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1、1.7 1.7 湿湿 度度 传传 感感 器器湿度传感器目录目录一、简介一、简介二、湿度及湿度传感器二、湿度及湿度传感器三、电解质系湿度传感器三、电解质系湿度传感器四、半导体及陶瓷湿度传感器四、半导体及陶瓷湿度传感器五、有机物及高分子聚合物湿度传感器五、有机物及高分子聚合物湿度传感器电阻式电阻式电阻电阻/电容式电容式湿度传感器一、简介一、简介湿湿度度测测量量技技术术：湿湿度度测测量量技技术术发发展展已已有有200200多多年年历历史史；人人们们对对湿湿敏敏元元件件的的认认识识是是从从19381938年年美美国国F.W.DummoreF.W.Dummore研研制制成成功功浸浸涂涂式式LiClLiC
2、l湿湿敏敏元元件件才才开开始始的的，从从此此以以后后，已已有有几几十十种种湿湿敏敏元元件件及及传传感感器器应应运运而生。（可参而生。（可参湿度测量湿度测量一书）一书）毛毛发湿度湿度计干湿球湿度干湿球湿度计湿度传感器 湿度检测的重要性湿度检测的重要性湿度与科研、生产、人们生活、植物生长有密切关系，环境的湿度具有与环境温度同等重要意义。目前人们对湿度的重视程度远不及对温度的重视。因此湿度测量技术的研究及其测量仪器远不如温度测量技术与仪器那样精确与完善。由于对湿度监测不够精确，致使大批精密仪器与机械装置锈蚀、谷物发霉等，每年因此造成巨大损失。湿度传感器电容式湿度容式湿度传感器感器湿度传感器二、湿度及
3、湿度传感器二、湿度及湿度传感器1 1、湿度及其表示方法、湿度及其表示方法2 2、湿度传感器及其特性参数、湿度传感器及其特性参数3 3、湿度传感器的分类、湿度传感器的分类 湿度传感器1 1、湿度及其表示方法、湿度及其表示方法 在自然界中，凡是有水和生物的地方，在其周围的大气里总是含有或多或少的水汽。 大气中含有水汽的多少，表示大气的干、湿程度，用湿度来表示，也就是说，湿度是表示大气干湿程度的物理量。 大气湿度有两种表示方法：绝对湿度与相对湿度。湿度传感器1) 1) 绝对湿度绝对湿度v绝对湿度表示单位体积空气里所含水汽的质量，其表达式为:式中：式中： 被被测空气的空气的绝对湿度湿度 MV一被一被测
4、空气中水汽的空气中水汽的质量量 V 被被测空气的体空气的体积8湿度传感器相相对对湿湿度度是是气气体体的的绝绝对对湿湿度度( (V V) )与与在在同同一一温温度度下下，水水蒸蒸汽汽已已达达到到饱饱和和的的气气体体的的绝绝对对湿湿度度( (W W) )之比，常表示为之比，常表示为RHRH其表达式为其表达式为相对湿度相对湿度= (= (V V/W W)100%RH)100%RH根根据据道道尔尔顿顿分分压压定定律律，空空气气中中压压强强P PP Pa a十十P PV V(P(Pa a为为干干空空气气分分压压，P PV V为为湿湿空空气气气气压压) )和和理理想想状状态态方方程，又可将相对湿度用分压表
5、示：程，又可将相对湿度用分压表示：相对湿度相对湿度 ( (P PV V/P/PW W)100%RH)100%RH 式中：式中：P PV V一待测气体的水汽分压；一待测气体的水汽分压； Pw Pw一一 同一温度下水蒸汽的饱和水汽压。同一温度下水蒸汽的饱和水汽压。2)2) 相对湿度相对湿度湿度传感器2 2、湿度传感器及其特性参数、湿度传感器及其特性参数湿度传感器是指能将湿度转换为与其成一定比例关系的电量输出的器件式装置。主要特性参数有：湿度量程感湿特征量灵敏度湿度温度系数响应时间湿滞回线和湿滞回差湿度传感器保保证证一一个个湿湿敏敏器器件件能能够够正正常常工工作作所所允允许许环环境境相相对对湿湿度度
6、可可以以变变化化的的最最大大范范围围，称称为为这这个湿敏元件的湿度量程。个湿敏元件的湿度量程。湿湿度度量量程程越越大大，其其实实际际使使用用价价值值越越大大。理理想想的的湿湿敏敏元元件件的的使使用用范范围围应应当当是是0 0100100RHRH的全量程。的全量程。1) 1) 湿度量程湿度量程2 2） 感湿特征量感湿特征量相对湿度特性曲线相对湿度特性曲线v每一种湿敏元件都有其感湿特征量，如电每一种湿敏元件都有其感湿特征量，如电阻、电容、电压、频率等。阻、电容、电压、频率等。湿度传感器 感湿特性曲线感湿特性曲线湿敏元件的感湿特征量随环湿敏元件的感湿特征量随环境相对湿度变化的关系曲线境相对湿度变化的
7、关系曲线，称为该元件的感湿特征量，称为该元件的感湿特征量 相对湿度特性曲线，简称相对湿度特性曲线，简称感湿特性曲线。感湿特性曲线。人们希望特性曲线应当在全人们希望特性曲线应当在全量程上是连续的，曲线各处量程上是连续的，曲线各处斜率相等，即特性曲线呈直斜率相等，即特性曲线呈直线。线。二氧化钛二氧化钛- -五氧化二钒湿五氧化二钒湿敏器件的感湿特性曲线敏器件的感湿特性曲线灵敏度灵敏度湿度传感器斜率应适当，因为斜率过小，灵敏度斜率应适当，因为斜率过小，灵敏度降低；斜率过大，稳定性降低，这些降低；斜率过大，稳定性降低，这些都会给测量带来困难。都会给测量带来困难。湿度传感器 PIPI电容式湿度传感器湿度特
8、性图电容式湿度传感器湿度特性图 湿度传感器 PIPI电容式湿度变送器输出特性曲线电容式湿度变送器输出特性曲线 湿度传感器3 3） 灵敏度灵敏度定定义义：湿湿敏敏元元件件的的灵灵敏敏度度，就就其其物物理理含含义义而而言言，应应当当 反反映映相相对对于于环环境境湿湿度度的的变变化化，元元件件感感湿湿特特征征量量的的变变化化程度。程度。表示法：直线的斜率。表示法：直线的斜率。因因此此，它它应应当当是是湿湿致致元元件件的的感感湿湿特特性性曲曲线线斜斜率率。在在感感湿湿特特性性曲曲线线是是直直线线的的情情况况下下，用用直直线线的的斜斜率率来来表表示示湿湿敏元件的灵敏度是恰当而可行的。敏元件的灵敏度是恰当
9、而可行的。然然而而，大大多多数数湿湿敏敏元元件件的的感感湿湿特特性性曲曲线线是是非非线线性性的的在在不不同同的的相相对对湿湿度度范范围围内内曲曲线线具具有有不不同同的的斜斜率率。因因此此，这这就就造造成成用用湿湿敏敏元元件件感感湿湿特特性性曲曲线线的的斜斜率率来来表表示示灵灵敏敏度的困难。度的困难。湿度传感器普遍采用的灵敏度的方法普遍采用的灵敏度的方法目目前前，虽虽然然关关于于湿湿敏敏元元件件灵灵敏敏度度的的表表示示方方法法尚尚未未得得到到统统一一，但但较较为为普普遍遍采采用用的的方方法法是是用用元元件件在在不不同同环环境境湿湿度度下下的的感感湿湿特特征征量量之之比比来来表示灵敏度。表示灵敏度
10、。如如日日本本生生产产的的MgCrMgCr2 2O O4 4TiOTiO2 2湿湿敏敏元元件件的的灵灵敏敏度度，用用一一组组电电阻阻比比R R1%1%R R20%20%，R R1%1%R R40%40%，R R1%1%R R60%60%，R R1%1%R R80%80%及及R R1%1%R R100%100%表表示示，其其中中R R1%1%， R R20%20%， R R40%40%， R R60%60%，R R80%80%及及R R100%100% 分分别别为为相相对对湿湿度度在在1 1，2020，4040，6060，8080及及100100时时湿湿敏敏元元件件的电阻值之比。的电阻值之比。湿
11、度传感器4 4）湿度温度系数）湿度温度系数v湿敏元件的湿度温度系数是表示感湿特性曲线随环境湿敏元件的湿度温度系数是表示感湿特性曲线随环境温度而变化的特性参数。温度而变化的特性参数。v在不同的环境温度下，湿敏元件的感湿特性曲线是不在不同的环境温度下，湿敏元件的感湿特性曲线是不相同的，它直接给测量带来误差。相同的，它直接给测量带来误差。v湿敏元件的湿度温度系数定义为；在湿敏元件感湿特湿敏元件的湿度温度系数定义为；在湿敏元件感湿特征量恒定的条件下，该感湿特征量值所表示的环境相征量恒定的条件下，该感湿特征量值所表示的环境相对湿度随环境温度的变化率。对湿度随环境温度的变化率。v由湿敏元件的湿度温度系数值
12、，即可得知湿敏元件由由湿敏元件的湿度温度系数值，即可得知湿敏元件由于境环温度的变化所引起的测湿误差。于境环温度的变化所引起的测湿误差。湿度传感器 MgCr MgCr2 2O O4 4TiOTiO2 2 湿敏元件的温度特性湿敏元件的温度特性湿度传感器5 5）响应时间）响应时间响应时间反映湿敏元件在相对湿度变化时输响应时间反映湿敏元件在相对湿度变化时输出特征量随相对湿度变化的快慢程度。出特征量随相对湿度变化的快慢程度。一般规定：响应相对湿度变化量的一般规定：响应相对湿度变化量的63.263.2时时所需要的时间为响应时间。所需要的时间为响应时间。在标记时，应写明湿度变化区的起始与终止在标记时，应写明
13、湿度变化区的起始与终止状态。人们希望响应时间快一些为好状态。人们希望响应时间快一些为好。湿度传感器 K K2 2O O一一FeFe2 2O O3 3湿度敏感器件的响应特性曲线湿度敏感器件的响应特性曲线湿度传感器6 6）湿滞回线和湿滞回差）湿滞回线和湿滞回差各种湿敏元件吸湿和脱湿的响应时间各不各种湿敏元件吸湿和脱湿的响应时间各不相同，而且吸湿和脱湿的特性曲线也不相相同，而且吸湿和脱湿的特性曲线也不相同。一般总是脱湿比吸湿迟后，我们称这同。一般总是脱湿比吸湿迟后，我们称这一特性为湿滞现象。一特性为湿滞现象。湿度传感器MnMn3 3OO4 4- TiO- TiO2 2湿敏器件湿敏器件在在8080时的
14、湿滞回线时的湿滞回线v湿滞回线定义：湿滞现象可以用湿滞回线定义：湿滞现象可以用吸湿和脱湿特征曲线所构成的回吸湿和脱湿特征曲线所构成的回线来表示，我们称这一回线为湿线来表示，我们称这一回线为湿滞回线。滞回线。v湿滞回差定义：在湿滞回线上所湿滞回差定义：在湿滞回线上所表示的最大量差值为湿滞回差。表示的最大量差值为湿滞回差。v人们希望湿敏元件的湿滞回差越人们希望湿敏元件的湿滞回差越小越好。小越好。湿度传感器一个理想化的湿敏器件所应具备的性能参数：一个理想化的湿敏器件所应具备的性能参数：使用寿命使用寿命长，长期期稳定性好定性好灵敏度高，感湿特性曲灵敏度高，感湿特性曲线的的线性度好性度好使用范使用范围宽
15、，湿度温度系数小，湿度温度系数小响响应时间短短湿滞回差小湿滞回差小能在有害气氛的能在有害气氛的恶劣劣环境中使用境中使用器件的一致性和互器件的一致性和互换性好，易于批量生性好，易于批量生产器件感湿特征量器件感湿特征量应在易在易测范范围以内以内湿度传感器三、电解质系湿度传感器三、电解质系湿度传感器1. 1.无机电解质湿度传感器无机电解质湿度传感器氯化锂湿敏元件（典型）氯化锂湿敏元件（典型）光硬化树脂电解质湿敏元件光硬化树脂电解质湿敏元件 2.2.高分子电解质湿度传感器高分子电解质湿度传感器湿度传感器四、半导体及陶瓷湿度传感器四、半导体及陶瓷湿度传感器按其制作工艺分类：按其制作工艺分类：涂覆膜型涂覆膜型烧结体型烧结体型薄膜型薄膜型MOSMOS型型湿度传感器五、有机物及高分子聚合物湿度传感器五、有机物及高分子聚合物湿度传感器1、胀缩性有机物湿敏元件胀缩性有机物湿敏元件2 2、高分子聚合物薄膜湿敏元件、高分子聚合物薄膜湿敏元件湿度传感器
