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1、氯化锂湿敏元件的优点是滞后小，不受测试环境风速的影响，检测精度高达 5%， 但其耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能的重复性不理想，使用寿命短。,2 半导体及陶瓷湿敏传感器 半导体及陶瓷湿敏传感器是最大一类湿敏元件，产品种类较多，按制作工艺可分为：烧结体型、涂覆膜型、厚膜型、薄膜型（电容型）及MOS型等。下面介绍烧结体型和薄膜型。 烧结体型湿敏元件是将两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结成多孔陶瓷的半导体陶瓷湿敏元件。它是将颗粒大小适当的陶瓷粉料外加结合剂与增塑剂，用力轧模、注浆成型，然后送炉烧结，烧成冷却清洗后，将合格品装上引线，即可获得达标的陶瓷湿敏传感器。该类元件的特点是可靠性、重
2、复性好，整体导电，表面无漏电流。,这类材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe2O3等，前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种的电阻率随湿度增大而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷。,(1) MgCr2O4-TiO2湿敏元件,氧化镁复合氧化物-二氧化钛（MgCr2O4-TiO2）湿敏材料通常制成多孔陶瓷型湿-电转换器件。MgCr2O4为P型半导体，TiO2为二氧化钛。该器件是将MgCr2O4和TiO2按7:3比例混合后，置入1300的炉中烧结成陶瓷体，然后将陶瓷体切成薄片，在薄片两边印刷并烧结梳状RuO
3、2或金电极，形成感湿体。为了减少测量误差，在感湿体外罩上绕一层由镍铬丝绕制的加热线圈，用以加热清洗污垢，提高感湿能力。整个感湿体及外罩安装在高致密,、疏水性的陶瓷片底座上，其结构如图5-15（a）所示。,1感湿体 2金电极 3加热器线圈 4陶瓷基片 5引线座 （a）结构示意图,（b）感湿特性曲线,图 5-15 MgCr2O4-TiO2湿敏传感器,该湿敏元件利用陶瓷烧结体微结晶表面对水分子进行吸湿或脱湿，使电极间电阻值随相对湿度呈指数变化。图 5-15 (b) 展示了在 20环境下，国产SM-1型和日本松下I型和II型该类产品的感湿特性曲线。,这类产品的一般规律是：其电阻值既随所处环境的相对湿度
4、的增加而减少，又随周围环境温度的变化而有所变化。产品特点是体积小、测试范围宽 (1-100 %RH) ，可承受不超过 600 的温度，能用电热清洗吸附在感湿陶瓷体上的油污、灰尘和其它污垢，响应速度一般不超过20秒，稳定性好。,(2) ZnO-Cr2O5陶瓷湿敏元件,图5-16 ZnO-Cr2O5陶瓷湿敏元件结构,ZnO-Cr2O5 湿敏元件的结构是将多孔材料的电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线，然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中，用树脂固定。其结构如图5-16所示。ZnO-Cr2O5 传感器能连续稳定地测量湿度，无需加热除污装置，因此功耗低于0.5W。该湿敏元件电阻率随温度
5、改变很小，长期使用后电阻率仅有百分之几的变化。元件的响应速度快，相对湿度从0100 时，一般不超过10秒，湿度变化20 % 时，响应时间仅需 2 秒，吸湿与脱湿过程无湿滞现象。,（3）薄膜型（电容型）,薄膜型又称电容型，电容器的电容量除了与两极板的形状、大小、相对位置有关之外，还与介电常数有关。它是将被测物理量的变化转化为电容量的变化，于是形成了湿敏电容传感器。它的特点是：结构简单，灵敏度高，可进行无接触测量。根据电容器的结构特点，它可分为变间隙、变面积和变介电常数三类，其中，变介电常数的湿敏传感器应用较多。,变介电常数湿敏传感器的工作原理是：当在电容器两极板之间充以不同介质时，电容量的大小将
6、发生变化。用该传感器测量液位、料位和两种不同介质的分界面时，显得,较为方便，而且它对导电介质和非导电介质均适应。湿敏电容传感器结构通常有下列三种：,一是高分子薄膜湿敏电容传感器：一般采用多孔性氧化铝（Al2O3）或高分子吸湿膜作为吸湿介质，制成多孔性氧化铝电容湿度传感器与高分子薄膜电容湿敏传感器。高分子薄膜湿敏电容传感器受温度影响很小，响应速度快，稳定性好，所以得到了广泛应用。 二是圆柱式湿敏电容传感器：图 5-17 中将两个同心圆柱形金属筒作为电容器的两个极板，当极板间的介质发生变化时，电容量变化，从而引起输出电压变化（由后续电路处理）。,图5-17 圆柱式湿敏电容传感器结构,三是插入式湿敏
7、电容传感器：其结构如图 5-18 所示。插入容器的内电极为电容器的一个极板，上面包有绝缘套管，金属电容器为电容的另一个极板。容器中有介质、无介质、介质多少均使电容量发生变化，从而引起传感器输出电信号发生变化。,图5-18 插入式湿敏电容传感器结构,5.2.3 湿敏传感器的应用,湿度传感器广泛应用于各种场合的湿度监测、控制与报警装置。 1. 房间湿度控制,图5-19 房间湿度控制器,利用湿度传感器制作的房间湿度控制器如图5-19所示。图中湿敏传感器选用KSC-6V，当相对湿度为(0100%) RH时，输出信号为 0100mV，A1和A2为开环，用作电压比较器，传感器输出信号分成两路，分别接在A1
8、的同相输入端与A2的反相输入端，将RP1和RP2调整到适当位置。设相对湿度下降时传感器输出电压值也随之下降，当下降到设定,值时A2的输出电位升高，使晶体管VT2导通，并点亮LED2，表示空气干燥，继电器J2吸合，接通加湿机。当湿度上升时，传感器输出电压值也随着上升，升到一定值时J2释放，断开加湿机。当相对湿度继续上升，如超过设定值时，A1的输出升高，使VT1导通，同时LED1发光，表示空气太潮湿，J1吸合，接通排气扇，排除室内潮气。当相对湿度下降到一定数值时，J1释放，排气扇停止工作。于是，室内的相对湿度就可以控制在一定的范围之内。,2. 湿度控制电路,图5-20 湿度控制电路原理图,湿度控制
9、电路原理如图 5-20所示。两个与非门H1和H2组成 RC 振荡器，振荡频率为2.5KHZ ，输出电压为4V，经 和 分压，VD1整流，再经分压后送至VT3。 为负特性湿敏电阻，当湿度上升时，湿敏电阻RH阻值下降，使VD1电流减小，晶体管VT3截止，集电极电位上升，VT4导通，继电器J2触点接通，其常开触头J2-1闭合，接通干燥设备，其灯LED2点亮。同时晶体管VT1、VT2截止，J1触点失去电流释放，关闭增湿设备，LED1灭；当湿度下降时，湿敏电阻RH阻值上升，其电压增加，当升高到一定值时晶体管VT3导通，其集电极电位下降，VT4截止，继电器J2失电，灯LED2熄灭，同时VT2、VT1导通，
10、继电器J1得点，其常开触点J1-1接通增湿设备，LED1点亮。电位器RP1、RP2可调节控制湿度的范围。,3. 土壤湿度测量,土壤湿度测量电路原理如图5-21所示，可检测土壤含水量范围为0100，它在温度25 时，响应时间小于5秒。电路由土壤湿度检测电路、放大电路和高精度稳压电源组成。土壤湿度检测部分由湿敏电阻 、晶体管VT及 、 组成，湿度信号放大器由运放A、 、 、 、 、 和 等组成，稳压电源电路为湿敏检测提供2.5V电源。将传感器 RH 插入土壤，由于湿度不同导致湿敏电阻阻值变化，引起晶体管VT基极电流变化，使VT发射极电流 变化，在电阻 R2上转换为电压变化，并送运算放大器A放大输出
11、。 VD3限幅，将输出电压控制在5V以内。,实际应用时要先对电路系统进行标定，较简单的标定方法是先将湿敏电阻RH放在水中，让湿度为100 %RH，调节RP2使输出为5V，标定出满量程输出。再将湿敏电阻 RH 吹,干使湿度为0 % RH，调节RP1使输出为0V，标定为0输出，以此来作为测量未知湿度的工作基础。,图5-21 土壤湿度测量电路,4. 线性化处理,湿敏传感器的感湿特征量与相对湿度之间的关系通常不是线性的，这往往给测量与应用带来麻烦。实际中需要通过一种变换使其关系线性化。图5-22（a）是为此设计的一种简单的无源线性电路，即用固定电阻R与湿敏传感器 并联，于是，需确定R的大小。,设湿度敏
12、传感器的RRH 特性曲线如图5-22（b）所示，由实际需要选择A、B、C三点，对应的阻值和相对湿度分别为 、 、 和 、 、 。又设：,（a）线性化改造电路 （b）原RRH 特性曲线 （c）校正后的RRH 曲线,图5-22 湿敏传感器的线性化,为了使电路线性化，并上去的电阻在A、B、C三点处应有线性关系,（5-3）,其中,将它们代入式（5-3），解得,校正后的 RH 曲线呈S型，如图5-22（c）所示，所以曲线的线性化程度得以改善。,本章小结,气敏和湿敏传感器的形式多样、内容丰富，本章仅就一些常用的气敏和湿敏传感器作了基本介绍，限于篇幅，有些内容虽未展开，但小结时我们仍提及，以保持概念的完整性
13、。 （1）气敏传感器 原理 利用某些功能材料受热吸附气体并与之发生化学反应。 类型 1. 半导体式： 电阻型：表面控制型、体控制型； 非电阻型：二极管型、场效应管型等； 2. 固体电解质式：电池电动式、混合电位、电流等； 3. 接触燃烧式：燃烧、热导； 4. 电化学式：恒电位电解电流型、电池型； 5. 其它式：红外吸收型、光导纤维型、气体色谱法型等。 应用 监测和预报：易燃、易爆、有毒、有害气体。 （2）湿敏传感器 原理 利用某些材料随湿度变化而引起电气性能（电阻、阻抗和介电常数）变化，获得相关湿度大小的信息。 类型 1. 水分子亲和力型湿敏传感器：利用物理吸附与化学吸附。 （1）电解质系湿度传感器：无机电解质湿度传感器、高分子电解质湿度传感器； （2）半导体及陶瓷湿度传感器：涂覆膜型、烧结体型、薄膜型（电容型）；,（3）有机物及高分子聚合物湿度传感器。 2. 非水分子亲和力型湿敏传感器：利用物理效应。 （1）热敏电阻式湿敏传感器； （2）微波式湿敏传感器； （3）红外吸收湿敏传感器； （4）超声波式湿敏传感器。 应用 温室栽培、气象预报、仓库储存、日常生活和工业生产等。,思考题与习题（略）,参考文献（略）,
