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1、第12章 湿敏传感器及其应用案例,12.1 湿度检测概述 12.2 电阻式湿敏传感器 12.3 电容式湿敏传感器 12.4 空气湿度检测控制案例,返回主目录,12.1 湿度检测概述,湿度与工农业生产、国防、科研以及人类的日常生活息息相关，随着人类的进步和发展，湿度的重要性也越发凸显。为了保证生产环节和设备处在良好的环境中，对空气湿度进行测量及控制，使环境适应工农业生产、国防、科研以及人类日常生活的需要是今后发展的必然。,一、湿度的描述方法,湿度一般是指大气中水蒸气的含量，通常用绝对湿度和相对湿度来表示。有时也用比湿和露点来表示。 绝对湿度是指在一定的温度条件下，单位体积气体中所含水蒸气的质量，
2、单位是g/m3。一般用符号AH表示。 相对湿度是指被测气体的绝对湿度和同一温度条件下达到饱和状态的绝对湿度之百分比，一般用符号RH表示。 由于水的饱和蒸气压是随着温度的降低而降低的，当温度下降到某一温度时，其水蒸气压与同温度下的饱和蒸气压相等，此时空气中的水蒸气将向液态转化而凝结为露珠，此时相对湿度为100%，这个特定的温度就称之为露点。,二、湿度检测传感器的分类,第一类是电阻式湿敏元件，它是利用水分子有较大的偶极矩，易于附着并渗透入固体表面的特性制成的湿敏电阻。 第二类是电容式湿敏元件，它是利用水分子附着后材料长度发生变化而制成尺寸变化式的湿敏元件。 第三类是除了电阻式和电容式以外的所有湿度
3、检测传感器，比如光纤湿度传感器、超声波湿度传感器和微波湿度传感器等等。,用来检测空气中湿度大小的传感器叫做湿度传感器。湿度传感器的品种繁多，按其结构分类，可分为电阻式、电容式和其他式三类。,12.2 电阻式湿度传感器,一、氯化锂湿敏电阻 氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子电导率就发生变化的原理而制成的测湿元件，它由引线、基片、感湿层、金电极四部分组成。其结构示意图如图12-1所示。,图12-1(a) 氯化锂湿敏电阻结构示意图,通常氯化锂和聚乙烯醇组成混合体，它的特点是： 在氯化锂（LiCl）溶液中，Li和Cl均以正负离子的形式存在，而Li+对水分子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液的导电
4、能力与溶液中离子数量成正比。 当氯化锂溶液置于一定温湿场中，如果环境的相对湿度高，则溶液将吸收水分，使溶液中离子数目增多，导电能力增强，故溶液的电阻率降低。如果环境的相对湿度低，则溶液中离子数目少，其电阻率增加。,图12-1(b) 氯化锂湿度电阻特性曲线,氯化锂湿敏元件的相对湿度电阻特性曲线如图12-1(b)所示。,由图可知，在50%80%的相对湿度范围内，氯化锂的电阻与相对湿度成线性关系。为了扩大线性范围，通常采用将多个氯化锂含量不同的器件组合使用。如将线性测量范围分别为（10%20%）RH、（20%40%）RH、（40%70%）RH、（70%90%）RH和（90%99%）RH五种元件组合使
5、用，就可完成整个湿度范围内的相对湿度测量。,氯化锂湿度敏感元件具有滞后小、不受测试环境风速的影响、检测精度高达5%等优点，其缺点是耐热性差、不能用于露点以下测量、器件性能重复性差、使用寿命短。 二、半导体陶瓷湿敏电阻 半导体陶瓷湿敏电阻通常是有几种金属氧化物混合烧结而成的多孔陶瓷。这些多孔陶瓷的电阻率有的随湿度增加而减小，有的随湿度增加而增大。通常把随湿度增加电阻率减小的称作负特性湿敏半导体陶瓷，而把随湿度增加电阻率增大的称作正特性湿敏半导体陶瓷。,1. 负特性湿敏半导体陶瓷的导电机理 由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导体陶瓷表面附着时，就可能从半导体陶瓷表面俘获电子，使半导体陶
6、瓷表面带负电，相当于表面电势变负。 2. 正特性湿敏半导体陶瓷的导电机理 对于阻值随湿度增加而增大的这类正特性湿敏半导体陶瓷的导电机理，是由于这类材料的结构，电子能量状态与负特性有所不同所致。,3. 半导体陶瓷湿敏电阻的优点： 测度范围宽，基本上可以实现全湿范围内的湿度测量； 工作温度范围宽，常温湿敏电阻的工作温度在150以下，而高温湿敏电阻的工作温度可达800； 响应时间短，精度高，工艺简单，成本低等。,4. 典型半导体陶瓷湿敏元件 半导体陶瓷湿敏元件大多数为湿敏电阻。除了烧结性Fe3O4湿敏电阻外，都是负特性湿敏电阻，即随着环境相对湿度的增加电阻值降低。目前，典型的半导体陶瓷湿敏元件主要有
7、下面几种。,（1）MgCr2O4-TiO2陶瓷湿敏元件 MgCr2O4-TiO2半导体陶瓷湿敏元件一般制作成多孔陶瓷型的结构。气孔大部分为粒间气孔，气孔直径随TiO2添加量的增加而增大，平均气孔直径在100300nm内。这种结构容易吸附水分，属于负特性湿敏半导体陶瓷。它的电阻率低，温度特性好。利用这种湿敏元件构成的湿度传感器结构如图12-3(a)所示。,MgCr2O4-TiO2半导体陶瓷湿度传感器的相对湿度与电阻值之间的关系如图12-3(b)所示。它的电阻值既随着环境相对湿度的增加而减小，又随着环境温度的变化而有所变化。,图12-3 MgCr2O4-TiO2半导体陶瓷湿度传感器结构及特性曲线,
8、(2) ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件,图12-4 ZnO-Cr2O3陶瓷湿度传感器,ZnO-Cr2O3半导体陶瓷湿敏元件是将多孔金电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线制作而成。把该结构的半导体陶瓷湿敏元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中，并用树脂固定就构成了ZnO-Cr2O3湿敏传感器，其结构如图12-4所示。,此种传感器的优点：一是可连续稳定地测量湿度，而无需加热除污装置，且功耗低于0.5W；二是体积小，成本低，是一种常用的测湿传感器。 (3)Fe3O4湿敏元件 Fe3O4湿敏元件是由基片、金电极和感湿膜组成，其结构如图12-5(a)所示。图12-5(b)和(c)分别为国产MCS型F
9、e3O4湿敏元件的电阻湿度特性和电阻温度湿度特性曲线。,图12-4 MCS型Fe3O4湿敏元件的结构及特性,Fe3O4湿敏元件的优点是在常温、常湿下性能比较稳定，有较强的抗结露能力，测湿范围广，有较为一致的电阻湿度特性和较好的电阻温度湿度特性。缺点是器件有较明显的湿滞现象，响应时间长。,三、结露传感器,1. 结露传感器的结构及工作原理 结露传感器结构如图12-6(a)所示，它是在氧化铝基板上覆盖上一层高分子材料感湿膜，并在其上引出两电极而构成。,图12-6 结露传感器的结构及特性,2. 结露传感器的工作特性 HDP结露传感器的湿度电阻特性曲线如图12-5(b)所示。由图可知，结露传感器的湿度电
10、阻特性曲线较为特殊，在相对湿度为6090%RH时阻值变化不大，约为几到几十K；当湿度接近结露状态时，阻值迅速增大到几百K乃至几M，类似于开关特性。利用它这种良好的开关特性，可进行结露状态的检测和控制。 常见的结露传感器型号有HDP-07，HGP-07及SY-DS-1等，工作电压为0.8V。在75%RH时，阻值为1520k，在93%RH时，阻值为100k，在100%RH时，阻值为200k。,12.3 电容式湿敏传感器,电容式湿敏传感器主要有陶瓷电容式和高分子电容式两种。,图12-7 陶瓷电容式湿度传感器结构,一、陶瓷电容式湿度传感器,1. 结构及工作原理 陶瓷电容式湿度传感器的结构如图12-7所
11、示。它由多孔氧化铝感湿膜、铝基片和金电极等构成。,2. 陶瓷电容式湿度传感器的特性,图12-8 Fe3O4感湿膜的湿度电容曲线,由Al2O3感湿膜组成的陶瓷电容式湿度传感器，其膜电容与相对湿度的关系特性曲线如图12-8所示，在低湿度时，曲线线性度较好，到高湿度时线性度变差。若湿度进一步提高，特性曲线变得平缓。,二、高分子电容式湿度传感器,1. 结构及工作原理 高分子电容式湿度传感器一般是由基片、高分子材料感湿膜和引出电极三部分组成。其结构如图12-9所示。它的电容量大小取决于环境中水蒸气的相对压力、电极的有效面积和感湿膜的厚度。,图12-9 高分子电容式湿度传感器结构,2. 特性 高分子电容式
12、湿度传感器具有湿度与电容量基本呈线性关系的特性。它具有输出湿滞小，温度系数小，性能稳定，输出不受其他气体的影响等特点。 常见的有MSR-1型电容式湿度传感器，它的电容与相对湿度的关系特性曲线如图12-10所示。,图12-10 高分子电容式湿度传感器特性,集成电容式湿度传感器 IH3605 是采用集成电路工艺制成的，其外形如图12-11(a)所示。它有三个引脚。其中1引脚为电源负极，2引脚为信号输出端，3引脚为电源正极。,三、集成电容式湿度传感器,图12-11 IH3605集成电容式湿度传感器外形及特性曲线,1. 工作原理 当空气中湿度发生变化时，就会引起集成湿度传感器内部湿敏电容器容量的变化,
13、该电容量的变化再经内部电压转换电路转换成电压的变化输出。这个输出电压的大小就代表了相对湿度的高低。 2. 工作特性 实验证明，它的输出电压是供电电压、相对湿度和温度的函数。当电源电压升高时，输出电压也将成比例升高。IH3605集成湿度传感器在采用5V电压供电的条件下，当相对湿度在0% 100%RH变化时,其相应的输出电压特性曲线如图12-11(b)所示。,12.4 空气湿度检测控制应用系统案例,一、直读式空气湿度计 如图12-12所示是一个直读式湿度计电路原理图。,图12-12 直读式湿度计电路原理图,图12-12 直读式湿度计电路原理图,图中，RH为氯化锂湿度传感器。由V1、V2、T1等组成
14、测湿电桥的交流电源，其频率为2501000Hz。电桥输出经变压器T2、C3耦合到V3，经V3放大，VD1VD4桥式整流，C5滤波后，输入给微安表，由微安表指示出由于相对湿度的变化引起电流的改变，经标定并把湿度刻划在微安表盘上，就成为一个简单而实用的直读式湿度计。,二、汽车玻璃结露控制电路 如图12-13所示是一种用于汽车驾驶室挡风玻璃的自动除霜电路。其目的是防止驾驶室内挡风玻璃结露或积霜。,图12-13 汽车挡风玻璃自动除霜电路,在低湿度时，结露传感器HDP-07电阻较小，调整R1、R2使T1饱和导通，T2截止，继电器J中无电流，使开关K断开，加热器RL无电流通过，加热器不工作。当环境湿度到达85%RH以上时，结露传感器电阻突然变大，使T1截止，T2饱和导通，继电器J通电，使开关K闭合，加热器RL通电加热驱散湿气，避免挡风玻璃结露，影响行车安全。当湿度减小到一定程度时，T1、T2又恢复到初始状态，加热停止。从而实现了自动除湿的目的。本电路同样适用于其他需要自动除湿的场合。,完,课间休息,
