湿度传感器.复习进程.ppt

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1、湿度传感器.t1=t2=超声波传播时间差为超声波传播时间差为t=t2t1=流体的流速为流体的流速为v（Cv）23实实际际应应用用中中,超超声声波波传传感感器器安安装装在在管管道道的的外外部部,从从管管道道的的外外面面透透过过管管壁壁发发射射和和接接收收超超声声波波不不会会给给管管路路内内流动的流体带来影响，也有利于安装。流动的流体带来影响，也有利于安装。当当探探头头1为为发发射射探探头头，2为为接接收收探探头头时时，超超声声波波传传播播速度为速度为顺流传播时间顺流传播时间t1为为当探头当探头2为发射探头，为发射探头，1为接收探头时，超声波传播为接收探头时，超声波传播速度为速度为4逆流流传播时间

2、逆流流传播时间t2为为时差为时差为流体的平均流速为流体的平均流速为该方法测量精度取决于时间差的测量精度，且该方法测量精度取决于时间差的测量精度，且c是温度的函数，高精度测量需进行温度补偿。是温度的函数，高精度测量需进行温度补偿。53、超声波探伤、超声波探伤脉冲反射法。脉冲反射法。超声波发射到超声波发射到被测试件被测试件后，传播到有后，传播到有声阻抗声阻抗的界的界面上，产生反射。反射波显示在示波器屏幕上面上，产生反射。反射波显示在示波器屏幕上。BFT脉冲发生器脉冲发生器接收放大器接收放大器缺欠缺欠探头探头工件工件6纵波探测分一次反射波法和多次反射波法。纵波探测分一次反射波法和多次反射波法。一一次

3、次反反射射波波按按时时间间顺顺序序屏屏幕幕上上显显示示发发射射波波、表表面面反反射射波波和和底底面面反反射射波波。若若工工件件内内部部有有缺缺欠欠，对超声波有较强的吸收，底波幅度减小。对超声波有较强的吸收，底波幅度减小。多多次次反反射射波波以以多多次次底底波波反反射射为为依依据据。底底波波反反射射回回探探头头时时，一一部部分分声声波波被被探探头头接接收收，另另一一部部分分又又返返回回底底部部，多多次次反反射射，直直至至声声能能全全部部衰衰减完为止。减完为止。当当试试件件有有缺缺欠欠时时，声声波波衰衰减减很很大大，底底波波反反射射次次数数减减少少，直直至至消消失失，由由此此判判断断有有无无缺缺欠

4、欠及及缺缺欠的严重程度。欠的严重程度。7液位测量液位测量储油罐分选储油罐分选位置测量位置测量-绞筒直径绞筒直径-整理控制整理控制-绕线绕线/停止绕线停止绕线 调控调控绞筒直径绞筒直径堆置高度控制堆置高度控制厚度测量厚度测量1415第二节 微波式传感器一、微波的基础知识 微波是波长为微波是波长为1m1m一一1mm1mm的电磁波，具有下列特点：的电磁波，具有下列特点：空间辐射的装置容易制造；空间辐射的装置容易制造；遇到各种障碍物易于反射；遇到各种障碍物易于反射；绕射能力较差；绕射能力较差；传输特性良好；传输特性良好；介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，

5、水对微波的吸收作用最强。对微波的吸收作用最强。1617波波段段波波长范范围频率范率范围波段名称波段名称分米波分米波1m10cm0.33GHz特高特高频(UHF)厘米波厘米波10cm1cm330GHz超高超高频(SHF)毫米波毫米波1cm1mm30300GHz极高极高频(EHF)18波波 段段频率范围频率范围(GHz)波波 段段频率范围频率范围(GHz)UHF0.301.12Ka26.5040.00L1.121.70Q33.0050.00LS1.702.60U40.0060.00S2.603.95M50.0075.00C3.955.85E60.0090.00XC5.858.20F90.00140

6、.0X8.2012.40G140.0220.0Ku12.4018.00R220.0325.0K18.0026.50微波波段的代号及对应的频率范围微波波段的代号及对应的频率范围 19 微波式传感器的组成：微波式传感器的组成：微波振荡器微波振荡器和和微波天线微波天线二、微波传感器二、微波传感器 测测量量原原理理：由由发发射射天天线线发发出出的的微微波波，遇遇到到被被测测物物体体时时将将被被吸吸收收或或反反射射，使使功功率率发发生生变变化化。若若利利用用接接收收天天线线接接收收通通过过被被测测物物或或由由被被测测物物反反射射回回来来的的微微波波，并并将将它它转转换换成成电电信信号号，再再由由测测量电

7、路处理，就实现了微波检测。量电路处理，就实现了微波检测。微波传感器可分为微波传感器可分为反射式反射式与与遮断式遮断式两种。两种。201反射式传感器反射式传感器 通通过过检检测测被被测测物物反反射射回回来来的的微微波波或或经经过过时时间间隔来表达被测物的位置、厚度等参数。间间隔来表达被测物的位置、厚度等参数。2遮断式传感器遮断式传感器 通通过过检检测测接接收收天天线线接接收收到到的的微微波波功功率率的的大大小小，来来判判断断发发射射天天线线与与接接收收天天线线间间有有无无被被测测物物或或被被测测物的位置等参数。物的位置等参数。21三、微波传感器的应用三、微波传感器的应用1微波液位计微波液位计微波

8、发射天线微波发射天线微波接收天线微波接收天线 当当发发射射功功率率、波波长长、增增益益均均恒恒定定时时，只只要要测测得得接收功率接收功率 ，就可获得被测液面的高度。，就可获得被测液面的高度。222微波物位计微波物位计(1)当被当被测测物位物位较较低低时时 发射天线发出的微波束全部由接收天线接收，发射天线发出的微波束全部由接收天线接收，经放大器、比较器后发出正常工作信号。经放大器、比较器后发出正常工作信号。(2)当被当被测测物位升高到天物位升高到天线线所在的高度所在的高度时时 微波束部分被吸收部分被反射，接收天线接微波束部分被吸收部分被反射，接收天线接到的功率相应减弱，经放大器、比较器就可给到的

9、功率相应减弱，经放大器、比较器就可给出被测物位高出设定物位的信号。出被测物位高出设定物位的信号。232425观察者RS波源u观察者的运动速度u：波速波源和观察者相对静止时观察者接收到的波源的频波源和观察者相对静止时观察者接收到的波源的频率率波源的运动速度波源和观察者相对运动时观察者接收到的波源的频波源和观察者相对运动时观察者接收到的波源的频率率3)观察者静止，波源以速率观察者静止，波源以速率 运动运动a、波源朝向、波源朝向观察者以速度察者以速度运运动ut时刻的波阵面t+1秒时刻的波阵面接收频率增高了！a、波源与接收者相互靠近、波源与接收者相互靠近ut时刻的波阵面t+1秒时刻的波阵面接收频率增高

10、了！4）波源及观察者同时运动）波源及观察者同时运动a、波源与接收者相互靠近ut时刻的波阵面t+1秒时刻的波阵面接收频率增高了！4）波源及观察者同时运动b、波源与接收者相互远离ut时刻的波阵面t+1秒时刻的波阵面接收频率降低了！利用多普勒效应监测车速，固定波源发出频率为利用多普勒效应监测车速，固定波源发出频率为v=100Hz 的超声波，当汽车向波源行驶时，与波源安装在一起的接的超声波，当汽车向波源行驶时，与波源安装在一起的接收器接收到从汽车反射回来的波的频率为收器接收到从汽车反射回来的波的频率为 .已知空气中的声速为已知空气中的声速为 ，求求车速车速。1）车为接收器2）车为波源车速第四节第四节

11、射线式传感器射线式传感器定义：利用放射性同位素、根据被测物质对放射线定义：利用放射性同位素、根据被测物质对放射线的吸收、反散射或射线对被测物质的电离激发作用的吸收、反散射或射线对被测物质的电离激发作用而进行工作，也称核辐射检测装置。而进行工作，也称核辐射检测装置。一、核幅射的物理基础一、核幅射的物理基础1放射性同位素放射性同位素放射性衰变规律：放射性衰变规律：开始时开始时(t0)的放射源强度的放射源强度t时的放射源强度时的放射源强度放射性衰变常数放射性衰变常数34半哀期：半哀期：是不受任何外界作用影响而且和时间无关是不受任何外界作用影响而且和时间无关的恒量，不同放射性元素的半衰期不同。的恒量，

12、不同放射性元素的半衰期不同。2核辐射核辐射 放射性同位素在衰变过程中放出一种特殊的放射性同位素在衰变过程中放出一种特殊的带有一定能量的粒子或射线，叫核辐射。带有一定能量的粒子或射线，叫核辐射。(1)粒子粒子：主要用于气体分析，测量气体主要用于气体分析，测量气体压力、流量等。压力、流量等。(2)粒子：粒子：主要用于测量材料厚度、密度等。主要用于测量材料厚度、密度等。35(3)射线：射线：穿透能力很强，广泛应用于金穿透能力很强，广泛应用于金属探伤、测厚度等。属探伤、测厚度等。3核辐射与物质的相互作用核辐射与物质的相互作用主要是电离、吸收和反射主要是电离、吸收和反射辐射在穿过物质层后、其能量强度为：

13、辐射在穿过物质层后、其能量强度为：入射到吸收体的辐射通量的强度入射到吸收体的辐射通量的强度穿过厚度为穿过厚度为h(单位为单位为cm)的吸收的吸收 层后的幅射通量强度层后的幅射通量强度线性吸收系数线性吸收系数36设质量厚度设质量厚度 ，则吸收公式可写成，则吸收公式可写成用质量吸收系数表示上式得：用质量吸收系数表示上式得：这些公式是设计核辐射测量仪器的基础。这些公式是设计核辐射测量仪器的基础。射线在物质中穿行时容易改变运动方向而射线在物质中穿行时容易改变运动方向而产生散射现象，反散射的大小与产生散射现象，反散射的大小与 粒子的粒子的能量、物质的原子序数及厚度有关，因此能量、物质的原子序数及厚度有关

14、，因此可以测量材料的涂层厚度。可以测量材料的涂层厚度。37二、射线式传感器二、射线式传感器由放射源和探测器组成由放射源和探测器组成1射线源射线源放射线源的结构应使放射线源的结构应使射线从测量方向射出，射线从测量方向射出，射射线线出出口口处处装装有有耐耐辐辐射射薄薄膜膜，以以防防灰灰尘尘浸浸入入，并并能能防防止止放放射射源源受受到到意意外损伤而造成污染。外损伤而造成污染。382探测器探测器探测器就是核辐射的接收器，常用的有电离探测器就是核辐射的接收器，常用的有电离室、闪烁计数器和盖革计数管。室、闪烁计数器和盖革计数管。(1)电离室电离室 空空气气中中设设置置一一个个平平行行极极板板电电容容器器，

15、对对其其加加上上几百伏的极化电压。几百伏的极化电压。39(2)闪烁计闪烁计数器数器40三、核辐射检测的应用三、核辐射检测的应用41湿度传感器湿度传感器应用领域：应用领域：精密仪器、半导体集成电路与元器件生产，精密仪器、半导体集成电路与元器件生产，气象预报、医疗卫生、食品加工等行业。气象预报、医疗卫生、食品加工等行业。湿度传感器依据使用材料分类：湿度传感器依据使用材料分类：电电解解质质型型：氯氯化化锂锂为为例例，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导电电，随湿度升高而电阻减小。随湿度升高而电阻减小

16、。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，制制成成多多孔孔陶陶瓷瓷。利利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。高高分分子子型型：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，通通过过浸浸渍或涂覆，使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜。渍或涂覆，使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜。单晶半导体型单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，制成二极管湿：所用材料主要是硅单晶，制成二极管湿敏器件，其特点是易于和半导体电路集成在一起。敏器件，其特点是易于和半导体电路集成在一起。42一、湿度表示法一、湿度表示法湿度：湿

17、度：空气中含有水蒸气的量。空气中含有水蒸气的量。主主要要有有质质量量百百分分比比、体体积积百百分分比比、相相对对湿湿度度和和绝绝对对湿湿度度、露点露点(霜点霜点)等表示法。等表示法。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M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m，则则质量百分比为：质量百分比为：v/V100这两种方法统称为水蒸气百分含量法。这两种方法统称为水蒸气百分含量法。m/M100 在体积为在体积为V的混合气体中，若含水蒸气的体积为的混合气体中，若含水蒸气的体积为v，则体积百分比为：则体积百分比为：43 2 2、相对湿度和绝对湿度、相对

18、湿度和绝对湿度 水水蒸蒸气气压压：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的的水水蒸蒸气分压气分压(p)。饱饱和和蒸蒸气气压压：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水蒸蒸气气压的最大值压的最大值(ps)。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，水水蒸蒸气气压压同同饱饱和和蒸蒸气气压压的的百分比。百分比。绝对湿度：绝对湿度：单位体积内，空气里所含水蒸气的质量。单位体积内，空气里所含水蒸气的质量。m水蒸气质量；水蒸气质量；V空气的总体积；空气的总体积；v绝对湿度。绝对湿度。如如果果把把待待测测空空气气

19、看看作作是是由由水水蒸蒸气气和和干干燥燥空空气气组组成成的的二二元元理理想想混混合合气气体体，根根据据道道尔尔顿顿分分压压定定律律和和理理想想气气体体状状态态方方程程，可得出：可得出：P：空气中水蒸气分压；M：水蒸气的摩尔质量R：理想气体常数；T：空气的绝对温度。44 3 3、露（霜）点、露（霜）点 水的水的饱和蒸气压饱和蒸气压随温度的降低而逐渐下降。在同样的水随温度的降低而逐渐下降。在同样的水蒸气压下，温度越低，空气蒸气压下，温度越低，空气相对湿度相对湿度越大。当空气温度下越大。当空气温度下降到某一温度时，空气中的水蒸气压达到降到某一温度时，空气中的水蒸气压达到饱和蒸气压，饱和蒸气压，相相对

20、湿度为对湿度为100RH，空气中的水蒸气将液化而凝结成空气中的水蒸气将液化而凝结成露珠露珠，该温度该温度5010203040-1001020304050温度/10%RH露点/90%RH80%RH70%RH60%RH50%RH40%RH20%RH30%RH称为称为露点温度露点温度，简称，简称露露点点。如果这一温度低于如果这一温度低于0，水蒸气将结霜，水蒸气将结霜，又称又称为为霜点温度霜点温度。两者统称。两者统称为露点。空气中水蒸气为露点。空气中水蒸气压越小，露点越低，因压越小，露点越低，因而可用露点表示空气中而可用露点表示空气中的的湿度湿度。45二、湿度传感器的主要参数二、湿度传感器的主要参数

21、1 1、湿度量程、湿度量程 湿湿度度传传感感器器的的感感湿湿范范围围。湿湿度度量量程程用用相相对对湿湿度度(0100)RH表表示示，它它是是湿湿度度传传感感器器工工作作性性能能的的一一项项重重要要指标。指标。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每种湿度传感器都有其感湿特征量感湿特征量，如电阻、电容，如电阻、电容等，电阻比较多。等，电阻比较多。以电阻为例，在规定的工作湿度范围内，电阻值随以电阻为例，在规定的工作湿度范围内，电阻值随环境湿度变化的关系特性曲线，简称环境湿度变化的关系特性曲线，简称阻阻-湿特性湿特性。湿度传感器的电阻值随湿度的增加而增大，称为湿

22、度传感器的电阻值随湿度的增加而增大，称为正正特性湿敏电阻器特性湿敏电阻器，如，如Fe3O4湿敏电阻器。湿敏电阻器。阻值随湿度的增加而减小，称为阻值随湿度的增加而减小，称为负特性湿敏电阻器负特性湿敏电阻器，如如TiO2SnO2陶瓷湿敏电阻器。陶瓷湿敏电阻器。46 3 3、感湿灵敏度、感湿灵敏度 简简称称灵灵敏敏度度，又又称称湿湿度度系系数数。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1RH时时，湿湿度度传传感感器器电电参参量量的的变变化值。化值。不同湿度传感器，相对灵敏度的要求相同。不同湿度传感器，相对灵敏度的要求相同。对于对于低湿型低湿型或或高湿型高湿型的湿度传感器，它

23、们的量程较的湿度传感器，它们的量程较窄，灵敏度要求高。窄，灵敏度要求高。对于全湿型湿度传感器，因为电阻值的动态范围很对于全湿型湿度传感器，因为电阻值的动态范围很宽，给配制二次仪表带来不利，所以灵敏度的大小要宽，给配制二次仪表带来不利，所以灵敏度的大小要适当，并非越大越好。适当，并非越大越好。47 4 4、特征量温度系数、特征量温度系数 阻阻-湿湿特特性性曲曲线线随随环环境境温温度度而而变变化化。感感湿湿特特征征量量随随环环境境温温度度变变化化越越小小，环环境境温温度度变变化化所所引引起起的的测测量量误误差差就就越越小。小。特特征征量量温温度度系系数数：在在环环境境温温度度保保持持恒恒定定时时，

24、湿湿度度传传感感器器特征量特征量的相对变化量与对应的温度变化量之比。的相对变化量与对应的温度变化量之比。T温度温度25与另一规定环境温度之差；与另一规定环境温度之差；R1(C1)温度温度25时湿度传感器的电阻值时湿度传感器的电阻值(或电容值或电容值)；R2(C2)另一规定环境温度时湿度传感器的电阻值另一规定环境温度时湿度传感器的电阻值(或电容值或电容值)。电容温度系数电容温度系数(%/)=电阻温度系数电阻温度系数(%/)=48 5 5、感湿温度系数、感湿温度系数 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

25、相相对对湿湿度度之之差差与与两两个个规规定定的的温温度度变化量之比，称为变化量之比，称为感湿温度系数感湿温度系数。环境温度每变化环境温度每变化1时，所引起的湿度传感器的湿度误差时，所引起的湿度传感器的湿度误差。T温度温度25与另一规定环境温度之差；与另一规定环境温度之差；H1温温度度25时时湿湿度度传传感感器器一一电电阻阻值值(或或电电容容值值)对对应应的的相对湿度值；相对湿度值；H2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的的电电阻阻值值(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。下图为感湿温度系数示意图。(%RH/)=49相对湿度/%H1H

26、2H2感湿温度系数示意图相对湿度/%H1H2H2RCT2T2T2T22525(a)电阻型(b)电容型50 6 6、响应时间、响应时间 在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的电参量达到的电参量达到稳态稳态所需要的时间。所需要的时间。一般是以一般是以电参量电参量变化整个变化量的变化整个变化量的63(90%)(90%)作为响作为响应时间，也称时间常数。应时间，也称时间常数。反映相对湿度发生变化时，反应速度的快慢。单位是反映相对湿度发生变化时，反应速度的快慢。单位是s。响应时间分为响应时间分为吸湿响应时间吸湿响应时间和和脱湿响应时间脱湿响应时间。

27、大多数。大多数湿度传感器湿度传感器脱湿响应时间脱湿响应时间大于大于吸湿响应时间吸湿响应时间，一般以，一般以脱脱湿响应时间湿响应时间作为响应时间。作为响应时间。51 7 7、电压特性、电压特性 加加直直流流电电会会引引起起感感湿湿体体内内水水分分子子的的电电解解，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，用用湿湿度度传传感感器器测测量量湿湿度度时时，不不能能用用直流电压，采用交流电压。直流电压，采用交流电压。右图表示湿度传感器的电阻右图表示湿度传感器的电阻与外加交流电压之间的关系。与外加交流电压之间的关系。测试电压小于测试电压小于5V时，电压时，电压对阻对阻湿特性没有影响。湿特性没有

28、影响。交流电压大于交流电压大于15V时，由于时，由于产生产生焦耳热焦耳热，对湿度传感器的，对湿度传感器的阻阻湿特性产生了较大影响，湿特性产生了较大影响，因而一般湿度传感的使用电压因而一般湿度传感的使用电压都小于都小于10V。LgR/0123456578420 100Hz11%RH33%RH75%RH100%RHU/V52电阻频率特性20 5V11%RH33%RH100%RHLgf/Hz0123456578475%RHLgR/8 8、频率特性、频率特性 湿度传感器的阻值与湿度传感器的阻值与外加电压频率外加电压频率的关系。的关系。在高湿时，频率对阻值的影响很小，当低湿高频时，在高湿时，频率对阻值的

29、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，当电随着频率的增加，阻值下降。对这种湿度传感器，当电压频率小于压频率小于103Hz时，阻值不随使用频率而变化，所以时，阻值不随使用频率而变化，所以使用频率的上限为使用频率的上限为103Hz。湿度传感器的使用频率上限由实验确定。直流电压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。会引起水分子的电解，因此，测试电压频率也不能太低。53三、电解质湿度传感器三、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

30、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。氯化锂湿度传感器的结构ABB钯丝A涂有聚苯乙烯薄膜的圆筒电解质氯化锂湿度传感器最为典型电解质氯化锂湿度传感器最为典型03060900.010.1110R/108相对湿度/%1.0%LiCl2.2%LiCl0.5%LiCl0.25

31、%LiClPVAC氯化锂湿度传感器的阻湿特性组合式氯化锂的阻湿特性030 60 900.010.1110相对湿度/%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为2090RH的湿度传感器的湿度传感器54四、陶瓷湿度传感器四、陶瓷湿度传感器 利用半导体陶瓷材料制成。利用半导体陶瓷材料制成。优点：优点：测湿范围宽，可实现测湿范围宽，可实现全湿范围全湿范围内的湿度测量；工内的湿度测量；工作温度高，常温型工作温度在作温度高，常温型工作温度在150150以下，高温型工作温以下，高温型工作温度可达度可达800800，

32、响应时间较短，精度高，抗污染能力强，响应时间较短，精度高，抗污染能力强，工艺简单，成本低。工艺简单，成本低。典典型型产产品品是是烧烧结结型型陶陶瓷瓷湿湿敏敏元元件件是是MgCr2O4TiO2。此此外外，还还有有TiO2-V2O5、ZnOLi2OV2O5、ZnCr2O4、ZrO2MgO、Fe3O4、Ta2O5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。除除Fe3O4外外，都都为为负负特特性性湿湿度度传传感感器器，即即随随着着环环境境相相对对湿湿度度的的增增加加，阻阻值值下下降降。也也有有少少数数陶瓷湿度传感器，它的陶瓷湿度传感器，它的感湿特性量感湿特性量为

33、电容。为电容。55 1 1、结构、结构 感湿体是感湿体是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。陶瓷的气孔大系多孔陶瓷。陶瓷的气孔大部分为粒间气孔，气孔直径随部分为粒间气孔，气孔直径随TiO2添加量的增加而增大。添加量的增加而增大。粒间气孔与颗粒大小无关，粒间气孔与颗粒大小无关，相当于一种开口毛细管，容相当于一种开口毛细管，容易吸附水分。材料的主晶相是易吸附水分。材料的主晶相是MgCr2O4相，相，此外，还有此外，还有TiO2相相等，感湿体是一个多晶多相的混合物。等，感湿体是一个多晶多相的混合物。陶瓷湿敏元件结构图护圈电极感湿陶瓷氧化钌电极加热器基板电极引线56 2 2、主要特性与性能、主要特性与

34、性能 （1 1）电阻一湿度特性）电阻一湿度特性 MgCr2O4TiO2陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特性，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，基本按随着相对湿度的增加，电阻值急骤下降，基本按指数规指数规律律下降。在下降。在单对数的坐标单对数的坐标中，电阻中，电阻湿度特性近似呈线湿度特性近似呈线性关系。当相对湿度由性关系。当相对湿度由0变为变为100RH时，阻值从时，阻值从108下下降到降到104，即变化了四个数量级。，即变化了四个数量级。20406080100103104105106107108相对湿度/%R/57 （2 2）电阻）电阻温度特性温度特性 在不同的温度

35、环境下，测量陶瓷湿度传感器的电阻在不同的温度环境下，测量陶瓷湿度传感器的电阻湿度特性。从图可见，从湿度特性。从图可见，从20到到80各条曲线的变化规各条曲线的变化规律基本一致，具有律基本一致，具有负温度系数负温度系数，感湿负温度系数为，感湿负温度系数为0.38RH。如果要求精确的湿度测量，需要对湿度传感。如果要求精确的湿度测量，需要对湿度传感器进行器进行温度补偿温度补偿。20406080100103104105106107108相对湿度/%20406080R/MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的电阻温度特性58MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的时间响应特性2040608010001020

36、3094%RH50%RH1%RH50%RHt/s%RH （3 3）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，响应时间小于可知，响应时间小于10s。59（4 4）稳定性）稳定性 制成的制成的MgCr2O4-TiO2陶瓷类湿度传感器，需要实验：陶瓷类湿度传感器，需要实验：高温负荷实验高温负荷实验(大气中，温度大气中，温度150，交流电压，交流电压5V，时间时间104h)；高温高湿负荷试验高温高湿负荷试验(湿度大于湿度大于95RH，温度，温度60，交，交流电压流电压5V，时间，时间104h)；常温常湿试验常温常湿试验湿度湿度(1

37、090)RH，温度，温度(1040)；油气循环试验油气循环试验(油蒸气油蒸气加热清洗循环加热清洗循环25万次，交流万次，交流电压电压5V)。经过以上各种试验，大多数陶瓷湿度传感器。经过以上各种试验，大多数陶瓷湿度传感器仍能可靠地工作，说明稳定性比较好。仍能可靠地工作，说明稳定性比较好。60五、高分子湿度传感器五、高分子湿度传感器 有机高分子材料制成的湿度传感器，主要是利用其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。吸湿性与胀缩性。电容式湿度传感器：电容式湿度传感器：高分子电介质吸湿后，高分子电介质吸湿后，介电常介电常数数明显改变。明显改变。电阻式湿度传感器：电阻式湿度传感器：

38、高分子电解质吸湿后，高分子电解质吸湿后，电阻电阻明明显变化。利用胀缩性高分子显变化。利用胀缩性高分子(如树脂如树脂)材料和导电粒子，材料和导电粒子，在吸湿之后的在吸湿之后的开关特性开关特性，制成结露传感器。，制成结露传感器。（一）电容式湿度传感器（一）电容式湿度传感器 1 1、结构、结构 高分子薄膜电介质电容式高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的基本结构。湿度传感器的基本结构。高分子薄膜上部电极下部电极61 2 2、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

39、大，室室温温时时约约为为79。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增加，根据电容的变化测得相对湿度。量增加，根据电容的变化测得相对湿度。62（2 2）响应特性）响应特性 高高分分子子薄薄膜膜可可以以做做得得极极薄薄，响响应应时时都都很很短短，一一般般都都小小于于5s，有的响应时间仅为，有的响应时间仅为1s。（3 3）电容一温度特性）电容一温度特性 感

40、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550范范围围内内,电电容温度系数约为容温度系数约为0.06RH/相对湿度/%050100200250300350电容湿度特性C/pF（f=1.5MHZ）（1 1）电容）电容湿度特性湿度特性 电容随着环境温度的增加而增加电容随着环境温度的增加而增加,基本上呈线性关系。当测试频率为基本上呈线性关系。当测试频率为l.5MHzl.5MHz左右时左右时,其输出特性有良好的其输出特性有良好的线性度。对其它测试频率线性度。对其它测试频率,如如1kHz1kHz、10kHz10kHz，尽管传感器的电容量变化很，尽管传感器的电容量变化很大，但线性度欠佳。可外接

41、转换电路大，但线性度欠佳。可外接转换电路,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。63 （二）电阻式高分子膜湿度传感器（二）电阻式高分子膜湿度传感器1、结构 聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的结构。引线端感湿膜聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的结构梳状电极基片64 2 2、主要特性、主要特性 （1 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

42、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时湿湿度度指指示示的的最最大大误误差差值值为为(34)RH。1K30405060708090吸湿10K100K1M10M相对湿度/%R/脱湿3%RH电阻湿度特性65 （2 2）温度特性）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，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。在具有负温度系数。在(055)时，温度系数为时，温度系数为(0.61.0)RH/。0402010460801005010102103聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的湿度特性聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的湿度特性2540R/相对湿度/%66 （3 3）其它特

43、性）其它特性 聚聚苯苯乙乙烯烯磺磺酸酸锂锂湿湿度度传传感感器器的的升升湿湿响响应应时时间间比比较较长长，降湿响应时间降湿响应时间比较短，响应时间在一分钟之内。比较短，响应时间在一分钟之内。有有良良好好的的稳稳定定性性。存存储储一一年年后后，测测量量误误差差不不超超过过2RH，可以满足器件稳定性的要求。，可以满足器件稳定性的要求。缺点缺点：含有机溶液气体的环境下测湿时，器件易损坏；：含有机溶液气体的环境下测湿时，器件易损坏；不能用于不能用于80以上的高温。以上的高温。67六、湿度传感器的测量电路六、湿度传感器的测量电路 （一）检测电路的选择（一）检测电路的选择 1、电源选择 电电阻阻式式湿湿度度

44、传传感感器器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，不不会会产产生生电电解解作作用用，感感湿湿膜膜不会被破坏。不会被破坏。交流电源的交流电源的频率选择：频率选择：在不产生正、负离子定向积在不产生正、负离子定向积累情况下尽可能低一些。在高频情况

45、下，测试引线的容累情况下尽可能低一些。在高频情况下，测试引线的容抗明显下降，会把湿敏电阻短路。另外，湿敏膜在高频抗明显下降，会把湿敏电阻短路。另外，湿敏膜在高频下也会产生下也会产生集肤效应集肤效应，阻值发生变化，影响到测湿灵敏，阻值发生变化，影响到测湿灵敏度和准确性。度和准确性。682 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一，工作温区有宽有窄。所以要考虑温度补偿问题。不一，工作温区有宽有窄。所以要考虑温度补偿问题。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数函数指数

46、函数关系，通常其温度关系属于关系，通常其温度关系属于NTC型，即型，即 H：相对湿度；：相对湿度；T：绝对温度；：绝对温度；R0：在：在T=0相对湿度；相对湿度；H=0时的阻值；时的阻值；A：湿度常数；：湿度常数；B：温度常数。：温度常数。温度系数温度系数湿度系数湿度系数湿度温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0.07RH/，工作温度差，工作温度差为为30，测量误差为，测量误差为0.21RH/，则不必考虑温度补偿；，则不必考虑温度补偿；若湿度温度系数为若湿度温度系数为0.4RH/，则引起，则引起12RH/的误差的误差,必须进行温度补偿。必须进行温度补偿。69

47、3 3线性化线性化 湿度传感器的湿度传感器的感湿特征量感湿特征量与相对与相对湿度湿度之间的关系不之间的关系不是线性的，给湿度的测量、控制和补偿带来了困难。需是线性的，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要通过一种变换使感湿特征量感湿特征量与相对与相对湿度湿度之间的关系之间的关系线线性化性化。下图为湿度传感器测量电路原理框图。下图为湿度传感器测量电路原理框图。A2A1A3A4A5A6+_湿敏元件R1R2R3R4R5R6RTUSCC1C2C3W湿度传感器测量电路原理框图D1振荡器放大电路传感器驱动电路整流电路对数温补电路70（二）典型电路（二）典型电路电阻式湿度传感器，其测量电路

48、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，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，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9V直直流流电电源源供供给给。电电桥桥法法适适合合于于氯氯化锂湿度传感器。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

49、电源9V湿度传感器电桥测湿电路框图71100k传感器湿度3AX3 210k100k63DG62k2k2.2k9V10F10F20F10F20F3k2U10F51k51k100mA便携式湿度计的实际电路便携式湿度计的实际电路72 2 2欧姆定律电路欧姆定律电路 电电路路用用于于可可承承受受较较大大电电流流的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，用市电作为电源，降压变压器降压。用市电作为电源，降压变压器降压。欧姆定律电路220V22k51k3V2AP94输入Rd插口0.05F273 3 3带温度补偿的

50、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Rt是是热热敏敏电电阻阻器器(20k，B=4100K)；RH为为H204C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LM2904。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(3090)RH、1535范范围围内内，输输出出电电压压表表示示的湿度误差不超过的湿度误差不超过3RH。_+_+1V