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1、 检测与传感技术 -湿敏传感器-2-任务描述任务描述在工农业生产和人们的日常生活中，对湿度都有严在工农业生产和人们的日常生活中，对湿度都有严格的要求。格的要求。例如在例如在集成电路制造车间集成电路制造车间，由于湿度与静电电荷有，由于湿度与静电电荷有直接的关系，要求低湿度环境；直接的关系，要求低湿度环境；粮仓粮仓必须保持干燥的环境，否则粮食容易霉变；必须保持干燥的环境，否则粮食容易霉变；空调系统空调系统除了调节温度以外，还要控制相对湿度在除了调节温度以外，还要控制相对湿度在一定的范围内，才使人感觉舒适；一定的范围内，才使人感觉舒适；浴室的湿度浴室的湿度很大，但其中的镜面如果有水气，则无很大，但其
2、中的镜面如果有水气，则无法发挥其功能。因此湿度的检测和控制是非常重要的。法发挥其功能。因此湿度的检测和控制是非常重要的。应用电子学院 传感器技术-3-重庆市年平均相对湿度多在7080，在全国属高湿区。在地域上全市的相对湿度和水汽分布差异不大，且年变化一致，即冬季小（干燥），夏季大。各地在7月有最大值，1月出现最小值，雨日较多的秋季大于春季。湿度日变化与气温日变化密切相关，相对湿度的位相变化与温差相反，即气温升高，饱和水汽压增大，相对湿度变小。反之，气温降低，饱和水汽压减小，相对湿度则增大。故一日之间饱和水汽压最大，相对湿度最小的时刻经常出现在气温最高的时候，而饱和水汽压最小，相对湿度最大的时刻
3、常出现在气温最低的清晨。-4-在各站30年（19601990年）资料中，年最高相对湿度月出现在10月，最低月在8月。最大相对湿度与最小相对湿度差异大。全市各地区最大相对湿度是100（即雨中或雨后空气已在饱和状态下的湿度），最小相对湿度全市各地均有小于或等于20。万州1962年9月有6天相对湿度为0。-5-任务主要内容任务主要内容（1 1）、湿度传感器的检测原理）、湿度传感器的检测原理（2 2）、湿敏电容的使用）、湿敏电容的使用（3 3）、浴室环境湿度检测的实现）、浴室环境湿度检测的实现应用电子学院 传感器技术一、湿度传感器的检测原理应用电子学院 传感器技术常用湿敏电阻外形图常用湿敏电容应用电子
4、学院 传感器技术一、湿度传感器的检测原理绝对湿度：绝对湿度：是指大气中水汽的密度，即每一立方米大气是指大气中水汽的密度，即每一立方米大气中所含水汽的质量中所含水汽的质量(克数克数)。相对湿度：相对湿度：是大气中实有水汽压与当时温度下饱和水汽是大气中实有水汽压与当时温度下饱和水汽压的百分比，是日常生活中常用来表示湿度大小的方法压的百分比，是日常生活中常用来表示湿度大小的方法当相对湿度达当相对湿度达100%100%时，称饱和状态。时，称饱和状态。湿度检测方法：毛发湿度计法，干湿球湿度计法，露湿度检测方法：毛发湿度计法，干湿球湿度计法，露点计法和阻容式湿度计法。点计法和阻容式湿度计法。湿敏传感器：就
5、是一种能将被测环境湿度转换成电信号的装置。湿敏传感器：就是一种能将被测环境湿度转换成电信号的装置。主要由两个部分组成：湿敏元件和转换电路，除此之外还包主要由两个部分组成：湿敏元件和转换电路，除此之外还包括一些辅助元件，如辅助电源、温度补偿、输出显示设备等括一些辅助元件，如辅助电源、温度补偿、输出显示设备等高分子高分子电电阻湿敏阻湿敏传传感器：感器：高分子电解质感湿材料吸收水分后高分子电解质感湿材料吸收水分后引起两电极间电阻的变化，将引起两电极间电阻的变化，将相对相对湿度的变化转换成电阻阻值湿度的变化转换成电阻阻值的变化的变化应用电子学院 传感器技术电阻湿敏传感器结构示意图1-感湿层 2-电极
6、3-基片一、湿度传感器的检测原理湿敏电阻的原理：湿敏电阻的原理：水是一种强极性的电解质。水分子水是一种强极性的电解质。水分子极易吸附于固体表面并渗透到固体内部，引起半导体极易吸附于固体表面并渗透到固体内部，引起半导体的电阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二铝的电阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二铝等吸湿材料制作湿敏电阻。等吸湿材料制作湿敏电阻。半导体陶瓷湿敏传感器：半导体陶瓷湿敏传感器：当环境湿度发生改变时，多孔感湿陶瓷吸湿，电阻阻值随之变化。为了防止电阻极化，测量时必须是交流？交流？另外，在高温高湿环境下，要定期加热清洗，使传感器恢复性能。应用电子学院 传感器技术半导体陶瓷湿敏传感
7、器结构示意图半导体陶瓷湿敏传感器结构示意图a a）吸湿单元；）吸湿单元；b b）卸去外壳后的结构；）卸去外壳后的结构；c c）外形图；）外形图；d d）局部结构图）局部结构图1-1-引线；引线；2-2-多孔性电极；多孔性电极；3-3-多孔陶瓷；多孔陶瓷；4-4-底座；底座；5-5-镍铬加热丝；镍铬加热丝；6-6-外壳；外壳；7-7-引脚；引脚；8-8-气孔气孔一、湿度传感器的检测原理湿度对电子元件的影响湿度对电子元件的影响当环境的相对湿度增大时，物体表面就会附着一层水当环境的相对湿度增大时，物体表面就会附着一层水膜，并渗入材料内部。这不仅降低了绝缘强度，还会膜，并渗入材料内部。这不仅降低了绝缘
8、强度，还会造成漏电、击穿和短路现象；潮湿还会加速金属材料造成漏电、击穿和短路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引起有机材料的霉烂。的腐蚀并引起有机材料的霉烂。露点（温度）露点（温度）露点温度是指空气在水汽含量和气是指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度。时的温度。形象地说，就是形象地说，就是空气中的水蒸气变空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点温度为露珠时候的温度叫露点温度。露。露点温度本是个温度值，可为什么用点温度本是个温度值，可为什么用它来表示湿度呢？这是因为，当空它来表示湿度呢？这是因为，当空气中水汽已达到饱和时，气温与露气中水汽已达到饱
9、和时，气温与露点温度相同；当水汽未达到饱和时，点温度相同；当水汽未达到饱和时，气温一定高于露点温度。（气温一定高于露点温度。（例如冰例如冰水混合物）水混合物）测量露点的仪器测量露点的仪器露点会影响农作物的生长，露点会影响农作物的生长，结露也严重影响电子仪器的正常工作。结露也严重影响电子仪器的正常工作。电子电子湿度计模块湿度计模块封装后的封装后的外形外形电子式电子式温湿度计温湿度计机械机械式湿度计式湿度计陶瓷湿度传感器特性曲线陶瓷湿度传感器特性曲线在右图所示的陶瓷在右图所示的陶瓷湿度传感器特性曲湿度传感器特性曲线中，纵坐标的标线中，纵坐标的标度有何特点？度有何特点？其电阻率变化约有其电阻率变化约
10、有多少个数量级？多少个数量级？电子相对湿度仪表的标定仪器电子相对湿度仪表的标定仪器 干湿球湿度计外形及原理干湿球湿度计外形及原理干球干球湿球湿球 用干湿球湿度计测量相对湿度用干湿球湿度计测量相对湿度 上页中，左边的玻璃温度计（湿球）用湿棉上页中，左边的玻璃温度计（湿球）用湿棉球包裹，并浸没在水槽里。湿棉球由于水份蒸发，球包裹，并浸没在水槽里。湿棉球由于水份蒸发，所以其温度低于室温，致使湿球的示值低于干球。所以其温度低于室温，致使湿球的示值低于干球。查对应的湿度表就可知道空气的相对湿度。虽然查对应的湿度表就可知道空气的相对湿度。虽然干湿球湿度计的历史悠久，但现在还经常用它作干湿球湿度计的历史悠久
11、，但现在还经常用它作为电子相对湿度仪表的标定仪器。为电子相对湿度仪表的标定仪器。风风水槽水槽棉球棉球玻璃酒精玻璃酒精温度计温度计二、湿敏传感器的使用应用电子学院 传感器技术1、电源选择：、电源选择：湿敏电阻必须工作在交流回路中。湿敏电阻必须工作在交流回路中。若用直流供电，会引若用直流供电，会引起多孔陶瓷表面结构改变，湿敏特性变劣；若交流电源频率起多孔陶瓷表面结构改变，湿敏特性变劣；若交流电源频率过高，由于元件的附加容抗而影响测湿灵敏度和准确性。因过高，由于元件的附加容抗而影响测湿灵敏度和准确性。因此此应以不产生正、负离子积聚为原则，使电源频率尽可能低应以不产生正、负离子积聚为原则，使电源频率尽
12、可能低。对于离子导电型湿敏元件，电源频率一般以对于离子导电型湿敏元件，电源频率一般以1kHz1kHz为宜。对于为宜。对于电子导电型湿敏元件，电源频率应低于电子导电型湿敏元件，电源频率应低于50Hz50Hz。2、线性化处理：、线性化处理：一般湿敏元件的特性均为一般湿敏元件的特性均为非线性非线性，为准确地获得湿度值，为准确地获得湿度值，要加入线性化电路，使输出信号正比于湿度的变化。要加入线性化电路，使输出信号正比于湿度的变化。二、湿敏传感器的使用应用电子学院 传感器技术3、测量湿度范围：、测量湿度范围：电电阻式湿敏元件在湿度超阻式湿敏元件在湿度超过过95RH时时，湿敏膜因湿，湿敏膜因湿润润溶解，厚
13、度会溶解，厚度会发发生生变变化，若反复化，若反复结结露与潮解，特性将露与潮解，特性将变变坏坏而不能复原。而不能复原。电电容式湿敏元件在容式湿敏元件在80RH以上高湿及以上高湿及100RH以上以上结结露或潮解状露或潮解状态态下，也下，也难难以以检测检测。另外，不能将湿敏。另外，不能将湿敏电电容直容直接浸入水中或接浸入水中或长长期用于期用于结结露状露状态态，也不能用手摸或用嘴吹，也不能用手摸或用嘴吹其表面。其表面。4、温度补偿：、温度补偿：通常氧化物半通常氧化物半导导体陶瓷湿敏体陶瓷湿敏电电阻温度系数阻温度系数为为0.10.3，在在测测湿精度要求高的情况下必湿精度要求高的情况下必须进须进行温度行温
14、度补偿补偿。三、浴室环境湿度检测实现应用电子学院 传感器技术 浴室中的水蒸气很大，会使其中的镜子功能丧失，当浴浴室中的水蒸气很大，会使其中的镜子功能丧失，当浴室的湿度达到一定程度时，镜面会结露，表面一层雾气，市室的湿度达到一定程度时，镜面会结露，表面一层雾气，市场上没有所谓的不结露镜面，而是都要安装镜面水汽清除器。场上没有所谓的不结露镜面，而是都要安装镜面水汽清除器。一般在一般在常温洁净环境常温洁净环境，连续使用的场合，应选用，连续使用的场合，应选用高分子高分子湿度传感器，这类精度高，稳定性好湿度传感器，这类精度高，稳定性好。在。在高温高温恶劣环境，应恶劣环境，应选用加热清洗的选用加热清洗的陶
15、瓷陶瓷湿度传感器，这类传感器耐高温，通过湿度传感器，这类传感器耐高温，通过定期清洗能除去吸附在敏感体表面的灰尘、气体、油雾等杂定期清洗能除去吸附在敏感体表面的灰尘、气体、油雾等杂物，使性能恢复。物，使性能恢复。由于浴室的特定环境，结合湿敏传感器的相关知识，选由于浴室的特定环境，结合湿敏传感器的相关知识，选用结露型传感器为主要器件制作浴室镜面水汽清除器。用结露型传感器为主要器件制作浴室镜面水汽清除器。三、浴室环境湿度检测实现应用电子学院 传感器技术电容湿度传感器应用电路三、浴室环境湿度检测实现应用电子学院 传感器技术 B为结露控制器HDP-07型结露传感器，用来检测浴室内空气的水汽。VT1和VT
16、2组成施密特电路，它根据结露传感器感知水汽后的阻值变化，实现两种稳定的状态。当玻璃镜面周围的空气湿度变低时，结露传感器阻值变小，此时VTl的基极电位约0.5V，VT2的集电极为低电位，VT3和VT4截止，双向晶闸管不导通。如果玻璃镜面周围的湿度增加，使结露传感器的阻值增大到时，VT1导通，VT2截止，其集电极电位变为高电位，VT3和VT4均导通，触发晶闸管VS导通，加热丝通电，使玻璃镜面加热。随着镜面温度逐步升高，镜面水汽被蒸发，从而使镜面恢复清晰。加热丝加热的同时，指示灯VD2点亮。调节的阻值，可使加热丝在确定的某一相对湿度条件下开始加热。三、浴室环境湿度检测实现应用电子学院 传感器技术1.
17、控制电路 控制电路的电源由R7降压，经整流、滤波和VD3稳压后供给。2.使用时，通过改变电阻的阻值，可使加热器的通、断预先确定在某相对温度范围内 汽车挡风玻璃自动去湿装置 此图是一种用于汽车驾驶室挡风玻璃的自动去湿电路。此图是一种用于汽车驾驶室挡风玻璃的自动去湿电路。其目的是防止驾驶室的挡风玻璃结露或结霜，保证驾驶其目的是防止驾驶室的挡风玻璃结露或结霜，保证驾驶员视线清楚，避免事故发生。该电路也可用于其他需要员视线清楚，避免事故发生。该电路也可用于其他需要去湿的场所。去湿的场所。汽车挡风玻璃自动去湿装置汽车挡风玻璃自动去湿装置 Rs 为加热电阻丝，将其埋入挡风玻璃内。为加热电阻丝，将其埋入挡风
18、玻璃内。H 为结露湿敏元件，晶体管为结露湿敏元件，晶体管VTl，VT2 为施密特触发为施密特触发电路，电路，VT2 的集电极负载为继电器的集电极负载为继电器J的线圈绕组。的线圈绕组。R1，R2 为为 VT1 的基极电阻，的基极电阻，Rp 为湿敏元件为湿敏元件H 的的等效电阻。在不结露时，调整各电阻值，使等效电阻。在不结露时，调整各电阻值，使 VT1 导通，导通，VT2 截止。一旦湿度增大，湿敏元件截止。一旦湿度增大，湿敏元件H 的的等效电阻等效电阻 Rp 值下降到某一特定值，值下降到某一特定值，R2/Rp 减小，减小，使使 VT1 截止，截止，VT2 导通，导通，VT2 集电极负载继电集电极负载继电器器J J 线圈通电，它的常开触点线圈通电，它的常开触点接通加热电源接通加热电源Ec，并且指示灯点亮，电阻丝，并且指示灯点亮，电阻丝Rs Rs 通电通电，挡风玻璃被加热，驱散湿气。当湿气减少到一定程度时，挡风玻璃被加热，驱散湿气。当湿气减少到一定程度时，Rp/R2 回到不结露回到不结露时的阻值，时的阻值，VT1，VT2 恢复初始状态，指示灯熄灭，电阻丝断电，停止加热，恢复初始状态，指示灯熄灭，电阻丝断电，停止加热，从而实现了自动去湿控制。从而实现了自动去湿控制。