濕度傳感器教案

教學(xué)部門*****主講人學(xué)習(xí)專題傳感器應(yīng)用授課學(xué)時(shí)10課時(shí)教學(xué)地點(diǎn)教室班級(jí)*****教學(xué)資源教案教學(xué)設(shè)備桌椅、黑板、講臺(tái)、PPT教學(xué)內(nèi)容.了解絕對(duì)濕度與相對(duì)濕度的概念；.了解結(jié)露現(xiàn)象和露點(diǎn)；.掌握濕敏電阻的結(jié)構(gòu)、原理、特點(diǎn)及分類；.熟悉濕敏電阻傳感器的基本參數(shù)；.能根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合正確選用濕敏電阻；.掌握濕敏電容的結(jié)構(gòu)、原理、特點(diǎn)及分類；.熟悉濕敏電容傳感器的基本參數(shù)；.能根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合正確選用濕敏電阻。教學(xué)重點(diǎn)電阻式濕敏電阻的工作原理電容式濕敏電阻的工作原理教學(xué)難點(diǎn)電橋測(cè)濕電路教學(xué)方法講授評(píng)價(jià)方法通過提問和作業(yè)的形式來衡量學(xué)生是否理解，通過學(xué)生是否理解來衡量同學(xué)的掌握情況教學(xué)內(nèi)容第三章濕度傳感器3.1濕度的概念3.1.1相關(guān)知識(shí).濕度的概念濕度：指大氣中所含的水蒸氣量。最常用的兩種表示方法：絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度。.絕對(duì)濕度大氣的水汽含量通常用大氣中的水汽密度來表示，即每立方米大氣中所含水汽的克數(shù)，其表達(dá)式為中 一一待測(cè)大氣中的水汽質(zhì)量（9）;V——待測(cè)氣體的總體積（ ）。.飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)：在某一壓力、溫度下，大氣中的水汽含量的最大值。直接測(cè)量大氣中的水汽含量是非常困難的，而且許多與大氣濕度相關(guān)的現(xiàn)象，如有機(jī)物的發(fā)霉、人的干濕感覺等都與大氣的絕對(duì)濕度沒有很大關(guān)系。.相對(duì)濕度（RH）空氣的絕對(duì)濕度與同溫度和氣壓下的飽和狀態(tài)空氣絕對(duì)濕度的比值的百分?jǐn)?shù)。這是一個(gè)無量綱量，常用百分?jǐn)?shù)表示，其表達(dá)式為P…?①=/X100%W式中 一一某溫度下待測(cè)氣體的水汽分壓；——與待測(cè)氣體溫度相同時(shí)水的飽和水汽壓相對(duì)濕度可以準(zhǔn)確說明空氣干、濕程度。例：在20℃、一個(gè)大氣壓下，1m3的大氣中飽和狀態(tài)時(shí)存在179的水汽，則絕

對(duì)濕度17g/m3,相對(duì)濕度為100%RH；相同條件下，如果絕對(duì)濕度為8.5g/m3,則相對(duì)濕度為50%RH,此時(shí)，若溫度降至10℃以下時(shí)，相對(duì)濕度又可能接近100%RH。.質(zhì)量百分比和體積百分比質(zhì)量為M的混合氣體中，若含水蒸氣的質(zhì)量為m,則質(zhì)量百分比為m/MX100%在體積為V的混合氣體中，若含水蒸氣的體積為v,則體積百分比為V/vX100%3.1.2結(jié)露現(xiàn)象和露點(diǎn)在一定的大氣壓下，降低溫度可以使原先未飽和的水汽變成飽和水汽，從氣態(tài)變成液態(tài)而凝結(jié)成露珠，這種現(xiàn)象稱為結(jié)露，此時(shí)的溫度稱為露點(diǎn)。水的飽和蒸氣壓隨溫度的降低而逐漸下降。在同樣的空氣水蒸氣壓下，溫度越低，則空氣的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和蒸氣壓差值越小。當(dāng)空氣溫度下降到某一溫度時(shí)，空氣中的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和水蒸氣壓相等。此時(shí)，空氣中的水蒸氣將向液相轉(zhuǎn)化而凝結(jié)成露珠，相對(duì)濕度為100%RH。該溫度，稱為空氣的露點(diǎn)溫度，簡(jiǎn)稱露點(diǎn)。如果這一溫度低于0c時(shí)，水蒸氣將結(jié)霜，又稱為霜點(diǎn)溫度。兩者統(tǒng)稱為露點(diǎn)?？諝庵兴魵鈮涸叫?，露點(diǎn)越低，因而可用露點(diǎn)表示空氣中的濕度。

危害：結(jié)露會(huì)嚴(yán)重影響電子儀器的正常工作，甚至還會(huì)造成漏電、擊穿和短路現(xiàn)象，必須提高重視。3.2濕敏電阻傳感器濕敏電阻的結(jié)構(gòu)和原理以絕緣材料為基片，通過蒸發(fā)、涂覆等工藝將金屬、半導(dǎo)體、高分子薄膜或粉末狀顆粒制成薄膜作為吸濕性物質(zhì)，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕層上后，兩電極間的電阻值發(fā)生變化，這樣直接將相對(duì)濕度的變化變換成電阻值的變化。3.2.2應(yīng)變片結(jié)構(gòu)與類型濕敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖封裝后的外形濕敏電阻的特點(diǎn)（1）濕敏電阻靈敏度高，對(duì)溫度的依存性小。（2）工作范圍寬，測(cè)量精度較高。（3）濕滯回差小，重現(xiàn)性好。（4）濕敏元件的線性度及抗污染性較差。濕敏電阻的基本參數(shù)1）濕度量程：濕度測(cè)量的全量程為0%?100%RH,但對(duì)一種具體的傳感器一般是無法覆蓋全量程的，如木材干燥可測(cè)濕度量程為0%-40%,空調(diào)可測(cè)濕度量程為30%-70%。其中，d11:縱向壓電常數(shù)；//作用力。2）濕度靈敏度：濕度傳感器的靈敏度即其感濕特性曲線的斜率。3）濕滯特性：一個(gè)濕度傳感器在吸濕和脫濕兩種情況下的感濕特性曲線不相重復(fù)，一般可形成為一回線。4）響應(yīng)時(shí)間：表示當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生變化時(shí)，傳感器完成吸濕或脫濕以及動(dòng)態(tài)平衡過程所需時(shí)間的特性參數(shù)。濕敏電阻的分類1）電解質(zhì)式濕敏電阻

電解質(zhì)是以離子形式導(dǎo)電的物質(zhì)，分為固體電解質(zhì)和液體電解質(zhì)。若物質(zhì)溶于水中，在極性水分子作用下，能全部或部分地離解為自由移動(dòng)的正、負(fù)離子，稱為液體電解質(zhì)。電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率與溶液的濃度有關(guān)，而溶液的濃度，在一定的溫度下又是環(huán)境相對(duì)濕度的函數(shù)。電解質(zhì)氯化鋰濕度傳感器最為典型72/10sO72/10sO0.25%LQ0.5%LQL0%LQ2.2%LQ0306090相對(duì)濕度/%氯化鋰濕度傳感器的阻一濕特性氯化鋰濕度傳感器的結(jié)構(gòu)A涂有聚苯乙烯薄膜的圓筒B耙絲優(yōu)點(diǎn)：滯后小，不受測(cè)試環(huán)境風(fēng)速影響，檢測(cè)精度達(dá)±5%；缺點(diǎn)：耐熱性差，不能用于露點(diǎn)以下測(cè)量，器件性能的重復(fù)性不理想，使用壽

命短。命短。人電阻（Q）6.5.5-5-4.5-4-50 60 7080 904050 60 7080 90將它放在被測(cè)氣體中，當(dāng)氣體的濕度增大時(shí)，則氯化鋰吸水量增加，導(dǎo)電性增強(qiáng)，電阻降低，反之，電阻增加。2）陶瓷式濕敏電阻利用半導(dǎo)體陶瓷材料制成的陶瓷濕度傳感器。具有許多優(yōu)點(diǎn)：測(cè)濕范圍寬，可實(shí)現(xiàn)全濕范圍內(nèi)的濕度測(cè)量;工作溫度高，常溫濕度傳感器的工作溫度在150℃以下，而高溫濕度傳感器的工作溫度可達(dá)800℃，響應(yīng)時(shí)間較短，精度高，抗污染能力強(qiáng)，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。典型產(chǎn)品是燒結(jié)型陶瓷濕敏元件是MgCr2O4-TiO2系。此外，還有TiO2-V2O5系、ZnO-Li2O-V2O5系、ZnCr2O4系、ZrO2-MgO系、Fe3O4系、Ta2O5系等。這類濕度傳感器的感濕特征量大多數(shù)為電阻。除Fe3O4外，都為負(fù)特性濕度傳感器，即隨著環(huán)境相對(duì)濕度的增加，阻值下降。也有少數(shù)陶瓷濕度傳感器，它的感濕特性量為電容。

陶瓷濕敏元件結(jié)構(gòu)圖該濕度傳感器的感濕體是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。這種多孔陶瓷的氣孔大部分為粒間氣孔,氣孔直徑隨TiO2添加量的增加而增大。粒間氣孔與顆粒大小無關(guān)，相當(dāng)于一種開口毛細(xì)管,容易吸附水分。材料的主晶相是MgCr2O4相，此外，還有TiO2相等,感濕體是一個(gè)多晶多相的混合物。MgCr2O4-TiO2系陶瓷濕度傳感器的電阻一濕度特性，隨著相對(duì)濕度的增加，電阻值急驟下降，基本按指數(shù)規(guī)律下降。在單對(duì)數(shù)的坐標(biāo)中，電阻一濕度特性近似呈線性關(guān)系。當(dāng)相對(duì)濕度由0變?yōu)?00%RH時(shí)，阻值從107Q下降到104Q，即變化了三個(gè)數(shù)量級(jí)。3）高分子濕敏電阻用有機(jī)高分子材料制成的濕度傳感器，主要是利用其吸濕性與脹縮性。某些高分子電介質(zhì)吸濕后，介電常數(shù)明顯改變，制成了電容式濕度傳感器；某些高分子電解質(zhì)吸濕后，電阻明顯變化，制成了電阻式濕度傳感器；利用脹縮性高分子（如樹脂）材料和導(dǎo)電粒子，在吸濕之后的開關(guān)特性，制成了結(jié)露傳感器。高分子薄膜電介質(zhì)電容式濕度傳感器的基本結(jié)構(gòu)3.2.4濕敏電阻的使用注意事項(xiàng)1）供電電壓要符合要求濕敏傳感器應(yīng)使用交流電源供電，也采用方波代替正弦波。2）低濕度時(shí)阻抗處理低濕度時(shí)，須選用場(chǎng)效應(yīng)管輸入型運(yùn)算放大器，同時(shí)在傳感器信號(hào)輸入端周圍制作電路保護(hù)環(huán)或者用聚四氟乙烯支架來固定輸入端。3）溫度補(bǔ)償陶瓷式濕敏電阻的溫度每升高1℃，電阻下降引起的誤差約為1%RH。實(shí)際應(yīng)用中，通常使用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻作為溫度補(bǔ)償元件。4）傳感器引線安裝在空氣流動(dòng)的環(huán)境中，使其響應(yīng)速度較快。5）燒結(jié)型濕敏電阻的加熱處理當(dāng)加熱到400c以上時(shí)，可使污物揮發(fā)或燒掉，陶瓷恢復(fù)到初始狀態(tài)，所以必須定期給加熱絲通電。3.2.5濕敏電阻傳感器的應(yīng)用舉例

電橋測(cè)濕電路振蕩器對(duì)電路提供交流電源。電橋的一臂為濕度電阻傳感器，由于濕度變化使?jié)穸葌鞲衅鞯淖柚蛋l(fā)生變化，于是電橋失去平衡，產(chǎn)生信號(hào)輸出，放大器把不平衡信號(hào)加以放大，整流器將交流信號(hào)變成直流信號(hào)，由直流毫安表顯示。振蕩器和放大器都由9V直流電源供給。電橋法適合于氯化鋰濕度傳感器。陶瓷式濕敏電阻可以承受較大電流，因此歐姆定律電路選擇陶瓷式濕敏電阻傳感器。由于測(cè)濕電路可以獲得較強(qiáng)信號(hào)，故可以省去電橋和放大器，可以用市電作為電源，只要用降壓變壓器即可。3.3濕敏電容傳感器濕敏電容的結(jié)構(gòu)、原理及特點(diǎn)由物理學(xué)可知，由平行板組成的平行板電容器，如果忽略邊緣效應(yīng)，其電容量為C_8A_808A0dr式中A——兩極板相互對(duì)應(yīng)的面積（成）；d——兩極板的距離（m）；——兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；——真空的介電常數(shù)，=8.85X10-12F/m；——兩極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。由上式可知，在A、d、 三個(gè)參量中，改變其中任意一個(gè)量，均可使電容量C改變。因此，當(dāng)相對(duì)濕度增大時(shí)，濕敏電容中的吸濕性介質(zhì)吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊電極之間的介質(zhì)相對(duì)介質(zhì)常數(shù)大為增加，電容量增大。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，產(chǎn)品互換性好，響應(yīng)速度快，濕度的滯后量小，便于制造，容易實(shí)現(xiàn)小型化和集成化。缺點(diǎn)：精度一般比濕敏電阻低一些，不宜用于含有機(jī)溶媒氣體的環(huán)境中。以Humirel公司生產(chǎn)的HS1100型濕敏電阻為例，其測(cè)量范圍為（1?99）%RH,在55%RH時(shí)的電容量為180pF（典型值）。當(dāng)相對(duì)濕度從0變化到100%時(shí)，電容量的變化范圍為163?202pF。溫度系數(shù)為0.04pF/℃,濕度滯后量為±1.5%,響應(yīng)時(shí)間為5s。濕敏電容的分類及應(yīng)用場(chǎng)合根據(jù)吸濕性介質(zhì)的不同，成品濕敏電容分為兩種：一種是多孔性氧化鋁濕敏電容，另一種是高分子稀釋膜濕敏電容。1）多孔性氧化鋁濕敏電容由于多孔性氧化鋁可以吸附及釋放水分子，所以其電容量將隨空氣相對(duì)濕度變大而變大，與此同時(shí)，其漏電電阻隨濕度的增大而降低，形成介質(zhì)損耗很大的電容器。2I 6多孔性MOS濕敏電容結(jié)構(gòu)示意圖1-鋁電極2-單晶硅基底3-絕緣膜4-多孔Au電極5-稀釋層6-引線優(yōu)點(diǎn)：具有良好的低濕度感濕特性、獨(dú)特的形成機(jī)制和感濕機(jī)理，在工業(yè)中應(yīng)用比較廣泛；缺點(diǎn)：在塵埃環(huán)境下，細(xì)孔容易被封堵導(dǎo)致元件失效，一般采用通電除塵的方法處理，但效果不夠理想，且在易燃易爆環(huán)境下不能使用，且感濕材料具有表面結(jié)構(gòu)天然老化的缺點(diǎn)，阻抗不穩(wěn)定。2）高分子吸濕膜濕敏電容高分子吸濕膜濕敏電容傳感