VD4橋式整流后，輸入給微安表，指示出由于相對濕度的變化引起電流的改變，經標定并把濕度刻劃在微安表盤上，就成為一個簡單而實用的直讀式濕度計了。2、微波爐濕度檢測控制系統(tǒng)3、汽車玻璃擋板結露控制電路RL：加熱絲；RH：結露傳感器。T