湿度传感器综述

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1、 2、 超声波流量传感器 超声波传输时间差法测流量。 超声波在流体中传输时, 在静止流体和流动流体 中的传输速度是不同的, 利用这一特点可以求出流体 的速度, 再根据管道流体的截面积, 便可知道流体的流 量。 在流体中设置两个超声波传感器(复合探头), 它们 可以发射超声波又可以接收超声波, 一个装在上游, 一 个装在下游, 其距离为L。如设顺流方向的传输时间为 t1, 逆流方向的传输时间为t2, 流体静止时的超声波传输 速度为c, 流体流动速度为v。 1 2 t1= t2 = 超声波传播时间差为 t=t2t1= 流体的流速为 v （Cv） 3 4 实际应用中, 超声波传感器安装在管道的外部,

2、 从管 道的外面透过管壁发射和接收超声波不会给管路内 流动的流体带来影响，也有利于安装。 当探头1为发射探头，2为接收探头时，超声波传播 速度为 顺流传播时间t1为 当探头2为发射探头，1为接收探头时，超声波传播 速度为 5 逆流流传播时间t2为 时差为 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c 是温度的函数，高精度测量需进行温度补偿。 6 3、超声波探伤 脉冲反射法。 超声波发射到被测试件后，传播到有声阻抗的界 面上，产生反射。反射波显示在示波器屏幕上。 BFT 脉冲发生器接收放大器 缺欠 探头 工件 7 纵波探测分一次反射波法和多次反射波法。 一次反射波按时间顺序屏幕上

3、显示发射波 、表面反射波和底面反射波。若工件内部有缺 欠，对超声波有较强的吸收，底波幅度减小。 多次反射波以多次底波反射为依据。底波 反射回探头时，一部分声波被探头接收，另一 部分又返回底部，多次反射，直至声能全部衰 减完为止。 当试件有缺欠时，声波衰减很大，底波反射 次数减少，直至消失，由此判断有无缺欠及缺 欠的严重程度。 8 液位测量 储油罐分选 位置测量 - 绞筒直径 - 整理控制 - 绕线 / 停止绕线 调控 绞筒直径 堆置高度控制 厚度测量 15 16 第二节第二节 微波式传感器微波式传感器 一、微波的基础知识 微波是波长为1m一1mm的电磁波，具有下列特点： 空间辐射的装置容易制造

4、； 遇到各种障碍物易于反射； 绕射能力较差； 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 对微波的吸收作用最强。 17 18 19 波 段波长长范围围频频率范围围波段名称 分米波1m10cm0.33GHz特高频频 (UHF) 厘米波10cm 1cm 330GHz超高频频 (SHF) 毫米波1cm 1mm 30 300GHz 极高频频 (EHF) 20 波 段频率范围(GHz)波 段频率范围(GHz) UHF0.301.12Ka26.5040.00 L1.121.70Q33.0050.00 LS1.702.60U40.0060.00 S2.603.95M50.0075.00 C3

5、.955.85E60.0090.00 XC5.858.20F90.00140.0 X8.2012.40G140.0220.0 Ku12.4018.00R220.0325.0 K18.0026.50 微波波段的代号及对应的频率范围 微波式传感器的组成：微波振荡器和微波天线 二、微波传感器 测量原理：由发射天线发出的微波，遇到被 测物体时将被吸收或反射，使功率发生变化。 若利用接收天线接收通过被测物或由被测物反 射回来的微波，并将它转换成电信号，再由测 量电路处理，就实现了微波检测。 微波传感器可分为反射式与遮断式两种。 21 1反射式传感器 通过检测被测物反射回来的微波或经过时 间间隔来表达被测

6、物的位置、厚度等参数。 2遮断式传感器 通过检测接收天线接收到的微波功率的大小， 来判断发射天线与接收天线间有无被测物或被测 物的位置等参数。 22 三、微波传感器的应用 1微波液位计 微波发射天线 微波接收天线 当发射功率、波长、增益均恒定时，只要测得 接收功率 ，就可获得被测液面的高度。 23 2微波物位计 (1) 当被测测物位较较低时时 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。 (2) 当被测测物位升高到天线线所在的高度时时 微波束部分被吸收部分被反射，接收天线接 到的功率相应减弱，经放大器、比较器就可给 出被测物位高出设定物位的信号。 24 25

7、26 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 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 率 3)观察者静止，波源以速率 运动 a、波源朝向观观察者以速度 运动动 u t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 u t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 a、波源与接收者相互靠近 u t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 u t时刻的波阵面 t+1秒时刻

8、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 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 ， 求车速 。 1）车为接收器 2）车为波源 车速 第四节第四节 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 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。 一、核幅射的物理基础 1放射性同位素 放射性衰变规律： 开始时(t0)的放射源强度 t时的放射源强度 放射性衰变常数 35 半哀期 ： 是不受任何外界作用影响而且和时间无关 的恒量

9、，不同放射性元素的半衰期不同。 2核辐射 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。 (1) 粒子：主要用于气体分析，测量气体 压力、流量等。 (2) 粒子：主要用于测量材料厚度、密度等。 36 (3) 射线： 穿透能力很强，广泛应用于金 属探伤、测厚度等。 3核辐射与物质的相互作用 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： 入射到吸收体的辐射通量的强度 穿过厚度为h(单位为cm)的吸收 层后的幅射通量强度 线性吸收系数 37 设质量厚度 ，则吸收公式可写成 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。 射线在物质中穿行时

10、容易改变运动方向而 产生散射现象，反散射的大小与 粒子的 能量、物质的原子序数及厚度有关，因此 可以测量材料的涂层厚度。 38 二、射线式传感器 由放射源和探测器组成 1射线源 放射线源的结构应使 射线从测量方向射出 ， 射线出口处装有耐辐射 薄膜，以防灰尘浸入， 并能防止放射源受到意 外损伤而造成污染。 39 2探测器 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。 (1) 电离室 空气中设置一个平行 极板电容器，对其加上 几百伏的极化电压。 40 (2) 闪烁计闪烁计 数器 41 三、核辐射检测的应用 42 43 湿度传感器 应用领域：精密仪器、半导体集成电路与元器件

11、生产， 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： 电解质型：氯化锂为例，在绝缘基板上制作一对电极， 涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子导电 ，随湿度升高而电阻减小。 陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，制成多孔陶瓷。利 用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。 高分子型：在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极，通过浸 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：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。 44 一、湿度表示法 湿度：空气中含有水蒸气的量。 主要有质量百分比、体积百分比、相对湿度和绝对湿 度

12、、露点(霜点)等表示法。 1、质量百分比和体积百分比 质量为M的混合气体中，若含水蒸气的质量为m，则 质量百分比为： v/V100 这两种方法统称为水蒸气百分含量法。 m/M100 在体积为V的混合气体中，若含水蒸气的体积为v， 则体积百分比为： 45 2、相对湿度和绝对湿度 水蒸气压：在一定的温度条件下，混合气体中的水蒸 气分压(p)。 饱和蒸气压：在同一温度下，混合气体中所含水蒸气 压的最大值(ps)。温度越高，饱和水蒸气压越大。 相对湿度：在某一温度下，水蒸气压同饱和蒸气压的 百分比。 绝对湿度：单位体积内，空气里所含水蒸气的质量。 m水蒸气质量；V空气的总体积； v绝对湿度。 如果把待

13、测空气看作是由水蒸气和干燥空气组成的二元 理想混合气体，根据道尔顿分压定律和理想气体状态方程 ，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。 46 3、露（霜）点 水的饱和蒸气压随温度的降低而逐渐下降。在同样的水 蒸气压下，温度越低，空气相对湿度越大。当空气温度下 降到某一温度时，空气中的水蒸气压达到饱和蒸气压，相 对湿度为100RH，空气中的水蒸气将液化而凝结成露珠 ，该温度 5010203040 -10 0 10 20 30 40 50 温度/ 10%RH 露点/ 90%RH 80%RH 70%RH 60%RH 50%RH 40%RH 20

14、%RH 30%RH 称为露点温度，简称露 点。 如果这一温度低于0 ，水蒸气将结霜，又称 为霜点温度。两者统称 为露点。空气中水蒸气 压越小，露点越低，因 而可用露点表示空气中 的湿度。 47 二、湿度传感器的主要参数 1、湿度量程 湿度传感器的感湿范围。湿度量程用相对湿度(0 100)RH表示，它是湿度传感器工作性能的一项重要 指标。 2、感湿特征量相对湿度特性 每种湿度传感器都有其感湿特征量，如电阻、电容 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 环境湿度变化的关系特性曲线，简称阻-湿特性。 湿度传感器的电阻值随湿度的增加而增大，称为正 特性湿敏电阻器，如Fe3O4湿

15、敏电阻器。 阻值随湿度的增加而减小，称为负特性湿敏电阻器 ，如TiO2SnO2陶瓷湿敏电阻器。 48 3、感湿灵敏度 简称灵敏度，又称湿度系数。在某一相对湿度范 围内，相对湿度改变1RH时，湿度传感器电参量的 变化值。 不同湿度传感器，相对灵敏度的要求相同。 对于低湿型或高湿型的湿度传感器，它们的量程较 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 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。 49 4、特征量温度系数 阻-湿特性曲线随环境温度而变化。感湿特征量随环 境温度变化越小，环境温度变化所引起的测量误差就越 小。 特征量温度系数：在环境温度保持恒定时，湿度传感 器特征量的相对变化量与对应的温度变化量之比。 T温度25与另一规定环境温度之差； R1(C1)温度25时湿度传感器的电阻值(或电容值)； R2(C2)另一规定环境温度时湿度传感器的电阻值(或电容值)。 电容温度系数(%/)= 电阻温度系数(%/)= 50 5、感湿温度系数 在两个规定的温度下，湿度传感器的电阻值(或电容值 )达到相等时，其对应的相对湿度之差与两个规定的温度 变化量之比，称为感湿温度系数。 环境温度每变化1时，所引起的湿度传感器的湿度误差 。 T温度25与另一规定环境温度之差； H1温度25时湿度传感器一电阻值(或电容值)对应的 相对湿度值；