傳感器技術(shù)及應(yīng)用：濕度傳感器

濕度傳感器任務(wù)一項目學(xué)習(xí)引導(dǎo)任務(wù)二嬰兒尿濕報警器任務(wù)三濕度測試儀任務(wù)一項目學(xué)習(xí)引導(dǎo)

內(nèi)容一基本概念

隨著現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展及人們生活條件的提高，濕度的檢測與控制成為生產(chǎn)和生活中必不可少的手段。

1.絕對濕度

絕對濕度是指單位體積的氣氛中含水蒸氣的質(zhì)量，其表達(dá)式為

式中：mV為待測氣氛中的水汽質(zhì)量，V為待測氣體的總體積。

2.相對濕度(RH)

相對濕度為待測氣氛中水汽分壓與相同溫度下水的飽和水汽壓(即絕對濕度)的比值的百分?jǐn)?shù)。這是一個無量綱量，常表示為%，其表達(dá)式為

式中：PV為某溫度下待測氣體的水汽分壓，PW為與待測氣體溫度相同時飽和水汽分壓。

3.露點

在一定大氣壓下，將含水蒸氣的空氣冷卻，當(dāng)降到某溫度時，空氣中的水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)，開始從氣態(tài)變成液態(tài)而凝結(jié)成露珠，這種現(xiàn)象稱為結(jié)露。此時的溫度稱為露點或露點溫度。如果這一特定溫度低于0℃，水汽將凝結(jié)成霜，此時稱其為霜點。通常對兩者不予區(qū)分，統(tǒng)稱為露點，其單位為℃。濕度傳感器是由濕敏元件及轉(zhuǎn)換電路組成的，具有把環(huán)境濕度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕哪芰?。其主要特性有以下幾點：

(1)感濕特性。

(2)濕度量程。

(3)靈敏度。

(4)濕滯特性。

(5)響應(yīng)時間。

(6)感濕溫度系數(shù)。

(7)老化特性。圖4-1濕度傳感器的感濕特性圖4-2濕度傳感器的濕滯特性綜上所述，一個理想的濕度傳感器應(yīng)具備的性能和參數(shù)如下：

(1)使用壽命長，長期穩(wěn)定性好。

(2)靈敏度高，感濕特性曲線的線性度好。

(3)使用范圍寬，濕度、溫度系數(shù)小。

(4)響應(yīng)時間短。

(5)濕滯回差小。

(6)能在有害氣氛的惡劣環(huán)境中使用。

(7)一致性和互換性好，易于批量生產(chǎn)，成本低廉。

(8)感濕特征量應(yīng)在易測范圍內(nèi)。內(nèi)容二溫度傳感器的分類及選用

1.陶瓷型濕度傳感器

1)MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器

MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器是一種典型的多孔陶瓷濕

度測量器件。具有靈敏度高、響應(yīng)特性好、測濕范圍寬和

高溫清洗后性能穩(wěn)定等優(yōu)點，目前已商品化。其結(jié)構(gòu)如圖

4-3所示。圖4-3MgCr2O4-TiO2濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2)ZrO2系厚膜型濕度傳感器

由于燒結(jié)法制成的燒結(jié)體型陶瓷濕度傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝上一致性差，特性分散。近來，國外開發(fā)了厚膜型濕度傳感器，不僅降低了成本，而且提高了傳感器的一致性。圖4-4ZrO2濕度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

2.有機高分子傳感器

1)高分子電阻式濕度傳感器

高分子電阻式傳感器的工作原理是：由于水吸附在能作為電解質(zhì)電解產(chǎn)生正、負(fù)離子的有極性基的高分子膜上，在低濕下，因吸附量少，不能產(chǎn)生荷電離子，所以電阻值較高。相對濕度增加時，吸附量也增加，集團化的吸附水就成為導(dǎo)電通道，高分子電解質(zhì)的正負(fù)離子對主要起到載流子作用，這就使高分子濕度傳感器的電阻值下降。

2)高分子電容式濕度傳感器

高分子電容式濕度傳感器是在高分子材料吸水后，元器件的介電常數(shù)隨環(huán)境相對濕度的變化而變化，從而引起電容的變化。元器件的介電常數(shù)是水與高分子材料兩種介電常數(shù)的總和。當(dāng)含水量以水分子形式被吸附在高分子介質(zhì)膜中時，由于高分子介質(zhì)的介電常數(shù)(3～6)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水的介電常數(shù)(81)，所以介質(zhì)中水的成分對總介電常數(shù)的影響比較大，使元件對濕度有較好的敏感性能。高分子電容式濕度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4-5所示。圖4-5高分子電容式濕度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

3)結(jié)露傳感器

結(jié)露傳感器利用了摻入碳粉的有機高分子材料吸濕后的膨脹現(xiàn)象。在高濕下，高分子材料的膨脹引起其中所含碳粉間距變化而產(chǎn)生電阻突變。利用這種現(xiàn)象可制成具有開關(guān)特性的濕度傳感器。其特性如圖4-6所示。圖4-6結(jié)露傳感器的特性曲線

3.半導(dǎo)體濕度傳感器

半導(dǎo)體濕度傳感器品種也很多，這里以硅MOS型Al2O3濕度傳感器為例來說明其結(jié)構(gòu)與工藝。由于傳統(tǒng)的Al2O3濕度傳感器氣孔形狀大小不一，分布不勻，所以一致性差，存在著濕滯大、一老化、性能漂移等缺點。硅MOS型Al2O3濕度傳感器是在Si單晶上制成MOS晶體管。其柵極是用熱氧化法生長厚度為80nm的SiO2膜，在此SiO2膜上用蒸發(fā)及陽極化方法制得多孔Al2O3膜，然后再蒸鍍上多孔金(Au)膜而制成的。此種傳感器具有響應(yīng)速度快、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高低溫沖擊等特點。其結(jié)構(gòu)如圖4-7所示。圖4-7MOS型Al2O3濕度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖內(nèi)容三含水量的檢測方法

通常將空氣或其它氣體中的水分含量稱為“濕度”，將固體物質(zhì)中的水分含量稱為“含水量”。固體物質(zhì)中所含水分的質(zhì)量與總質(zhì)量之比的百分?jǐn)?shù)即含水量的值。固體中的含水量可用下列方法檢測。

1.稱重法

將被測物質(zhì)烘干前后的重量GH和GD測出，含水量的百分?jǐn)?shù)便是：

這種方法很簡單，但烘干需要時間，檢測的實時性差，不適用于某些不能采用烘干法的產(chǎn)品。

2.電導(dǎo)法

固體物質(zhì)吸收水分后電阻變小，用測定電阻率或電導(dǎo)率的方法便可判斷含水量。例如，用專門的電極安裝在生產(chǎn)線上，可以在生產(chǎn)過程中得到含水量數(shù)據(jù)。但要注意被測物質(zhì)的表面水分可能與內(nèi)部含水量不一致，電極應(yīng)設(shè)計成能測量縱深部位電阻的形式。

3.電容法

水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于一般干燥固體物質(zhì)，因此可用電容法測物質(zhì)的介電常數(shù)，繼而可測出該物質(zhì)的含水量。這種方法很靈敏，造紙廠的紙張含水量便可用電容法測量。由于電容法是由極板間的電力線貫穿被測介質(zhì)內(nèi)部的，所以表面水分引起的誤差較小。至于電容值的測定，可用交流電橋電路、諧振電路及伏安法等。

4.紅外吸收法

水分對波長為1.94μm的紅外射線吸收較強，并且可用幾乎不被水分吸收的1.81μm波長作為參比。由上述兩種波長的濾光片對紅外光進(jìn)行輪流切換，根據(jù)被測物對這兩種波長的能量吸收的比值便可判斷含水量。

5.微波吸收法

水分對波長為1.36cm附近的微波有顯著的吸收現(xiàn)象，它比植物纖維對此波段的吸收要大幾十倍。利用這一原理可構(gòu)成測木材、煙草、糧食、紙張等物質(zhì)中含水量的儀表。采用微波法要注意的是被測物料的密度對檢測結(jié)果的影響。使用這種方法的設(shè)備稍為復(fù)雜一些。任務(wù)二嬰兒尿濕報警器

任務(wù)1工作原理

寶寶小時候尿的次數(shù)很多，需要經(jīng)常更換尿布，不然小屁股就會發(fā)紅起濕疹，很不舒服。但是寶寶的小便很不規(guī)律，常常查看的話又會影響寶寶睡眠，這可能是多數(shù)年輕媽媽的苦惱。除此之外，對一些特殊患者的護(hù)理日間不帶接尿器時小便困難，夜間怕尿床，都需要格外用心監(jiān)護(hù)。尿濕報警器就解決了這方面的問題，如圖4-8所示，它給人們的生活帶來了方便。本任務(wù)中要制作一個簡易的嬰兒尿濕報警器電路。圖4-8嬰兒尿濕報警器該電路主要由濕度傳感器和音樂報警器電路組成。濕度傳感器兩端的電阻隨被測物品的濕度而變化，干燥時濕度傳感器兩端電阻非常大，處于絕緣狀態(tài)；當(dāng)被測物品含有水分時，濕度傳感器受水分子作用具有導(dǎo)電能力，對音樂產(chǎn)生觸發(fā)電信號，音樂片通過蜂鳴器放出音樂信號。嬰兒尿濕報警器電路如圖4-9所示。圖4-9嬰兒尿濕報警器電路原理圖內(nèi)容二尿濕報警器的制作與調(diào)試

1.制作準(zhǔn)備

制作嬰兒尿濕報警器所需元器件清單見表4-1。

2.制作、調(diào)試過程

(1)制作濕度傳感器。

(2)設(shè)計電路布局圖。

(3)焊接元器件。

(4)檢查。焊接完成后先自查，后請教師檢查。

(5)通電并調(diào)試電路。圖4-10制作的濕度傳感器圖4-11實物布局圖

3.制作注意事項

(1)音樂片有空孔，在實際電路中沒有作用。

(2)自制的傳感器比買的要靈敏，可能較小的水跡就會產(chǎn)生報警現(xiàn)象，若在調(diào)試過程中手較濕，擦拭濕度傳感器可能也會產(chǎn)生報警現(xiàn)象。任務(wù)三濕度測試儀

敦煌莫高窟(如圖4-12所示)是人類文明的奇跡，但其石窟病害導(dǎo)致壁畫受損現(xiàn)象是一直困擾文物保護(hù)人員并亟待解決的問題。國內(nèi)外多家研究機構(gòu)對敦煌莫高窟進(jìn)行著常年溫濕監(jiān)測，這個過程中離不開濕度傳感器。除此之外，像天氣預(yù)報、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、博物館字畫等都需要進(jìn)行濕度的監(jiān)控。本任務(wù)中將制作一個簡單的濕度測試儀。圖4-12敦煌莫高窟壁畫本任務(wù)所使用的是AM1001濕度傳感器模塊，可以從網(wǎng)上購買。濕度傳感器模塊是相對濕度傳感器與電路一體化的產(chǎn)品，如圖4-13所示。圖4-13AM1001濕度傳感器模塊本任務(wù)要制作的電路實物圖如圖4-14所示，從電池正極出來首先接三端穩(wěn)壓塊7805，從7805出來后接AM1001的黃色引線，黃色引線后接LED，其中AM1001的紅、黑線分別接電源正負(fù)極。圖4-14濕度測試電路實物圖

1.制作準(zhǔn)備

制作這個電路所需的元器件見表4-3。該電路的核心元器件是AM1001濕度傳感器模塊。該模塊有三根引線，紅色引線接電源正極，