第十三章湿度传感器

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1、第13章 湿度传感器霍尼韦尔生产的湿度传感器如图所示。型号：HIH3600系列规格：吸收式湿度传 感器，可以同时提供 绝对湿度和相对湿度 输出。1第13章 湿度传感器日本神荣相对湿度传感器如图所示。2第13章 湿度传感器JY2-PTS-2空气湿度传感器如图所示。 技术指标：1.测量范围：0100%RH2.测量精度：2%RH3.信号输出：05V4.信号传送距离：小于100米3第13章 湿度传感器湿敏电容如左图所示。湿敏电阻如右图所示。4第13章 湿度传感器湿敏模块正反面如左图所示，右图是湿敏 传感器的正反面。5第13章 湿度传感器芬兰生产的湿度传感器如左图所示。露点 仪如右图所示。6第13章 湿

2、度传感器13.1 概述 13.2 湿度传感器的分类与特性参数 13.3 氯化锂湿度传感器 13.4 半导体陶瓷湿敏电阻 13.5 多孔硅湿敏元件 13.6 高分子湿度传感器 13.7 测量电路 13.8 湿敏传感器的应用 713.1 概述人们对湿度测量与控制重要性的认识，同 温度相比要晚得多。17世纪才制成了毛发湿度 计，18世纪制成了干湿球湿度计。它们的主要缺点是灵敏度和分辨率都不够高，而且输出是 非电信号，难以同电子电路或自动控制系统及 仪器相联结。1938年才研制出输出电信号的 LiCl电解质湿度传感器。813.1 概述13.1.1 湿度的表示方法 13.1.2 标定湿度传感器的饱和盐水

3、溶液法913.1.1 湿度的表示方法大气中含有水分的多少直接影响大气的干、 湿程度。在物理学和气象学中，对大气(空气)湿 度的表征通常使用绝对湿度、相对湿度和露(霜)点湿度。1.绝对湿度在一定温度和压力条件下，单位体积的混合 气体中所含水蒸气的质量，其定义为1013.1.1 湿度的表示方法式中，mv为待测混合气体中的水蒸气质量；V为 待测混合气体的总体积；rv为待测混合气体的绝 对湿度，其单位为g/m3。以AH表示绝对湿度。1113.1.1 湿度的表示方法2.相对湿度相对湿度为待测空气的水蒸气分压p与相同 温度下的饱和水蒸气压pW的比值，用百分数表示 。这是一个无量纲量，常表示为%RH(RH为

4、相对 湿度Relative Humidity的缩写)，亦即1213.1.1 湿度的表示方法3.露点湿度保持压力一定而降温，使混合气体中的水蒸 气达到饱和而开始结露时的温度称为露点()。只要能测出露点，就可 以通过一些数据表查得绝对 湿度。温度-相对湿度-露点 的对应关系如图所示。用这 种方法测得的相对湿度称为 露点湿度。1313.1 概述13.1.1 湿度的表示方法 13.1.2 标定湿度传感器的饱和盐水溶液法1413.1.2 标定湿度传感器的饱和盐水溶液法饱和盐水溶液法又称湿度固定点法，属于静 态标定法。虽然这种方法相对准确度较低，并且 只能提供固定的湿度点，却具有简易和价廉的优 点。将饱和

5、盐水溶液置于封闭的容器中，根据拉 乌尔定律和亨利定律，在定温和平衡的条件下， 溶液的组分固定，则其水蒸气分压为常量，因而 使饱和盐水溶液上方的空间保持恒定的相对湿度 。改变溶液的组分则可以获得不同的平衡水蒸气 分压，即可得到不同的相对湿度。1513.1.2 标定湿度传感器的饱和盐水溶液法在选择饱和盐水溶液时，应使其对应的相对 湿度有合适的间隔。在配制饱和盐水溶液时一定 要用纯净水(如蒸馏水或去离子水)以及较纯净的盐，并保持水溶液和其上方的气温一致，以保证 相对湿度具有一定的稳定性。各种饱和盐水溶液 对应的相对湿度值一般采用美国国家标准局 (NBS)1976年提供的数据。1613.1.2 标定湿

6、度传感器的饱和盐水溶液法下表是几种饱和盐水溶液平衡时的相对湿度值。1713.1.2 标定湿度传感器的饱和盐水溶液法如图所示是饱和盐水溶液湿度发生装置。1813.1 概述13.1.1 湿度的表示方法 13.1.2 标定湿度传感器的饱和盐水溶液法 19第13章 湿度传感器13.1 概述 13.2 湿度传感器的分类与特性参数 13.3 氯化锂湿度传感器 13.4 半导体陶瓷湿敏电阻 13.5 多孔硅湿敏元件 13.6 高分子湿度传感器 13.7 测量电路 13.8 湿敏传感器的应用2013.2 湿度传感器的分类与特性参数13.2.1 湿度传感器的分类 13.2.2 湿度传感器的特性参数2113.2.

7、1 湿度传感器的分类湿度传感器可分为水分子亲合力型和非水分 子亲合力型两类。水分子有较大的偶极矩故易于 吸附在固体表面并渗透到固体内部。水分子的这 种吸附和渗透特性称水分子亲合力。利用水分子 这一特性制作的湿度传感器称水分子亲合力型传 感器。反之，与水分子亲合力无关的传感器称非 水分子亲合力型传感器。2213.2.1 湿度传感器的分类湿度传感器分类如图所示。2313.2.1 湿度传感器的分类若按照材料分类，又可分为陶瓷湿度传传感 器、有机高分子湿度传传感器、半导导体型湿度传传 感器、电电解质质型湿度传传感器等，如表13.2所示。242513.2.1 湿度传感器的分类普通毛发湿度计指示机构如图所

8、示。2613.2.1 湿度传感器的分类热敏电阻式湿度传感器如图所示，图(a)是 测量电路，图(b)是传感器结构。2713.2.1 湿度传感器的分类微波式湿度传感器的结构及特性如图所示。2813.2.1 湿度传感器的分类石英振子式湿度传感器的结构及特性如图所示。2913.2 湿度传感器的分类与特性参数13.2.1 湿度传感器的分类 13.2.2 湿度传感器的特性参数3013.2.2 湿度传感器的特性参数1.湿度量程能保证一个湿敏器件正常工作的环境湿度的 最大变化范围称为湿度量程，用相对湿度表示。由于各种湿度传感器所使用的功能材料不同 ，以及工作时所依据的物理效应或化学反应的不 同，致使湿度传感器

9、不一定能够在整个相对湿度 范围内(0100)%RH都具有可供使用的湿度敏感特性。 3113.2.2 湿度传感器的特性参数2. 感湿特征量-相对湿度特性曲线每种湿度传感器都有其感湿特征量，如电阻 、电容、电压、频率等，在规定的工作温度范围 内，湿度传感器的感湿特征量随环境相对湿度变 化的关系曲线，称为相对湿度特性曲线，简称感 湿特性曲线。通常希望特性曲线在全量程内是连 续的且呈线性关系。3213.2.2 湿度传感器的特性参数有的湿度传感器的感 湿特征量随湿度的增加而 增大，这称为正特性湿敏 传感器；有的感湿特征量 随湿度的增加而减小，称 为负特性湿敏传感器。某 种湿度传感器的感湿特性 曲线如图所

10、示。3313.2.2 湿度传感器的特性参数3.感湿灵敏度在某一相对湿度范围内，相对湿度改变 1%RH时，湿度传感器感湿特征量的变化值或百分率称为感湿灵敏度，简称灵敏度，又称湿度系 数。如果湿度传感器的特性曲线是线性的，则在 整个使用范围内，灵敏度就是相同的；如果湿度 传感器的特性曲线是非线性的，则灵敏度的大小 就与其工作的相对湿度范围有关。3413.2.2 湿度传感器的特性参数大多数情况下，湿度传感器的感湿特性曲线 是非线性的，在不同的相对湿度范围内曲线具有 不同的斜率。因此，这就造成用湿度传感器感湿 特性曲线的斜率来表示灵敏度的困难。目前，虽然关于湿度传感器灵敏度的表示方 法尚未得到统一，但

11、较为普遍采用的方法是用不 同相对湿度下感湿特征量之比来表示灵敏度。3513.2.2 湿度传感器的特性参数例如，日本生产的MgCr2O4-TiO2湿度传感 器的灵敏度用R1%与R20%，R40%，R60%，R80%及 R100%的比值表示。4.温度系数温度系数是反映湿度传感器的感湿特征量-相 对湿度特性曲线随环境温度而变化的特性参数。 显然越小越好。温度系数分为特征量温度系数和 感湿温度系数。3613.2.2 湿度传感器的特性参数在环境湿度保持恒定的情况下，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， 称为特征量温度系数。如感湿特征量是电阻，则 电阻温度系数为式中，DT为一个规定温度与

12、另一规定温度之差； R2和R1为这两个规定温度下湿度传感器的阻值。3713.2.2 湿度传感器的特性参数感湿温度系数定义为：在环境湿度保持恒定 的条件下，环境温度每变化1时所引起的湿度误差 式中，DT为环境温度与规定温度之差；H2、H1分别为环境温度下和规定温度下，湿度传感器的感 湿特征量所对应的相对湿度。3813.2.2 湿度传感器的特性参数5.响应时间在一定的温度下，当相对湿度发生跃变时， 湿度传感器的感湿特征量之值达到稳态值的63%( 也有规定90%的)所需要的时间称为响应时间，也称为时间常数。响应时间又分为吸湿响应时间和 脱湿响应时间。大多数湿度传感器都是脱湿响应 时间大于吸湿响应时间

13、，一般以脱湿响应时间作 为湿度传感器的响应时间。3913.2.2 湿度传感器的特性参数6.湿滞回线和湿滞回差 湿度传感器在吸湿和脱湿往返 变化时的吸湿和脱湿特性曲线不重 合，所构成的曲线叫湿滞回线。由 于吸湿和脱湿特性曲线不重合，对 应同一感湿特征量之值，相对湿度 之差称为湿滞量。湿滞量的最大值 称为湿滞回差。4013.2.2 湿度传感器的特性参数7.电压特性用湿度传感器测量湿度时，由于加直流测试 电压引起感湿体内水分子的电解，致使电导率随 时间的增加而下降，故测试电压应采用交流电压 。湿度传感器感湿特征量之值与外加交流电压之 间的关系称为电压特性。当交流电压较大时，由 于产生焦耳热，对湿度传

14、感器的特性会带来较大 影响。4113.2.2 湿度传感器的特性参数8.频率特性湿度传感器的阻值与外加测试电压频率有 关。在各种湿度下，当测试频率小于一定值时 ，阻值不随测试频率而变化，该频率被确定为 湿度传感器的使用频率上限。当然，为防止水 分子的电解，测试电压频率也不能太低。4213.2.2 湿度传感器的特性参数9.工作温度范围表示湿度传感器能连续工作的环境温度范围，它应由极限温度来决定，即由在额定 功率条件下，能够连续工作的最高环境温度 和最低环境温度所决定。4313.2.2 湿度传感器的特性参数10.稳定性是指湿度传感器在各种使用环境中，能保 持原有性能的能力。一般用相对湿度的年变化 率

15、表示，即%RH/年。11.寿命是指湿度传感器能够保持原来的精度而连 续工作的最长时间。4413.2 湿度传感器的分类与特性参数13.2.1 湿度传感器的分类 13.2.2 湿度传感器的特性参数 45第13章 湿度传感器13.1 概述 13.2 湿度传感器的分类与特性参数 13.3 氯化锂湿度传感器 13.4 半导体陶瓷湿敏电阻 13.5 多孔硅湿敏元件 13.6 高分子湿度传感器 13.7 测量电路 13.8 湿敏传感器的应用 4613.3 氯化锂湿度传感器氯化锂湿敏元件的优点是滞后小, 不受测试 环境风速影响，检测精度高达5%，但其耐热性差，不能用于露点下测量，元件性能的重复性 不理想，使用

16、寿命短。4713.3 氯化锂湿度传感器13.3.1 氯化锂湿敏电阻的工作原理与结构 13.3.2 氯化锂湿敏电阻的感湿特性4813.3.1 氯化锂湿敏电阻的工作原理与结构1.工作原理氯化锂是一种电解质，由于极性水分子的作 用，氯化锂可离解出能自由移动的Li+、Cl-离子。离子的浓度决定了电解质溶液的电导率。而溶 液中的离子浓度又取决于给定温度下环境的相对 湿度。因此，通过测量氯化锂的电阻即可确定环 境的相对湿度。4913.3.1 氯化锂湿敏电阻的工作原理与结构2.传感器的结构氯化锂湿敏电阻元 件的结构如图所示。用圆筒形支架作为基体，表面先浸涂一层聚 苯乙烯亲水层，然后在聚苯乙烯薄膜上并行地绕 钯丝电极，再把碱化后的聚乙烯醋酸脂和氯化锂 水溶液(0.5%1.0%)的混合液，均匀地涂在圆筒表面。当被涂溶液的溶剂挥发干后，即凝聚成一 层阻值随环境相对湿度变化的感湿薄膜。5013.3.1