第一节光纤传感器第二节气敏传感器第三节湿度传感器

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1、第一节 光纤传感器第二节 气敏传感器第三节 湿度传感器第六章 其他种类的传感器1 光纤传感器光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)是是2020世纪世纪7070年年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的用光作为敏感信息的载体载体，用光纤作为，用光纤作为传递敏感信息的媒质传递敏感信息的媒质。因此，它同时。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。具有

2、光纤及光学测量的特点。 电绝缘性能好。电绝缘性能好。 抗电磁干扰能力强。抗电磁干扰能力强。 非侵入性。非侵入性。 高灵敏度。高灵敏度。 容易实现对被测信号的远距离监控。容易实现对被测信号的远距离监控。光光纤纤传传感感器器可可测测量量位位移移、速速度度、加加速速度度、液液位位、应应变变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量第一节光纤传感器第一节光纤传感器2一、光导纤维导光的基本原理一、光导纤维导光的基本原理 光光是是一一种种电电磁磁波波, ,一一般般采采用用波波动动理理论论来来分分析析导导光光的的基基本本原原理理。然然而而根根据据光光学

3、学理理论论指指出出：在在尺尺寸寸远远大大于于波波长长而而折折射射率率变变化化缓缓慢慢的的空空间间, ,可可以以用用“光光线线”即即几几何何光光学学的的方方法法来来分分析析光光波波的的传传播播现现象象, ,这这对对于于光光纤纤中中的的多多模模光光纤纤是是完完全适用的。为此全适用的。为此, , 采用几何光学的方法来分析。采用几何光学的方法来分析。 1 1、斯乃尔定理、斯乃尔定理（Snells LawSnells Law）当光由光密物质当光由光密物质( (折射率大折射率大) )入射至光疏物质时发生折射，入射至光疏物质时发生折射，如图如图(a)(a)，其折射角大于入射角，即其折射角大于入射角，即n n

4、1 1n n2 2时，时，r ri i。 n1n2ri(a)光的折射示意图 可可见见，入入射射角角i增增大大时时，折折射射角角r也随之增大，且始终也随之增大，且始终ri。n1、n2、r、i之间的数学关系为之间的数学关系为 n1sini=n2sinr 3当当ii0并继续增大时，并继续增大时，r90 ，这时便发生全反射这时便发生全反射现象，如图现象，如图(c) ，其出射光不再折射而全部反射回来。其出射光不再折射而全部反射回来。式中：式中：i0临界角临界角i0=arcsin(n2/n1) sini0=n2/n1 sinrsin90 1n1n2ri(c)光全反射示意图n1n2ri(b)临界状态示意图当

5、当r=90 时时，i仍仍90，此此时时，出出射射光光线线沿沿界界面面传传播播如如图图（b），称为临界状态。这时有称为临界状态。这时有4 2 2、光纤结构、光纤结构分分析析光光纤纤导导光光原原理理，除除了了应应用用斯斯乃乃尔尔定定理理外外还还须须结结合合光光纤纤结结构构来来说说明明。光光纤纤呈呈圆圆柱柱形形，它它由由玻玻璃璃纤纤维维芯芯( (纤纤芯芯) )和玻璃包皮和玻璃包皮( (包层包层) )两个同心圆柱的双层结构组成。两个同心圆柱的双层结构组成。 纤纤芯芯位位于于光光纤纤的的中中心心部部位位，光光主主要要在在这这里里传传输输。纤纤心心折折射射率率n1比比包包层层折折射射率率n2稍稍大大些些两

6、两层层之之间间形形成成良良好好的光学界面，光线在这个界面上反射传播。的光学界面，光线在这个界面上反射传播。 2R2rn2n1nn2n1纤芯包层光纤结构5 3 3、光纤导光原理及数值孔径、光纤导光原理及数值孔径NANA入入射射光光线线AB与与纤纤维维轴轴线线OO相相交交角角为为i，入入射射后后折折射射( (折折射射角角为为j) )至至纤纤芯芯与与包包层层界界面面C点点，与与C点点界界面面法法线线DE成成k角，并由界面折射至包层，角，并由界面折射至包层，CK与与DE夹角为夹角为r。则。则n0sini=n1sinj n1sink=n2sinr sini=(n1/n0)sinj sink=(n2/n1

7、)sinr 因因j=90 k 所以所以 jikrABCDEFGKOOn0n2n1光纤导光示意图光纤导光示意图n0为入射光线为入射光线AB所在所在空间的折射率，一般为空间的折射率，一般为空气，故空气，故n1，nl为为纤芯折射率，纤芯折射率，n2为包层为包层折射率。当折射率。当n=1时时6上上式式sini0为为“数数值值孔孔径径” NA(NumericalAperture)。由于由于n1与与n2相差较小，即相差较小，即n1+n22n1,故又可因式分解为故又可因式分解为 =(n1-n2)/n1称为相对折射率称为相对折射率差差 当当r=90的临界状态时，的临界状态时，i=i0当当rNA，iarcsin

8、 NA，光线消失。光线消失。这这说说明明arcsinNA是是一一临临界界角角, ,凡凡入入射射角角iarcsinNA的的那那些些光光线线进进入入光光纤纤都都不不能能传传播播而而在在包包层层消消失失；相相反反, ,只只有有入入射角射角iarcsinNA的光线才可进入光纤被全反射传播的光线才可进入光纤被全反射传播 当当r=90时时当当r90时，光线发生全反射，则时，光线发生全反射，则sini0=NA i0=arcsin NAii0=arcsin NA7二、光纤传感器结构原理及分类二、光纤传感器结构原理及分类 1 1、光纤传感器结构原理、光纤传感器结构原理以以电电为为基基础础的的传传统统传传感感器器

9、是是一一种种把把测测量量的的状状态态转转变变为为可可测测的的电电信信号号的的装装置置。它它的的电电源源、敏敏感感元元件件、信信号号接接收收和和处处理理系系统统以以及及信信息息传传输输均均用用金金属属导导线线连连接接，见见图图(a)。光光纤纤传传感感器器则则是是一一种种把把被被测测量量的的状状态态转转变变为为可可测测的的光光信信号号的的装装置置。由由光光发发送送器器、敏敏感感元元件件(光光纤纤或或非非光光纤纤的的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图(b)。光纤信号处理光接收器敏感元件光发送器（b）光纤传感器信号处理电源信号接收敏感元件（a）传统传感

10、器导线由光发送器发出的光经源光由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。得到所期待的被测量。8可可见见, ,光光纤纤传传感感器器与与以以电电为为基基础础的的传传统统传传感感器器相相比比较较，在在测测量量原原理理上上有有本本质质的的差差别别。传传统统传传感感器器是是以以机机电电测测量量为基础，而光纤传感器则以为基础，而光纤传感器则以光学测量光学测量为基础。为

11、基础。 光光是是一一种种电电磁磁波波，其其波波长长从从极极远远红红外外的的lmm到到极极远远紫紫外外线线的的10nm。它它的的物物理理作作用用和和生生物物化化学学作作用用主主要要因因其其中中的的电电场场而而引引起起。因因此此，讨讨论论光光的的敏敏感感测测量量必必须须考考虑虑光光的电矢量的电矢量E的振动，即的振动，即A电场电场E的振幅矢量；的振幅矢量；光波的振动频率；光波的振动频率；光相位；光相位；t光的传播时间。光的传播时间。可可见见，只只要要使使光光的的强强度度、偏偏振振态态( (矢矢量量A的的方方向向) )、频频率率和和相相位位等等参参量量之之一一随随被被测测量量状状态态的的变变化化而而变

12、变化化，或或受受被被测测量量调调制制，那那么么，通通过过对对光光的的强强度度调调制制、偏偏振振调调制制、频频率率调调制制或或相相位位调调制制等等进进行行解解调调，获获得得所所需需要要的的被被测测量量的的信信息。息。 9传感器光学现象被测量光纤分类干涉型相位调制光线传感器干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应光弹效应干涉电流、磁场电场、电压角速度振动、压力、加速度、位移温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa非干涉型强度调制光纤温度传感器遮光板遮断光路半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收光纤漏泄膜温度、振动、压力、加速度

13、、位移温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移气体浓度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振调制光纤温度传感器法拉第效应泡克尔斯效应双折射变化光弹效应电流、磁场电场、电压、温度振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb频率调制光纤温度传感器多普勒效应受激喇曼散射光致发光速度、流速、振动、加速度气体浓度温度MMMMMMcbb注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型 2 2、光纤传感器的分类、光纤传感器的分类10 （1 1）根据光纤在传感器中的作用）根据光纤在传感器中的作用光纤传感器分为光纤传感器分为功能型功能型、非功能型非功能型和和拾

14、光型拾光型三大类。三大类。 1 1）功能型（全光纤型）光纤传感器）功能型（全光纤型）光纤传感器利利用用对对外外界界信信息息具具有有敏敏感感能能力力和和检检测测能能力力的的光光纤纤(或或特特殊殊光光纤纤)作作传传感感元元件件，将将“传传”和和“感感”合合为为一一体体的的传传感感器器。光光纤纤不不仅仅起起传传光光作作用用，而而且且还还利利用用光光纤纤在在外外界界因因素素(弯弯曲曲、相相变变)的的作作用用下下，其其光光学学特特性性(光光强强、相相位位、偏偏振振态态等等)的的变变化化来来实实现现“传传”和和“感感”的的功功能能。因因此此，传传感感器器中中光光纤纤是是连连续续的的。由由于于光光纤纤连连续

15、续，增增加加其其长长度度，可提高灵敏度。可提高灵敏度。信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器11 2 2）非功能型（或称传光型）光纤传感器）非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，只光纤仅起导光作用，只“传传”不不“感感”，对外界信息的，对外界信息的“感觉感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。度要求不太高的场合。信号处理光受信

16、器敏感元件光发送器光纤 3 3）拾拾光光型型光光纤纤传传感感器器 用用光光纤纤作作为为探探头头，接接收收由由被被测测对对象象辐辐射射的的光光或或被被其其反反射射、散散射射的的光光。其其典典型型例例子子如如光光纤纤激激光光多多普普勒勒速速度度计计、辐辐射射式式光光纤温度传感器等。纤温度传感器等。 信号处理光受信器光发送器光纤耦合器被测对象12 （2 2）根据光受被测对象的调制形式）根据光受被测对象的调制形式形式：形式：强度调制型强度调制型、偏振调制偏振调制、频率调制频率调制、相位调制相位调制。 1 1）强度调制型光纤传感器）强度调制型光纤传感器 是是一一种种利利用用被被测测对对象象的的变变化化引

17、引起起敏敏感感元元件件的的折折射射率率、吸吸收收或或反反射射等等参参数数的的变变化化，而而导导致致光光强强度度变变化化来来实实现现敏敏感感测测量量的的传传感感器器。有有利利用用光光纤纤的的微微弯弯损损耗耗；各各物物质质的的吸吸收收特特性性；振振动动膜膜或或液液晶晶的的反反射射光光强强度度的的变变化化；物物质质因因各各种种粒粒子子射射线线或或化化学学、机机械械的的激激励励而而发发光光的的现现象象；以以及及物物质质的的荧荧光光辐辐射射或或光光路路的的遮遮断断等等来来构构成成压压力力、振振动动、温温度度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。优点优点：结构简单、

18、容易实现，成本低。：结构简单、容易实现，成本低。缺点缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。13 2 2）偏振调制光纤传感器）偏振调制光纤传感器 是是一一种种利利用用光光偏偏振振态态变变化化来来传传递递被被测测对对象象信信息息的的传传感感器器。有有利利用用光光在在磁磁场场中中媒媒质质内内传传播播的的法法拉拉第第效效应应做做成成的的电电流流、磁磁场场传传感感器器；利利用用光光在在电电场场中中的的压压电电晶晶体体内内传传播播的的泡泡尔尔效效应应做做成成的的电电场场、电电压压传传感感器器；利利用用物物质质的的光光弹弹效效应应构构成成的的压压力力、振

19、振动动或或声声传传感感器器；以以及及利利用用光光纤纤的的双双折折射射性性构构成成温温度度、压压力力、振振动动等等传传感感器器。这这类类传传感感器器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。 3 3）频率调制光纤传感器）频率调制光纤传感器 是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化频率发生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的射光和散射光的多普勒效应多普勒效应的光纤速度、流速、振动、的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时

20、的压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散喇曼散射射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用以及利用光致发光光致发光的温度传感器等。的温度传感器等。 14 4 4）相位调制传感器）相位调制传感器 其其基基本本原原理理是是利利用用被被测测对对象象对对敏敏感感元元件件的的作作用用，使使敏敏感感元元件件的的折折射射率率或或传传播播常常数数发发生生变变化化，而而导导致致光光的的相相位位变变化化，使使两两束束单单色色光光所所产产生生的的干干涉涉条条纹纹发发生生变变化化，通通过过检检测测干干涉涉条条纹纹的的变变化化量量来来确确定定光光的的

21、相相位位变变化化量量，从从而而得得到到被被测测对对象象的的信信息息。通通常常有有利利用用光光弹弹效效应应的的声声、压压力力或或振振动动传传感感器器；利利用用磁磁致致伸伸缩缩效效应应的的电电流流、磁磁场场传传感感器器；利利用用电电致致伸伸缩缩的的电电场场、电电压压传传感感器器以以及及利利用用光光纤纤赛赛格格纳纳克克（Sagnac）效效应应的的旋旋转转角角速速度度传传感感器器（光光纤纤陀陀螺螺）等等。这这类类传传感感器器的的灵灵敏敏度度很很高高。但但由由于于须须用用特特殊殊光光纤纤及及高高精精度检测系统，因此成本高。度检测系统，因此成本高。 15三、光纤传感器的应用三、光纤传感器的应用 （一）温度

22、的检测（一）温度的检测 光纤温度传感器有功能型和传光型两种。光纤温度传感器有功能型和传光型两种。 1 1、遮光式光纤温度计、遮光式光纤温度计 下图为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度下图为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度开关。可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变开关。可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变 1234水银柱式光纤温度开关1浸液2自聚焦透镜3光纤4水银16 下下图图为为利利用用双双金金属属热热变变形形的的遮遮光光式式光光纤纤温温度度计计。当当温温度度升升高高时时，双双金金属属片片的的变变形形量量增增大大，带带动动遮遮光光板板在在垂垂直直方方向向产产生生位位移移从

23、从而而使使输输出出光光强强发发生生变变化化。这这种种形形式式的的光光纤纤温温度度计计能能测测量量1050的的温温度度。检检测测精精度度约约为为0.5。它它的的缺缺点点是是输输出出光光强强受受壳壳体体振振动动的的影影响响，且且响响应应时间较长，一般需几分钟。时间较长，一般需几分钟。 光源接收热双金属式光纤温度开关121遮光板2双金属片17 2 2、透射型半导体光纤温度传感器、透射型半导体光纤温度传感器 当当一一束束白白光光经经过过半半导导体体晶晶体体片片时时，低低于于某某个个特特定定波波长长g的的光光将将被被半半导导体体吸吸收收,而而高高于于该该波波长长的的光光将将透透过过半半导导体体。这这是是

24、由由于于半半导导体体的的本本征征吸吸收收引引起起的的,g称称为为半半导导体体的的本本征征吸吸收收波波长长。电电子子从从价价带带激激发发到到导导带带引引起起的的吸吸收收称称为为本本征征吸吸收收。当当一一定定波波长长的的光光照照射射到到半半导导体体上上时时,电电子子吸吸收收光光能能从从价价带带跃跃迁迁入入导导带带,显显然然,要要发发生生本本征征吸吸收收,光子能量必须大于半导体的禁带宽度光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，即即因因c/v，则产生本征吸收条件则产生本征吸收条件h 普朗克常数；普朗克常数；v 光频率光频率因因此此，对对于于波波长长大大于于g的的光光，能能透透过过半半导导体体，而而波波长

25、长小小于于g的的光光将将被被半半导导体体吸吸收收。不不同同种种类类的的半半导导体体材材料料具具有有不不同同的的本本征征吸吸收收波波长长，图图为为在在室室温温( (20)时时,120m厚厚的的GaAs材料的透射率曲线。材料的透射率曲线。 18由由图图看看出出，GaAs在在室室温温时时的的 本本 征征 吸吸 收收 波波 长长 约约 为为880nm左左右右，半半导导体体的的吸吸收收光光谱谱与与Eg有有关关，而而半半导导体体材材料料的的Eg随随温温度度的的不不同同而而不不同同，Eg与与温温度度t的的关关系系可表示为可表示为式中：式中：E Eg g（0 0）绝对零度时半导体的禁带宽度；绝对零度时半导体的

26、禁带宽度； 经验常数经验常数(eVeVK K)；经验常数经验常数(K)(K)。 850800900 950 1000010203040t=20波长/nmGaAs的光谱透射率曲线透射率(%)对于对于GaAs材料，由实验得到材料，由实验得到 =5.810-4eV/K =300K19由由此此可可见见，半半导导体体材材料料的的Eg随随温温度度上上升升而而减减小小，亦亦即即其其本本征征吸吸收收波波长长g随随温温度度上上升升而而增增大大。反反映映在在半半导导体体的的透透光光特特性性上上，即即当当温温度度升升高高时时，其其透透射射率率曲曲线线将将向向长长波波方方向向移移动动。若若采采用用发发射射光光谱谱与与

27、半半导导体体的的g(t)相相匹匹配配的的发发光光二二极极管管作作为为光光源源，如如图图，则则透透射射光光强强度度将将随随着着温温度度的升高而减小。的升高而减小。LED发光光谱半导体透射率T1T20P=0P0(a)传感器结构(b)探头截面结构(c)测量原理PI2I1I02(外圈)1(内圈)I1I0I2I1I0I2I1I0I23(输入)23可可见见，输输出出光光强强比比I2Il与与膜膜片片的的反反射射率率、光光源源强强度度等等因因素均无关，因而可有效地消除这些因素的影响。素均无关，因而可有效地消除这些因素的影响。 将将上上式式两两边边取取对对数数且且满满足足(Ap)21时时,等等式式右右边边展展开

28、开后后取第一项，得到取第一项，得到这这表表明明待待测测压压力力与与输输出出光光强强比比的的对对数数呈呈线线性性关关系系。因因此此，若若将将I1、I2检检出出后后分分别别经经对对数数放放大大后后，再再通通过过减减法法器器即即可得到线性的输出。可得到线性的输出。 若若选选用用的的光光纤纤束束中中每每根根光光纤纤的的芯芯径径为为70m,包包层层厚厚度度为为3.5m,纤纤芯芯和和包包层层折折射射率率分分别别为为1.52和和1.62, ,则则该该传传感感器器可可获获得得115dB的的动动态态范范围围, ,线线性性度度为为0.25。采采用用不不同同的尺寸、材料的膜片的尺寸、材料的膜片, ,即可获得不同的测

29、量范围。即可获得不同的测量范围。 两束输出光的光强之比为两束输出光的光强之比为A与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数；与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数；p待测量压力。待测量压力。24 2、光弹性式光纤压力传感器、光弹性式光纤压力传感器 晶晶体体在在受受压压后后其其折折射射率率发发生生变变化化，呈呈现现双双折折射射的的现现象象称称为为光光弹弹性性效效应应。利利用用光光弹弹性性效效应应测测量量压压力力的的原原理理及及传传感感器器结结构构如如图图。发发自自LED的的入入射射光光经经起起偏偏器器后后成成为为直直线线偏偏振振光光。当当有有与与入入射射光光偏偏振振方方向向呈呈4

30、5的的压压力力作作用用于于晶晶体体时时，使使晶晶体体呈呈双双折折射射从从而而使使出出射射光光成成为为椭椭圆圆偏偏振振光光，由由检检偏偏器器检检测测出出与与入入射射光光偏偏振振方方向向相相垂垂直直方方向向上上的的光光强强，即即可可测测出出压压力力的的变变化化。其其中中1/ /4波波长长板板用用于于提提供供一一偏偏置置，使系统获得最大灵敏度。使系统获得最大灵敏度。 (b)传感器结构12345P(a)检测原理P6789 10111光源2、8起偏器3、91/4波长板4、10光弹性元件5、11检偏器6光纤7自聚焦透镜偏振光偏振光线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光25 为为了了提提高高传传感感器器的的精

31、精度度和和稳稳定定性性，下下图图为为另另一一种种检检测测方方法法的的结结构构。输输出出光光用用偏偏振振分分光光镜镜分分别别检检测测出出两两个个相相互互垂垂直直方方向向的的偏偏振振分分量量；并并将将这这两两个个分分量量经经“差差和和”电电路路处处理理，即即可可得得到到与与光光源源强强度度及及光光纤纤损损耗耗无无关关的的输输出出。该该传传感感器器的的测测量量范范围围为为10103 3PaPa10106 6PaPa，精精度度为为11，理理论上分辨力可达论上分辨力可达1.4Pa1.4Pa。 这种结构的传感器在光弹性元件上加上质量块后，这种结构的传感器在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度

32、。也可用于测量振动、加速度。 输出前置放大前置放大I2I1I2+I1驱动123 4 56I1I2PD1PD2光弹性式光纤压力传感器的另一种结构1光纤2起偏器3光弹性元件41/4波长板5偏振分光镜6反射镜 p26 （三）液位、流量、流速的检测（三）液位、流量、流速的检测1、液位的检测技术、液位的检测技术 （1）球面光纤液位传感器）球面光纤液位传感器 12(a)探头结构(b)检测原理空气液体LEDPD光光由由光光纤纤的的一一端端导导入入,在在球球状状对对折折端端部部一一部部分分光光透透射射出出去去,而而另另一一部部分分光光反反射射回回来来,由由光光纤纤的的另另一一端端导导向向探探测测器器。反反射射

33、光光强强的的大大小小取取决决于于被被测测介介质质的的折折射射率率。被被测测介介质质的的折折射射率率与与光光纤纤折折射射率率越越接接近近,反反射射光光强强度度越越小小。显显然然,传传感感器器处处于于空空气气中中时时比比处处于于液液体体中中时时的的反反射射光光强强要要大大。因因此此,该该传传感感器器可可用用于于液液位位报报警警。若若以以探探头头在在空空气气中中时时的的反反射射光光强强度度为为基基准准，则则当当接接触触水水时时反反射射光光强强变变化化6dB7dB,接接 触触 油油 时时 变变 化化 25dB 30dB。27 （2）斜端面光纤液位传感器）斜端面光纤液位传感器 下下图图为为反反射射式式斜

34、斜端端面面光光纤纤液液位位传传感感器器的的两两种种结结构构。同同样样，当当传传感感器器接接触触液液面面时时，将将引引起起反反射射回回另另一一根根光光纤纤的的光光强强减减小小。这这种种形形式式的的探探头头在在空空气气中中和和水水中中时时，反反射射光强度差约在光强度差约在20dB以上。以上。 斜面反射式光纤液位传感器(a)123(b)1、2光纤3棱镜28 （3）单光纤液位传感器）单光纤液位传感器 单单光光纤纤液液位位传传感感器器的的结结构构如如图图，将将光光纤纤的的端端部部抛抛光光成成45 的的圆圆锥锥面面。当当光光纤纤处处于于空空气气中中时时，入入射射光光大大部部分分能能在在端端部部满满足足全全

35、反反射射条条件件而而返返回回光光纤纤。当当传传感感器器接接触触液液体体时时，由由于于液液体体的的折折射射率率比比空空气气大大，使使一一部部分分光光不不能能满满足足全全反反射射条条件件而而折折射射入入液液体体中中，返返回回光光纤纤的的光光强强就就减减小小。利利用用X形形耦耦合合器器即即可可构构成成具具有有两两个个探探头头的的液液位位报报警警传传感感器器。同同样样，若若在在不不同同的的高高度度安安装装多多个个探探头头，则则能能连连续续监监视液位的变化。视液位的变化。 单光纤液位传感器结构121光纤2耦合器29 上上述述探探头头在在接接触触液液面面时时能能快快速速响响应应，但但在在探探头头离离开开液

36、液体体时时，由由于于有有液液滴滴附附着着在在探探头头上上，故故不不能能立立即即响响应应。为为了了克克服服这这个个缺缺点点，可可将将探探头头的的结结构构作作一一些些改改变变，如如图图。将将光光纤纤端端部部的的尖尖顶顶略略微微磨磨平平，并并镀镀上上反反射射膜膜。这这样样，即即使使有有液液体体附附着着在在顶顶部部，也也不不影影响响输输出出跳跳变变。进进一一步步的的改改进进是是在在顶顶部部镀镀反反射射膜膜外外粘粘上上一一突突出出物物，将将附附着着的的液液体体导导引引向向突突出出物物的的下下端端。这这样样，可可以以保保证证探探头头在在离离开开液液位位时时也能快速地响应。也能快速地响应。 改进的光纤液位探

37、头30 2、流量、流速的检测、流量、流速的检测 （1）光纤涡街流量计）光纤涡街流量计 当当一一个个非非流流线线体体置置于于流流体体中中时时，在在某某些些条条件件下下会会在在液液流流的的下下游游产产生生有有规规律律的的旋旋涡涡。这这种种旋旋涡涡将将会会在在该该非非流流线线体体的的两两边边交交替替地地离离开开。当当每每个个旋旋涡涡产产生生并并泻泻下下时时，会会在在物物体体壁壁上上产产生生一一侧侧向向力力。这这样样，周周期期产产生生的的旋旋涡涡将将使使物物体体受受到到一一个个周周期期的的压压力力。若若物物体体具具有有弹弹性性，它它便便会会产产生振动，振动频率近似地与流速成正比。即生振动，振动频率近似

38、地与流速成正比。即 式中：式中：vv流体的流速；流体的流速； d d物体相对于液流方向的横向尺寸；物体相对于液流方向的横向尺寸； s s与流体有关的无量纲常数与流体有关的无量纲常数。 因因此此，通通过过检检测测物物体体的的振振动动频频率率便便可可测测出出流流体体的的流流速速。光光纤纤涡涡街街流流量量计计便便是是根根据据这这个个原原理理制制成成的的，其其结结构构如图。如图。 fsvd31纹稳定。当光纤振动时纹稳定。当光纤振动时, ,输出光斑亦发生移动。对于处于输出光斑亦发生移动。对于处于光斑中某个固定位置的小型探测器光斑中某个固定位置的小型探测器, ,光斑花纹的移动反映光斑花纹的移动反映为探测器

39、接收到的输出光强的变化。利用频谱分析为探测器接收到的输出光强的变化。利用频谱分析, ,即可即可测出光纤的振动频率。根据上式或实验标定得到流速值测出光纤的振动频率。根据上式或实验标定得到流速值, ,在管径尺寸已知的情况下，即可计算出流量。在管径尺寸已知的情况下，即可计算出流量。 光光纤纤涡涡街街流流量量计计特特点点：可可靠靠性性好好, ,无无任任何何可可动动部部分分和和联联接接环环节节, ,对对被被测测体体流流阻阻小小, ,基基本本不不影影响响流流速速。但但在在流流速速很很小时小时, ,光纤振动会消失光纤振动会消失, ,因此存在一定的测量下限。因此存在一定的测量下限。 在横贯流体管道的中间装在横

40、贯流体管道的中间装有一根绷紧的多模光纤，当流有一根绷紧的多模光纤，当流体流动时体流动时, ,光纤就发生振动光纤就发生振动, ,其其振动频率近似与流速成正比。振动频率近似与流速成正比。由于使用的是多模光纤由于使用的是多模光纤, ,故当光故当光源采用源采用相干光源相干光源( (如激光器如激光器) )时时, ,其输出光斑是模式间干涉的结其输出光斑是模式间干涉的结果。当光纤固定时果。当光纤固定时, ,输出光斑花输出光斑花光源频谱分析记录探测器123451夹具2密封胶3液体流管4光纤5张力载荷32 （2）光纤多普勒流速计）光纤多普勒流速计 下下图图为为利利用用光光纤纤多多普普勒勒计计来来测测量量流流体体

41、流流速速的的原原理理。当当待待测测流流体体为为气气体体时时，散散射射光光将将非非常常微微弱弱，此此时时可可采采用用大大功功率率的的Ar激激光光器器（出出射射光光功功率率为为2W，=514.5nm）以提高信噪比。以提高信噪比。特点：非接触测量，不影响待测物体的流动状态。特点：非接触测量，不影响待测物体的流动状态。 光纤多谱勒流量计结构探测器频谱分析仪He-Ne激光器123456781、3 分束器；分束器；2 反射镜；反射镜；4 透镜；透镜；5 流体管道；流体管道；6 窗口；窗口；7、8 光纤光纤33第二节第二节 气敏传感器气敏传感器 l接触燃烧式气敏元件l金属氧化物半导体气敏元件l氧化锆气敏元件

42、工作原理、主要类型及应用34一、接触燃烧式气体传感器一、接触燃烧式气体传感器 1 1、检测原理、检测原理 可可燃燃性性气气体体( (H2、CO、CH4等等) )与与空空气气中中的的氧氧接接触触，发发生生氧氧化化反反应应，产产生生反反应应热热( (无无焰焰接接触触燃燃烧烧热热) )，使使得得作作为为敏敏感感材材料料的的铂铂丝丝温温度度升升高高，电电阻阻值值相相应应增增大大。一一般般情情况况下下，空空气气中中可可燃燃性性气气体体的的浓浓度度都都不不太太高高( (低低于于10) )，可可燃燃性性气气体体可可以以完完全全燃燃烧烧，其其发发热热量量与与可可燃燃性性气气体体的的浓浓度度有有关关。空空气气中

43、中可可燃燃性性气气体体浓浓度度愈愈大大，氧氧化化反反应应( (燃燃烧烧) )产产生生的的反反应应热热量量( (燃燃烧烧热热) )愈愈多多，铂铂丝丝的的温温度度变变化化( (增增高高) )愈愈大大，其其电电阻阻值值增增加加的的就就越越多多。因因此此，只只要要测测定定作作为为敏敏感感件件的的铂铂丝丝的的电电阻阻变变化化值值(R) )，就就可可检检测测空空气气中中可可燃燃性性气气体体的的浓浓度度。但但是是，使使用用单单纯纯的的铂铂丝丝线线圈圈作作为为检检测测元元件件，其其寿寿命命较较短短，所所以以，实实际际应应用用的的检检测测元元件件，都都是是在在铂铂丝丝圈圈外外面面涂涂覆覆一一层层氧氧化化物物触触

44、媒媒。这这样样既既可可以以延延长长其其使使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。 35接接触触燃燃烧烧式式气气体体敏敏感感元元件件的的桥桥式式电电路路如如图图。图图中中F1是是检检测测元元件件；F2是是补补偿偿元元件件，其其作作用用是是补补偿偿可可燃燃性性气气体体接接触触燃燃烧烧以以外外的的环环境境温温度度、电电源源电电压压变变化化等等因因素素所所引引起起的的偏偏差差。工工作作时时，要要求求在在F1和和F2上上保保持持100mA200mA的的电电流流通通过过，以以供供可可燃燃性性气气体体在在检检测测元元件件F1上上发发生生氧氧化化反反应应( (接接触触燃燃

45、烧烧) )所所需需要要的的热热量量。当当检检测测元元件件F1与与可可燃燃性性气气体体接接触触时时，由由于于剧剧烈烈的的氧氧化化作作用用( (燃燃烧烧) )，释释放放出出热热量量，使使得得检检测测元元件件的的温温度度上上升升，电电阻阻值值相相应应增增大大，桥桥式式电电路路不不再平衡，在再平衡，在A、B间产生电位差间产生电位差E。 AF2F1MR1R2CBDW2W1E0因为RF很小，且RF1R1=RF2R236这样，在检测元件F1和补偿元件F2的电阻比RF2/RF1接近于1的范围内，A，B两点间的电位差E，近似地与RF成比例。在此，RF是由于可燃性气体接触燃烧所产生的温度变化(燃烧热)引起的，是与

46、接触燃烧热(可燃性气体氧化反应热)成比例的。即RF可用下式表示如果令则有检测元件的电阻温度系数；T由于可燃性气体接触燃烧所引起的检测元件的温度增加值；H可燃性气体接触燃烧的发热量； C检测元件的热容量； Q可燃性气体的燃烧热；m可燃性气体的浓度(Vol)；由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。37，C和和的的数数值值与与检检测测元元件件的的材材料料、形形状状、结结构构、表表面面处处理理方方法法等等因因素素有有关关。Q是是由由可可燃燃性性气气体体的的种种类类决决定定。因而，在一定条件下，都是确定的常数。则因而，在一定条件下，都是确定的常数。则A、B间间的的电电位位差差E，并并由由此此求求得得空空气

47、气中中可可燃燃性性气气体体的的浓浓度度。若若与与相相应应的的电电路路配配合合，就就能能在在空空气气中中当当可可燃燃性性气气体体达达到到一一定定浓浓度度时时，自自动动发发出出报报警警信信号号，其其感感应应特特性性曲曲线线如图。如图。接触燃烧式气敏元件的感应特性00.20.40.60.81.050100150输出电压/mV丙烷乙醇异丁烷丙酮环己烷气体浓度(XLEL)E=kmb即即A、B两点间的电位差与可燃性气体的浓度两点间的电位差与可燃性气体的浓度m成比例。成比例。如果在如果在A、B两点间连接电流计或电压计，就可以两点间连接电流计或电压计，就可以测得测得38 2 2、接触燃烧式气敏元件的结构、接触

48、燃烧式气敏元件的结构 用用高高纯纯的的铂铂丝丝, ,绕绕制制成成线线圈圈, ,为为了了使使线线圈圈具具有有适适当当的的阻阻值值( (12),),一一般般应应绕绕10圈圈以以上上。在在线线圈圈外外面面涂涂以以氧氧化化铝铝或或氧氧化化铝铝和和氧氧化化硅硅组组成成的的膏膏状状涂涂覆覆层层, ,干干燥燥后后在在一一定定温温度度下下烧烧结结成成球球状状多多孔孔体体。将将烧烧结结后后的的小小球球, ,放放在在贵贵金金属属铂铂、钯钯等等的的盐盐溶溶液液中中, ,充充分分浸浸渍渍后后取取出出烘烘干干。然然后后经经过过高高温温热热处处理理, ,使使在在氧氧化化铝铝( (氧氧化化铝铝一一氧氧化化硅硅) )载载体体

49、上上形形成成贵贵金金属属触触媒媒层层, ,最最后后组组装装成成气气体体敏敏感感元元件件。除除此此之之外外, ,也也可可以以将将贵贵金金属属触触媒媒粉粉体体与与氧氧化化铝铝、氧氧化化硅硅等等载载体体充充分分混混合合后后配配成成膏膏状状, ,涂涂覆覆在在铂铂丝丝绕绕成成的的线线圈圈上上, ,直直接接烧烧成成后后备备用用。另另外外，作作为为补补偿偿元元件件的的铂铂线线圈圈, ,其其尺尺寸寸、阻阻值值均均应应与与检检测测元元件件相相同同。并并且且, ,也也应应涂涂覆覆氧氧化化铝铝或或者者氧氧化化硅硅载载体体层层, ,只只是是无无须须浸浸渍渍贵贵金金属属盐盐溶溶液液或或者者混混入入贵贵金金属触媒粉体属触

50、媒粉体, ,形成触媒层而已。形成触媒层而已。 39触媒Al2O3载体Pt丝元件(0.8-2)mm(b)敏感元件外形图接触燃烧式气敏元件结构示意图(a)元件的内部示意图40二、半导体气体传感器二、半导体气体传感器气气体体敏敏感感元元件件，大大多多是是以以金金属属氧氧化化物物半半导导体体为为基基础础材材料料。当当被被测测气气体体在在该该半半导导体体表表面面吸吸附附后后，引引起起其其电电学学特特性性( (例例如如电电导导率率) )发发生生变变化化。目目前前流流行行的的定定性性模模型型是是：原原子子价控制模型价控制模型、表面电荷层模型表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型晶粒间界势垒模型。1 1、半导体气敏

51、元件的特性参数、半导体气敏元件的特性参数 （1 1）气敏元件的电阻值）气敏元件的电阻值 将将电电阻阻型型气气敏敏元元件件在在常常温温下下洁洁净净空空气气中中的的电电阻阻值值，称称为为气气敏敏元元件件(电电阻阻型型)的的固固有有电电阻阻值值，表表示示为为。一一般般其其固有电阻值在固有电阻值在(10103 310105 5)范围。范围。测测定定固固有有电电阻阻值值时时, 要要求求必必须须在在洁洁净净空空气气环环境境中中进进行行。由由于于经经济济地地理理环环境境的的差差异异，各各地地区区空空气气中中含含有有的的气气体体成成分分差差别别较较大大，即即使使对对于于同同一一气气敏敏元元件件，在在温温度度相

52、相同同的的条条件件下下，在在不不同同地地区区进进行行测测定定，其其固固有有电电阻阻值值也也都都将将出现差别。因此，必须在洁净的空气环境中进行测量。出现差别。因此，必须在洁净的空气环境中进行测量。41（2）气敏元件的灵敏度）气敏元件的灵敏度是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表示气体敏感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）示气体敏感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）与被测气体浓度之间的依从关系。表示方法有三种与被测气体浓度之间的依从关系。表示方法有三种 （a a）电阻比灵敏度电阻比灵敏度K K（b b）气体分离度气体分离度R R

53、C1C1气敏元件在浓度为气敏元件在浓度为CcCc的被测气体中的阻值：的被测气体中的阻值： R R2 2气敏元件在浓度为气敏元件在浓度为C2C2的被测气体中的阻值。的被测气体中的阻值。通常，通常，C C1 1C C2 2。（c c）输出电压比灵敏度输出电压比灵敏度K KV VV Va a: :气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；V Vg g: :气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出 Ra气敏元件在洁净空气中的电阻值；Rg气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值42

54、（4）气敏元件的响应时间）气敏元件的响应时间表表示示在在工工作作温温度度下下，气气敏敏元元件件对对被被测测气气体体的的响响应应速速度度。一一般般从从气气敏敏元元件件与与一一定定浓浓度度的的被被测测气气体体接接触触时时开开始始计计时时，直直到到气气敏敏元元件件的的阻阻值值达达到到在在此此浓浓度度下下的的稳稳定定电电阻阻值值的的63时时为为止止，所所需需时时间间称称为为气气敏敏元元件件在在此此浓浓度度下下的的被被测测气气体中的响应时间，通常用符号体中的响应时间，通常用符号tr表示。表示。 （3）气敏元件的分辨率）气敏元件的分辨率表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气表示气敏元件对被测气体

55、的识别（选择）以及对干扰气体的抑制能力。气敏元件分辨率体的抑制能力。气敏元件分辨率S表示为表示为Va气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压；气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压；Vg气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压Vgi气敏元件在气敏元件在i种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压43（5 5）气敏元件的加热电阻和加热功率）气敏元件的加热电阻和加热功率 气气敏敏元元件件一一般般工工作作在在200200以以上上高高温温。为为气气敏敏元元件件提提供供必必要要工工

56、作作温温度度的的加加热热电电路路的的电电阻阻( (指指加加热热器器的的电电阻阻值值) )称称为为加加热热电电阻阻，用用R RH H表表示示。直直热热式式的的加加热热电电阻阻值值一一般般小小于于55；旁旁热热式式的的加加热热电电阻阻大大于于2020。气气敏敏元元件件正正常常工工作作所所需需的的加加热热电电路路功功率率，称称为为加加热热功功率率，用用表表示示。一般在一般在(0.5(0.52.0)2.0)W范围。范围。 （6）气敏元件的恢复时间）气敏元件的恢复时间表示在工作温度下表示在工作温度下,被测气体由该元件上解吸的速度被测气体由该元件上解吸的速度,一一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时般从气敏

57、元件脱离被测气体时开始计时,直到其阻值恢复直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值的到在洁净空气中阻值的63时所需时间。时所需时间。44（7）初期稳定时间）初期稳定时间 长期在非工作状态下存放的气敏元件长期在非工作状态下存放的气敏元件, ,因表面吸附空因表面吸附空气中的水分或者其他气体气中的水分或者其他气体, ,导致其表面状态的变化，在加导致其表面状态的变化，在加上电负荷后上电负荷后, ,随着元件温度的升高随着元件温度的升高, ,发生解吸现象发生解吸现象。因此因此, ,使气敏元件恢复正常工作状态使气敏元件恢复正常工作状态, ,需要一定的时间需要一定的时间, ,称为气称为气敏元件的初期稳定时间敏元件的初

58、期稳定时间。一般电阻型气敏元件一般电阻型气敏元件, ,在刚通电在刚通电的瞬间的瞬间, ,其电阻值将下降其电阻值将下降, ,然后再上升然后再上升, ,最后达到稳定最后达到稳定。由由开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间, ,称为初期称为初期稳定时间稳定时间。初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数态的函数。存放时间越长存放时间越长, ,其初期稳定时间也越长其初期稳定时间也越长。在一在一般条件下般条件下, ,气敏元件存放两周以后气敏元件存放两周以后, ,其初期稳定时间即可其初期稳定时间即可达最大值达最大值。 45

59、2 2、烧结型、烧结型SnOSnO2 2气敏元件气敏元件SnO2系系列列气气敏敏元元件件有有烧烧结结型型、薄薄膜膜型型和和厚厚膜膜型型三三种种。烧烧结型应用最广泛性。结型应用最广泛性。其敏感体用粒径很小其敏感体用粒径很小( (平均粒径平均粒径m) )的的SnO2粉体为粉体为基本材料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为基本材料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为原料。主要用于检测原料。主要用于检测可燃的还原性可燃的还原性气体，其工作温度约气体，其工作温度约300。根据加热方式，分为。根据加热方式，分为直接加热式直接加热式和和旁热式旁热式两种两种。（1）直接加热式）直接加热式SnO2气敏元

60、件气敏元件(直热式气敏元件直热式气敏元件)内热式气敏器件结构及符号1234SnO2烧结体加热极兼电极(a)结构4321(b)符号由芯片由芯片( (敏感体和加热器敏感体和加热器) )，基，基座和金属防爆网罩三部分组成。座和金属防爆网罩三部分组成。因其热容量小、稳定性差，测因其热容量小、稳定性差，测量电路与加热电路间易相量电路与加热电路间易相互干互干扰，加热器与扰，加热器与SnO2基体间由基体间由于热膨胀系数的差异而导致接于热膨胀系数的差异而导致接触不良，造成元件的失效，现触不良，造成元件的失效，现已很少使用。已很少使用。46（2）旁热式）旁热式SnO2气敏元件气敏元件加热器电阻值一般为3040电

61、极加热器瓷绝缘管旁热式气敏器件结构及符号SnO2烧结体123456（a）结构（b）符号7100目不锈钢网18.412312345674545气敏元件外形和引出线分布47三、氧化锆氧气传感器三、氧化锆氧气传感器 固固体体电电解解质质是是具具有有离离子子导导电电性性能能的的固固体体物物质质。一一般般认认为为，固固体体物物质质( (金金属属或或半半导导体体) )中中，作作为为载载流流子子传传导导电电流流的的是是正正、负负离离子子。可可是是，在在固固体体电电解解质质中中，作作为为载载流流子子传传导导电电流流的的，却却主主要要是是离离子子。二二氧氧化化锆锆（ZrO2）在在高高温下温下( (但尚远未达到熔

62、融的温度但尚远未达到熔融的温度) )具有具有氧离子传导性氧离子传导性。 纯纯净净的的二二氧氧化化锆锆在在常常温温下下属属于于单单斜斜晶晶系系，随随着着温温度度的的升升高高，发发生生相相转转变变。在在1100下下，为为正正方方晶晶系系，2500下下，为为立立方方晶晶系系，2700下下熔熔融融，在在熔熔融融二二氧氧化化锆锆中中添添加加氧氧化化钙钙、三三氧氧化化二二钇钇、氧氧化化镁镁等等杂杂质质后后，成成为为稳稳定定的的正正方方晶晶型型，具具有有莹莹石石结结构构，称称为为稳稳定定化化二二氧氧化化锆锆。并并且且由由于于杂杂质质的的加加入入，在在二二氧氧化化锆锆晶晶格格中中产产生生氧氧空空位位，其其浓浓

63、度度随随杂杂质质的的种种类类和和添添加加量量而而改改变变，其其离离子子电电导导性性也也随杂质的种类和数量而变化。随杂质的种类和数量而变化。 48在在二二氧氧化化锆锆中中添添加加氧氧化化钙钙、三三氧氧化化二二钇钇等等添添加加物物后后,其其离离子子电电导导都都将将发发生生改改变变。尤尤其其是是在在氧氧化化钙钙添添加加量量为为1515molmol左左右右时时,离离子子电电导导出出现现极极大大值值。但但是是，由由于于二二氧氧化化锆锆一一氧氧化化钙钙固固溶溶体体的的离离子子活活性性较较低低，要要在在高高温温下下，气气敏敏元元件件才才有有足足够够的的灵灵敏敏度度。添添加加三三氧氧化化二二钇钇的的ZrOZr

64、O2 2Y Y2 2O O3 3固固溶溶体体，离离子子活活性性较较高高，在在较较低低的的温温度度下下，其其离离子子电电导导都都较较大大，如如图图。因因此此，通通常常都都用用这这种种材材料料制制作作固固定定电电解解质质氧氧敏敏元元件件。添添加加Y2O3的的ZrO2固固体体电电解解质质材材料，称为料，称为YSZ材料。材料。51015201234Yb2O3Y2O3CaO氧化物添加量/%molZrO2中杂质含量与电导关系离子电导lg/-1cm-149ZrO2系固体电解质的离子电导与温度关系56008001000120010-110-210-310-4123467t /离子电导/-1cm-11添加8%m

65、olYb2O3；2ZrO0.92SC2O30.04Yb2O30.043ZrO2；4添加10%molY2O3；5添加13%molCaO6添加15%molY2O3；7添加10%molCeO50四、气体传感器的应用四、气体传感器的应用 分为检测、报警、监控等几种类型。分为检测、报警、监控等几种类型。1 1、电源电路、电源电路 一般气敏元件的工作电压不高一般气敏元件的工作电压不高( (3V10V) )，其工作其工作电压，特别是供给加热的电压，必须稳定。否则，将导电压，特别是供给加热的电压，必须稳定。否则，将导致加热器的温度变化幅度过大，使气敏元件的工作点漂致加热器的温度变化幅度过大，使气敏元件的工作点

66、漂移，影响检测准确性。移，影响检测准确性。2 2、辅助电路、辅助电路 由于气敏元件自身的特性由于气敏元件自身的特性( (温度系数、湿度系数、温度系数、湿度系数、初期稳定性等初期稳定性等) )，在设计、制作应用电路时，应予以考，在设计、制作应用电路时，应予以考虑。如采用温度补偿电路，减少气敏元件的温度系数引虑。如采用温度补偿电路，减少气敏元件的温度系数引起的误差；设置延时电路，防止通电初期，因气敏元件起的误差；设置延时电路，防止通电初期，因气敏元件阻值大幅度变化造成误报；使用加热器失效通知电路，阻值大幅度变化造成误报；使用加热器失效通知电路，防止加热器失效导致漏报现象。下防止加热器失效导致漏报现

67、象。下图是一温度补偿电路图是一温度补偿电路51当环境温度降低时，当环境温度降低时，则负温度热敏电阻则负温度热敏电阻(R(R5 5) )的阻值增大，的阻值增大，使相应的输出电压使相应的输出电压得到补偿。得到补偿。BZU气敏传感器氖管蜂鸣器NTC电阻WR1R2R3R4R5R6SCR右右图图为为正正温温度度系系数数热热敏敏电电阻阻(R2)的的延延时时电电路路。刚刚通通电电时时，其其电电阻阻值值也也小小，电电流流大大部部分分经经热热敏敏电电阻阻回回到到变变压压器器，蜂蜂鸣鸣器器( (BZ) )不不发发出出报报警警。当当通通电电12min后后，阻阻值值急急剧剧增增大大，通通过过蜂蜂鸣鸣器器的的电电流流增

68、增大大，电电路路进进入入正常的工作状态。正常的工作状态。 BZ气敏传感器PTC电阻R2R1R3R4BCRUB蜂鸣器氖管523 3、检测工作电路、检测工作电路 这是气敏元件应用电路的主体部分。 下图是设有串联蜂鸣器的应用电路。随着环境中可燃性气体浓度的增加，气敏元件的阻值下降到一定值后，流入蜂鸣器的电流，足以推动其工作而发出报警信号。 220VBZ氖管家用可燃性气体报警器电路气敏传感器蜂鸣器BR53 下图是差分式可燃性气体检测仪电路原理图。下图是差分式可燃性气体检测仪电路原理图。 在在此此电电路路中中，BG1、BG2的的参参数数应应力力求求一一致致，最最好好选选用用差差分分对对管管。采采用用这这

69、种种差差分分电电路路，检检测测气气体体的的灵灵敏敏度度可达可达100 106。 K1W11W31W41W21R3R2BG1BG2R4R5K23V6VA差分式可燃性气体检测仪电路R1RQ54下图是家用煤气下图是家用煤气(CO)安全报警电路。安全报警电路。一一部部分分是是煤煤气气报报警警器器，在在煤煤气气浓浓度度达达到到危危险险界界限限前前发发生生警警报报；另另一一部部分分是是开开放放式式负负离离子子发发生生器器，其其作作用用是是自自动动产产生生空空气气负负离离子子，使使煤煤气气中中主主要要有有害害成成分分一一氧氧化化碳碳与与空空气气负负离离子中的臭氧子中的臭氧(O3)反应，生成对人体无害的二氧化

70、碳。反应，生成对人体无害的二氧化碳。IC1IC2JBG3220VKJ1R10R12R11R1R2R3R4BG1BG2C1C2C3C4R5R6R7R8R13R9D1D2D3D4D5DwW1W2C7C5C6MT2MT13CTS3RQABLED62 13748521387B1B2D7煤气安全报警器原理图55第三节湿度传感器第三节湿度传感器精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所，气象预精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所，气象预报、医疗卫生、食品加工等行业都有广泛的应用。报、医疗卫生、食品加工等行业都有广泛的应用。湿度传感器依据使用材料分类：湿度传感器依据使用材料分类：电电解解质质型型：以以氯氯

71、化化锂锂为为例例，它它在在绝绝缘缘基基板板上上制制作作一一对对电电极极，涂涂上上氯氯化化锂锂盐盐胶胶膜膜。氯氯化化锂锂极极易易潮潮解解，并并产产生生离离子子导电，随湿度升高而电阻减小。导电，随湿度升高而电阻减小。陶陶瓷瓷型型：一一般般以以金金属属氧氧化化物物为为原原料料，通通过过陶陶瓷瓷工工艺艺，制制成成一一种种多多孔孔陶陶瓷瓷。利利用用多多孔孔陶陶瓷瓷的的阻阻值值对对空空气气中中水水蒸蒸气气的敏感特性而制成。的敏感特性而制成。高高分分子子型型：先先在在玻玻璃璃等等绝绝缘缘基基板板上上蒸蒸发发梳梳状状电电极极,通通过过浸浸渍渍或或涂涂覆覆,使使其其在在基基板板上上附附着着一一层层有有机机高高分

72、分子子感感湿湿膜膜。有有机高分子的材料种类也很多机高分子的材料种类也很多,工作原理也各不相同。工作原理也各不相同。单晶半导体型单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成。制成二极管湿敏器件和艺制成。制成二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件湿度敏感器件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。 56一、湿度表示法一、湿度表示法 空空气气中中含含有有水水蒸蒸气气的的量量称称为为湿湿度度，含含有有水水蒸蒸气气的的空空气气是是一一种种混混合合气气体体。主主要要有有质质量量百百分分比比和和体体积积百百分分比比、相相

73、对湿度和绝对湿度、露点（霜点）等表示法。对湿度和绝对湿度、露点（霜点）等表示法。 1 1、质量百分比和体积百分比、质量百分比和体积百分比 质质量量为为M的的混混合合气气体体中中，若若含含水水蒸蒸气气的的质质量量为为m，则则质量百分比为质量百分比为vV100这两种方法统称为水蒸气百分含量法。这两种方法统称为水蒸气百分含量法。mM100在体积为在体积为V的混合气体中，若含水蒸气的体积为的混合气体中，若含水蒸气的体积为v，则则体积百分比为体积百分比为57 2 2、相对湿度和绝对湿度、相对湿度和绝对湿度 水水蒸蒸气气压压是是指指在在一一定定的的温温度度条条件件下下，混混合合气气体体中中存存在在的的水水

74、蒸蒸气气分分压压(p)。而而饱饱和和蒸蒸气气压压是是指指在在同同一一温温度度下下，混混合合气气体体中中所所含含水水蒸蒸气气压压的的最最大大值值(ps)。温温度度越越高高，饱饱和和水水蒸蒸气气压压越越大大。在在某某一一温温度度下下，其其水水蒸蒸气气压压同同饱饱和和蒸蒸气压的百分比，称为相对湿度气压的百分比，称为相对湿度绝绝对对湿湿度度表表示示单单位位体体积积内内，空空气气里里所所含含水水蒸蒸气气的的质质量量，其定义为其定义为m待测空气中水蒸气质量；待测空气中水蒸气质量；V待测空气的总体积；待测空气的总体积；v待测空气的绝对湿度。待测空气的绝对湿度。如如果果把把待待测测空空气气看看作作是是由由水水

75、蒸蒸气气和和干干燥燥空空气气组组成成的的二二元元理理想想混混合合气气体体，根根据据道道尔尔顿顿分分压压定定律律和和理理想想气气体体状状态态方方程，可得出：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。58 3 3、露（霜）点、露（霜）点水的饱和蒸气压随温度的降低而逐渐下降。在同样的空气水的饱和蒸气压随温度的降低而逐渐下降。在同样的空气水蒸气压下，温度越低，则空气的水蒸气压下，温度越低，则空气的水蒸气压水蒸气压与同温度下水与同温度下水的的饱和蒸气压饱和蒸气压差值越小。当空气温度下降到某一温度时，差值越小。当空气温度下降到某一温度时，空气中的水蒸气压

76、与同温度下水的饱和水蒸气压相等。此空气中的水蒸气压与同温度下水的饱和水蒸气压相等。此时，空气中的水蒸气将向液相转化而凝结成时，空气中的水蒸气将向液相转化而凝结成露珠露珠，相对湿，相对湿度为度为100RH。该温度，该温度，5010203040-1001020304050温 度/10%RH露 点/90%RH80%RH70%RH60%RH50%RH40%RH20%RH30%RH称为空气的称为空气的露点温度露点温度，简称露点。如果这一温简称露点。如果这一温度低于度低于0时，水蒸气时，水蒸气将结霜将结霜，又称为又称为霜点温霜点温度度。两者统称为露点。两者统称为露点。空气中水蒸气压越小，空气中水蒸气压越小

77、，露点越低，因而可用露露点越低，因而可用露点表示空气中的湿度。点表示空气中的湿度。59二、湿度传感器的主要参数二、湿度传感器的主要参数 1 1、湿度量程、湿度量程指指湿湿度度传传感感器器技技术术规规范范中中所所规规定定的的感感湿湿范范围围。全全湿湿度度范范围围用用相相对对湿湿度度(0100)RH表表示示，它它是是湿湿度度传传感感器器工作性能的一项重要指标。工作性能的一项重要指标。 2 2、感湿特征量、感湿特征量相对湿度特性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，每种湿度传感器都有其感湿特征量，如电阻、电容等，通常用电阻比较多。以电阻为例，在规定的工作湿度范通常用电阻比较多。

78、以电阻为例，在规定的工作湿度范围内，湿度传感器的电阻值随环境湿度变化的关系特性围内，湿度传感器的电阻值随环境湿度变化的关系特性曲线，简称曲线，简称阻湿特性阻湿特性。有的湿度传感器的电阻值随湿度。有的湿度传感器的电阻值随湿度的增加而增大，这种为的增加而增大，这种为正特性湿敏电阻器正特性湿敏电阻器，如，如Fe3O4湿湿敏电阻器。有的阻值随着湿度的增加而减小，这种为敏电阻器。有的阻值随着湿度的增加而减小，这种为负负特性湿敏电阻器特性湿敏电阻器，如，如TiO2SnO2陶瓷湿敏电阻器。对于陶瓷湿敏电阻器。对于这种湿敏电阻器，低湿时阻值不能太高，否则不利于和这种湿敏电阻器，低湿时阻值不能太高，否则不利于和

79、测量系统或控制仪表相连接。测量系统或控制仪表相连接。60 3 3、感湿灵敏度、感湿灵敏度简简称称灵灵敏敏度度，又又叫叫湿湿度度系系数数。其其定定义义是是在在某某一一相相对对湿湿度度范范围围内内，相相对对湿湿度度改改变变1RH时时，湿湿度度传传感感器器电电参参量量的的变化值或百分率。变化值或百分率。 各种不同的湿度传感器，对灵敏度的要求各不相同，各种不同的湿度传感器，对灵敏度的要求各不相同，对于低湿型或高湿型的湿度传感器，它们的量程较窄，对于低湿型或高湿型的湿度传感器，它们的量程较窄，要求灵敏度要很高。但对于全湿型湿度传感器，并非灵要求灵敏度要很高。但对于全湿型湿度传感器，并非灵敏度越大越好，因

80、为电阻值的动态范围很宽，给配制二敏度越大越好，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。次仪表带来不利，所以灵敏度的大小要适当。 61 4 4、特征量温度系数、特征量温度系数反反映映湿湿度度传传感感器器在在感感湿湿特特征征量量相相对对湿湿度度特特性性曲曲线线随随环环境境温温度度而而变变化化的的特特性性。感感湿湿特特征征量量随随环环境境温温度度的的变变化化越小，环境温度变化所引起的相对湿度的误差就越小。越小，环境温度变化所引起的相对湿度的误差就越小。在在环环境境温温度度保保持持恒恒定定时时，湿湿度度传传感感器器特特征征量量的的相相对对变变化化量与对应的温度变化量之

81、比，称为量与对应的温度变化量之比，称为特征量温度系数特征量温度系数。T温度温度25与另一规定环境温度之差；与另一规定环境温度之差；R1( (C1)温度温度25时湿度传感器的电阻值时湿度传感器的电阻值( (或电容值或电容值) )；R2( (C2)另一规定环境温度时湿度传感器的电阻值另一规定环境温度时湿度传感器的电阻值( (或电容值或电容值) )。 电容温度系数电容温度系数(%/)=电阻温度系数电阻温度系数(%/)=62 5 5、感湿温度系数、感湿温度系数反反映映湿湿度度传传感感器器温温度度特特性性的的一一个个比比较较直直观观、实实用用的的物物理理量量。它它表表示示在在两两个个规规定定的的温温度度

82、下下，湿湿度度传传感感器器的的电电阻阻值值(或或电电容容值值)达达到到相相等等时时，其其对对应应的的相相对对湿湿度度之之差差与与两两个个规规定定的的温温度度变变化化量量之之比比，称称为为感感湿湿温温度度系系数数。或或环环境境温温度度每每变变化化1时时，所所引引起起的的湿湿度度传传感感器器的的湿湿度度误误差差。感感湿温度系数湿温度系数 T温度温度25与另一规定环境温度之差；与另一规定环境温度之差；H1温温度度25时时湿湿度度传传感感器器某某一一电电阻阻值值(或或电电容容值值)对对应的相对湿度值；应的相对湿度值； H2另另一一规规定定环环境境温温度度下下湿湿度度传传感感器器另另一一电电阻阻值值(或

83、或电容值电容值)对应的相对湿度。对应的相对湿度。下图为感湿温度系数示意图。下图为感湿温度系数示意图。 (%RH/)=63相对湿度/%H1H2H2感湿温度系数示意图相对湿度/%H1H2H2RCT2T2T2T22525(a)电阻型(b)电 容型64 6 6、响应时间、响应时间在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的电参量达到稳态变化量的规定比例所需要的时间。一般电参量达到稳态变化量的规定比例所需要的时间。一般是以相应的起始和终止这一相对湿度变化区间的是以相应的起始和终止这一相对湿度变化区间的63作作为相对湿度变化所需要的时间，也称时间常数，它

84、是反为相对湿度变化所需要的时间，也称时间常数，它是反映湿度传感器相对湿度发生变化时，其反应速度的快慢。映湿度传感器相对湿度发生变化时，其反应速度的快慢。单位是单位是s。也有规定从起始到终止也有规定从起始到终止90的相对湿度变化作的相对湿度变化作为响应时间的。响应时间又分为为响应时间的。响应时间又分为吸湿响应时间吸湿响应时间和和脱湿响脱湿响应时间应时间。大多数湿度传感器都是脱湿响应时间大于吸湿。大多数湿度传感器都是脱湿响应时间大于吸湿响应时间，一般以脱湿响应时间作为湿度传感器的响应响应时间，一般以脱湿响应时间作为湿度传感器的响应时间。时间。 65 7 7、电压特性、电压特性当当用用湿湿度度传传感

85、感器器测测量量湿湿度度时时，所所加加的的测测试试电电压压，不不能能用用直直流流电电压压。这这是是由由于于加加直直流流电电压压引引起起感感湿湿体体内内水水分分子子的的电电解解，致致使使电电导导率率随随时时间间的的增增加加而而下下降降，故故测测试试电电压压采用交流电压。采用交流电压。右图表示湿度传感器的电阻右图表示湿度传感器的电阻与外加交流电压之间的关系。与外加交流电压之间的关系。可见，测试电压小于可见，测试电压小于5V时，时，电压对阻电压对阻湿特性没有影湿特性没有影响。但交流电压大于响。但交流电压大于15V时，时，由于产生焦耳热，对湿度传由于产生焦耳热，对湿度传感器的阻感器的阻湿特性产生了湿特性

86、产生了较大影响，因而一般湿度传较大影响，因而一般湿度传感的使用电压都小于感的使用电压都小于10V。LgR /0123456578420 100Hz11%RH33%RH75%RH100%RHU/V66电阻频率特性20 5V11%RH33%RH100%RHLgf / Hz0123456578475%RHLgR / 8 8、频率特性、频率特性湿度传感器的阻值与外加测试电压频率的关系，如图。湿度传感器的阻值与外加测试电压频率的关系，如图。在高湿时，频率对阻值的影响很小，当低湿高频时，随在高湿时，频率对阻值的影响很小，当低湿高频时，随着频率的增加，阻值下降。对这种湿度传感器，在各种着频率的增加，阻值下降

87、。对这种湿度传感器，在各种湿度下，当测试频率小于湿度下，当测试频率小于103Hz时，阻值不随使用频率时，阻值不随使用频率而变化，故该湿度传感器使用频率的上限为而变化，故该湿度传感器使用频率的上限为103Hz。湿湿度传感器的使用频率上限由实验确定。直流电压会引起度传感器的使用频率上限由实验确定。直流电压会引起水分子的电解，因此，测试电压频率也不能太低。水分子的电解，因此，测试电压频率也不能太低。 67三、电解质湿度传感器三、电解质湿度传感器电解质是以离子形式导电的物质，分为电解质是以离子形式导电的物质，分为固体电解质固体电解质和和液液体电解质体电解质。若物质溶于水中，在极性水分子作用下，能。若物

88、质溶于水中，在极性水分子作用下，能全部或部分地离解为自由移动的正、负离子，称为液体全部或部分地离解为自由移动的正、负离子，称为液体电解质。电解质溶液的电导率与溶液的浓度有关，而溶电解质。电解质溶液的电导率与溶液的浓度有关，而溶液的浓度，在一定的温度下又是环境相对湿度的函数。液的浓度，在一定的温度下又是环境相对湿度的函数。 氯化锂湿度传感器的结构ABB钯丝A涂有聚苯乙烯薄膜的圆筒电解质氯化锂湿度传感器最为典型电解质氯化锂湿度传感器最为典型03060900.010.1110R/108相对湿度/%1.0%LiCl2.2%LiCl0.5%LiCl0.25%LiClPVAC氯化锂湿度传感器的阻湿特性组合

89、式氯化锂的阻湿特性030 60 900.010.1110相对湿度/%R/108把不同感湿范围的单片湿把不同感湿范围的单片湿度传感器组合起来度传感器组合起来, ,可制成可制成相对湿度工作量程为相对湿度工作量程为2090RH的湿度传感器的湿度传感器68四、陶瓷湿度传感器四、陶瓷湿度传感器利用半导体陶瓷材料制成的陶瓷湿度传感器。具有许多利用半导体陶瓷材料制成的陶瓷湿度传感器。具有许多优点：测湿范围宽，可实现全湿范围内的湿度测量；工优点：测湿范围宽，可实现全湿范围内的湿度测量；工作温度高，常温湿度传感器的工作温度在作温度高，常温湿度传感器的工作温度在150150以下，而以下，而高温湿度传感器的工作温度

90、可达高温湿度传感器的工作温度可达800800，响应时间较短，响应时间较短，精度高，抗污染能力强，工艺简单，成本低廉。精度高，抗污染能力强，工艺简单，成本低廉。 典典型型产产品品是是烧烧结结型型陶陶瓷瓷湿湿敏敏元元件件是是MgCr2O4TiO2系系。此此 外外 ， 还还 有有 TiO2-V2O5系系 、 ZnO Li2O V2O5系系 、ZnCr2O4系系、ZrO2MgO系系、Fe3O4系系、Ta2O5系系等等。这这类类湿湿度度传传感感器器的的感感湿湿特特征征量量大大多多数数为为电电阻阻。除除Fe3O4外外，都都为为负负特特性性湿湿度度传传感感器器，即即随随着着环环境境相相对对湿湿度度的的增增加

91、加，阻阻值值下下降降。也也有有少少数数陶陶瓷瓷湿湿度度传传感感器器，它它的的感感湿湿特特性性量量为为电容。电容。 69 1 1、结构、结构该湿度传感器的感湿体是该湿度传感器的感湿体是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。系多孔陶瓷。这种多孔陶瓷的气孔大部分为粒间气孔这种多孔陶瓷的气孔大部分为粒间气孔, ,气孔直径随气孔直径随TiO2添加量的增加而增大。粒间气孔与颗粒大小无关添加量的增加而增大。粒间气孔与颗粒大小无关, , 相当相当于一种开口毛细管于一种开口毛细管, ,容易吸附水分。材料的主晶相是容易吸附水分。材料的主晶相是MgCr2O4相相, ,此外此外, ,还有还有TiO2相相等等, ,感湿体

92、是一个多晶多感湿体是一个多晶多相的混合物。相的混合物。陶瓷湿敏元件结构图护圈电极感湿陶瓷氧化钌电极加热器基板电极引线70 2 2、主要特性与性能、主要特性与性能 （1 1）电阻一湿度特性）电阻一湿度特性 MgCr2O4TiO2系陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特系陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特性，随着相对湿度的增加，电阻值急骤下降，基本按指性，随着相对湿度的增加，电阻值急骤下降，基本按指数规律下降。在单对数的坐标中，电阻数规律下降。在单对数的坐标中，电阻湿度特性近似湿度特性近似呈线性关系。当相对湿度由呈线性关系。当相对湿度由0变为变为100RH时，阻值从时，阻值从107下降到下降到104，即变化了三个

93、数量级。即变化了三个数量级。20406080100103104105106107108相对湿度/%R/71 （2 2）电阻）电阻温度特性温度特性是在不同的温度环境下，测量陶瓷湿度传感器的电阻是在不同的温度环境下，测量陶瓷湿度传感器的电阻湿度特性。从图可见，从湿度特性。从图可见，从20到到80各条曲线的变化规各条曲线的变化规律基本一致，具有负温度系数，其感湿负温度系数为律基本一致，具有负温度系数，其感湿负温度系数为0.38RH。如果要求精确的湿度测量，需要对湿度如果要求精确的湿度测量，需要对湿度传感器进行温度补偿。传感器进行温度补偿。 20406080100103104105106107108相

94、对湿度/%20406080R/MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的电阻温度特性72MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的时间响应特性20406080100010203094%RH50%RH1%RH50%RHt /s%RH （3 3）响应时间）响应时间 响应时间特性如图。根据响应时间的规定，从图中响应时间特性如图。根据响应时间的规定，从图中可知，响应时间小于可知，响应时间小于10s。73（4 4）稳定性）稳定性制制成成的的MgCr2O4-TiO2系系陶陶瓷瓷类类湿湿度度传传感感器器，需需要要实实验验：高高温温负负荷荷实实验验(大大气气中中，温温度度150，交交流流电电压压5V，时时间间104h

95、)；高高温温高高湿湿负负荷荷试试验验(湿湿度度大大于于95RH，温温度度60，交交流流电电压压5V，时时间间104h)；常常温温常常湿湿试试验验湿湿度度(1090)RH，温温度度(1040)；油油气气循循环环试试验验(油油蒸蒸气气加加热热清清洗洗循循环环25万万次次，交交流流电电压压5V)。经经过过以以上上各各种种试试验验，大大多多数数陶陶瓷瓷湿湿度度传传感感器器仍仍能能可可靠靠地地工工作作，说说明稳定性比较好。明稳定性比较好。 74五、高分子湿度传感器五、高分子湿度传感器用有机高分子材料制成的湿度传感器，主要是利用其吸用有机高分子材料制成的湿度传感器，主要是利用其吸湿性与胀缩性。某些高分子电

96、介质吸湿后，湿性与胀缩性。某些高分子电介质吸湿后，介电常数介电常数明明显改变，制成了电容式湿度传感器；某些高分子电解质显改变，制成了电容式湿度传感器；某些高分子电解质吸湿后，吸湿后，电阻电阻明显变化，制成了电阻式湿度传感器；利明显变化，制成了电阻式湿度传感器；利用胀缩性高分子（如树脂）材料和导电粒子，在吸湿之用胀缩性高分子（如树脂）材料和导电粒子，在吸湿之后的后的开关特性开关特性，制成了结露传感器。，制成了结露传感器。 （一）电容式湿度传感器（一）电容式湿度传感器 1 1、结构、结构高分子薄膜电介质电容式湿高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的基本结构。度传感器的基本结构。高分子薄膜上部电极下部电

97、极75 2 2、感湿机理与性能、感湿机理与性能 电电容容式式高高分分子子湿湿度度传传感感器器，其其上上部部多多孔孔质质的的金金电电极极可可使使水水分分子子透透过过，水水的的介介电电系系数数比比较较大大，室室温温时时约约为为79。感感湿湿高高分分子子材材料料的的介介电电常常数数并并不不大大，当当水水分分子子被被高高分分子子薄薄膜膜吸吸附附时时，介介电电常常数数发发生生变变化化。随随着着环环境境湿湿度度的的提提高高，高高分分子子薄薄膜膜吸吸附附的的水水分分子子增增多多，因因而而湿湿度度传传感感器器的的电电容容量量增增加加所所以以根根据据电容量的变化可测得相对湿度。电容量的变化可测得相对湿度。76（

98、2 2）响应特性）响应特性由由于于高高分分子子薄薄膜膜可可以以做做得得极极薄薄，所所以以吸吸湿湿响响应应时时间间都都很很短，一般都小于短，一般都小于5s，有的响应时间仅为有的响应时间仅为1s。（3 3）电容一温度特性电容一温度特性电电容容式式高高分分子子膜膜湿湿度度传传感感器器的的感感湿湿特特性性受受温温度度影影响响非非常常小小，在在550范范围围内内,电电容容温温度度系系数数约约为为0.06RH/ 相对湿度/%050100200250300350电容湿度特性C/pF（f=1.5MHZ）（1 1）电容）电容湿度特性湿度特性其电容随着环境温度的增加而增加其电容随着环境温度的增加而增加, ,基本上

99、呈线性关系。当测试频率为基本上呈线性关系。当测试频率为l.5MHzl.5MHz左右时左右时, ,其输出特性有良好的其输出特性有良好的线性度。对其它测试频率线性度。对其它测试频率, ,如如1kHz1kHz、10kHz10kHz，尽管传感器的电容量变化很尽管传感器的电容量变化很大大, ,但线性度欠佳。可外接转换电路但线性度欠佳。可外接转换电路, ,使电容使电容湿度特性趋于理想直线。湿度特性趋于理想直线。 77 （二）电阻式高分子膜湿度传感器（二）电阻式高分子膜湿度传感器1、结构 聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的结构。引线端感湿膜聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的结构梳状电极基片78 2 2、主要特性、主要特性

100、（1 1）电阻）电阻湿度特性湿度特性 当当环环境境湿湿度度变变化化时时，传传感感器器在在吸吸湿湿和和脱脱湿湿两两种种情情况况的的感感湿湿特特性性曲曲线线，如如图图。在在整整个个湿湿度度范范围围内内，传传感感器器均均有有感感湿湿特特性性，其其阻阻值值与与相相对对湿湿度度的的关关系系在在单单对对数数坐坐标标纸纸上上近近似似为为一一直直线线。吸吸湿湿和和脱脱湿湿时时湿湿度度指指示示的的最最大大误误差差值值为为(34)RH。1K30405060708090吸湿10K100K1M10M相对湿度/%R/脱湿3%RH电阻湿度特性79 （2 2）温度特性）温度特性聚苯乙烯磺酸锂的电导率随温度的变化较为明显，具

101、有聚苯乙烯磺酸锂的电导率随温度的变化较为明显，具有负温度系数。在负温度系数。在( (055)时，温度系数为时，温度系数为(0.61. .0) )RH/。 0402010460801005010102103聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的湿度特性聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的湿度特性2540R/相对湿度/%80 （3 3）其它特性）其它特性 聚聚苯苯乙乙烯烯磺磺酸酸锂锂湿湿度度传传感感器器的的升升湿湿响响应应时时间间比比较较快快，降降湿湿响响应应时时间间比比较较慢慢，响响应应时时间间在在一一分分钟钟之之内内。湿湿滞滞比比较较小小，在在(12)RH之之间间。这这种种湿湿度度传传感感器器具具有有良良好好的的稳

102、稳定定性性。存存储储一一年年后后，其其最最大大变变化化不不超超过过2RH，完完全可以满足器件稳定性的要求。全可以满足器件稳定性的要求。 高分子薄膜湿度传感器的缺点是：对于含有机溶媒高分子薄膜湿度传感器的缺点是：对于含有机溶媒气体的环境下测湿时，器件易损坏；另外不能用于气体的环境下测湿时，器件易损坏；另外不能用于80以上的高温。以上的高温。 81六、湿度传感器的测量电路六、湿度传感器的测量电路 （一）检测电路的选择（一）检测电路的选择 1、电源选择一切电阻式湿度传感器都必须使用交流电源，否则性能会劣化甚至失效。电解质湿度传感器的电导是靠离子的移动实现的，在直流电源作用下，正、负离子必然向电源两极

103、运动，产生电解作用，使感湿层变薄甚至被破坏；在交流电源作用下，正负离子往返运动，不会产生电解作用，感湿膜不会被破坏。 交流电源的频率选择是，在不产生正、负离子定向积累情况下尽可能低一些。在高频情况下，测试引线的容抗明显下降，会把湿敏电阻短路。另外，湿敏膜在高频下也会产生集肤效应，阻值发生变化，影响到测湿灵敏度和准确性。822 2温度补偿温度补偿湿湿度度传传感感器器具具有有正正或或负负的的温温度度系系数数，其其温温度度系系数数大大小小不不一，工作温区有宽有窄。所以要考虑温度补偿问题。一，工作温区有宽有窄。所以要考虑温度补偿问题。 对对于于半半导导体体陶陶瓷瓷传传感感器器，其其电电阻阻与与温温度度

104、的的的的关关系系一一般般为指数函数关系，通常其温度关系属于为指数函数关系，通常其温度关系属于NTC型，即型，即 H：相对湿度；相对湿度； T：绝对温度；绝对温度；R0：在：在T=0相对湿度相对湿度H=0时的阻值；时的阻值；A：湿度常数；湿度常数；B：温度常数。温度常数。温度系数湿度系数湿度温度系数若传感器的湿度温度系数为若传感器的湿度温度系数为0.07RH/，工作温度差为工作温度差为30，测量误差为，测量误差为0.21RH/，则不必考虑温度补偿；则不必考虑温度补偿；若湿度温度系数为若湿度温度系数为0.4RH/，则引起则引起12RH/的误差的误差, ,必须进行温度补偿。必须进行温度补偿。 83

105、3 3线性化线性化 湿度传感器的感湿特征量与相对湿度之间的关系不湿度传感器的感湿特征量与相对湿度之间的关系不是线性的，这给湿度的测量、控制和补偿带来了困难。是线性的，这给湿度的测量、控制和补偿带来了困难。需要通过一种变换使感湿特征量与相对湿度之间的关系需要通过一种变换使感湿特征量与相对湿度之间的关系线性化。下图为湿度传感器测量电路原理框图。线性化。下图为湿度传感器测量电路原理框图。 A2A1A3A4A5A6+_湿敏元件R1R2R3R4R5R6RTUSCC1C2C3W湿度传感器测量电路原理框图D1振荡器放大电路传感器驱动电路整流电路对数温补电路84（二）典型电路（二）典型电路电阻式湿度传感器，其

106、测量电路主要有两种形式电阻式湿度传感器，其测量电路主要有两种形式:1电桥电路振振荡荡器器对对电电路路提提供供交交流流电电源源。电电桥桥的的一一臂臂为为湿湿度度传传感感器器，由由于于湿湿度度变变化化使使湿湿度度传传感感器器的的阻阻值值发发生生变变化化，于于是是电电桥桥失失去去平平衡衡，产产生生信信号号输输出出，放放大大器器可可把把不不平平衡衡信信号号加加以以放放大大，整整流流器器将将交交流流信信号号变变成成直直流流信信号号，由由直直流流毫毫安安表表显显示示。振振荡荡器器和和放放大大器器都都由由9V直直流流电电源源供供给给。电电桥桥法法适适合于氯化锂湿度传感器。合于氯化锂湿度传感器。振荡器电桥放大

107、器桥式整流电表指示直流电源9V湿度传感器电桥测湿电路框图85100k传感器湿度3AX3 210k100k63DG62k2k2.2k9V10F10F20F10F20F3k2U10F51k51k100mA便携式湿度计的实际电路便携式湿度计的实际电路86 2 2欧姆定律电路欧姆定律电路 此此电电路路适适用用于于可可以以流流经经较较大大电电流流的的陶陶瓷瓷湿湿度度传传感感器器。由由于于测测湿湿电电路路可可以以获获得得较较强强信信号号，故故可可以以省省去去电电桥桥和和放放大大器器，可可以以用用市市电电作作为为电电源源，只只要要用用降降压压变变压压器器即即可可。其电路图如图。其电路图如图。 欧姆定律电路2

108、20V22k51k3V2AP94输入Rd插口0.05F287 3 3带温度补偿的湿度测量电路带温度补偿的湿度测量电路 在在实实际际应应用用中中，需需要要同同时时考考虑虑对对湿湿度度传传感感器器进进行行线线性性处处理理和和温温度度补补偿偿，常常常常采采用用运运算算放放大大器器构构成成湿湿度度测测量量电电路路。下下图图为为湿湿度度测测量量电电路路中中Rt是是热热敏敏电电阻阻器器( (20k，B=4100K) )；RH为为H204C湿湿度度传传感感器器，运运算算放放大大器器型型号号为为LM2904。该该电电路路的的湿湿度度电电压压特特性性及及温温度度特特性性表表明明：在在( (3090) )RH、1535范范围围内内，输输出出电电压压表表示示的湿度误差不超过的湿度误差不超过3RH。_+_+1V120HZ51k91k22k91kRH+12V-12VD20F47k100k100k330kUOUT-VSRtA2A188