1、第15章湿度传感器一、湿度表示法空气中含有水蒸气的量称为 湿度 ，含有水蒸气的空气是一种混合气体。主要有质量百分比和体积百分比、相对湿度和绝对湿度、露点（霜点）等表示法。1、质量百分比和体积百分比质量为 M的混合气体中，若含水蒸气的质量为 m，则质量百分比为v V 100这两种方法统称为水蒸气百分含量法。m M 100在体积为 V的混合气体中，若含水蒸气的体积为 v，则体积百分比为15.1湿度及湿度传感器2、相对湿度和绝对湿度水蒸气压 是指在一定的温度条件下，混合气体中存在的水蒸气分压 (p)。饱和水蒸气压 是指在同一温度下，混合气体中所含水蒸气压的最大值 (ps)。温度越高，饱和水蒸气压越大
2、。在某一温度下，其水蒸气压同饱和蒸气压的百分比，称为 相对湿度 。%100=sppRHVmv=m待测空气中水蒸气质量；V待测空气的总体积；v待测空气的绝对湿度。 绝对湿度 表示单位体积内，空气里所含水蒸气的质量，其定义为二、湿度传感器的主要参数1、湿度量程指湿度传感器技术规范中所规定的感湿范围。全湿度范围用 相对湿度(0100)RH 表示，它是湿度传感器工作性能的一项重要指标。2、感湿特征量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，通常用电阻比较多。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曲线，简称 阻湿特性 。有的湿度传感器的电阻值随湿
3、度的增加而增大，这种为 正特性湿敏电阻器 ，如Fe3O4湿敏电阻器。有的阻值随着湿度的增加而减小，这种为负特性湿敏电阻器 ，如TiO2SnO2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，否则不利于和测量系统或控制仪表相连接。53、感湿灵敏度简称灵敏度，又叫湿度系数。其定义是在某一相对湿度范围内， 相对湿度改变 1 RH时，湿度传感器电参量的变化值或百分率。各种不同的湿度传感器，对灵敏度的要求各不相同，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。
4、4、特征量温度系数反映湿度传感器在感湿特征量相对湿度特性曲线随环境温度而变化的特性。感湿特征量随环境温度的变化越小，环境温度变化所引起的相对湿度的误差就越小。在环境温度保持恒定时，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100121TRRR100121TCCC T温度 25与另一规定环境温度之差；R1(C1)温度 25时湿度传感器的电阻值 (或电容值 )；R2(C2)另一规定环境温度时湿度传感器的电阻值 (或电容值 )。电容温度系数 (%/ )=电阻温度系数 (%/ )=75、感湿温度系数反映湿度传感器温度特性的一个比较直观、实用的物理量。它表示在两个规定的温度
5、下，湿度传感器的电阻值(或电容值)达到相等时，其对应的相对湿度之差与两个规定的温度变化量之比，称为感湿温度系数。或环境温度每变化1时，所引起的湿度传感器的湿度误差。感湿温度系数T温度25与另一规定环境温度之差；H1温度25时湿度传感器某一电阻值(或电容值)对应的相对湿度值；H2另一规定环境温度下湿度传感器另一电阻值(或电容值)对应的相对湿度。THH21(%RH/ )=6、湿滞现象脱湿比吸湿迟后的现象。吸湿和脱湿特性曲线所构成的回线为湿滞回线。97、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
6、的 63 作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。单位是 s。也有规定从起始到终止 90的相对湿度变化作为响应时间的。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，一般以脱湿响应时间作为湿度传感器的响应时间。108、电压特性当用湿度传感器测量湿度时，所加的测试电压，不能用直流电压。这是由于加直流 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，故测试电压采用交流电压。右图表示湿度传感器的电阻与外加交流电压之间的关系。可见，测试电压小于5V时，电压对阻湿特性没有影响。
7、但交流电压大于15V时，由于产生焦耳热，对湿度传感器的阻湿特性产生了较大影响，因而一般湿度传感的使用电压都小于10V。Lg R /0 123456578420 100Hz11% RH33% RH75% RH100% RHU/V二、湿度传感器水是一种极强的电解质。水分子有较大的电偶极矩，在氢原子附近有极大的正电场，因而它有很大的电子亲和力，使得水分子易吸附在固体表面并渗透到固体内部。利用水分子这一特性制成的湿度传感器称为水分子亲和力型传感器。而把与水分子亲和力无关的湿度传感器称为非水分子亲和力型传感器。在现代工业上使用的湿度传感器大多是水分子亲和力型传感器，它们将湿度的变化转换为阻抗或电容值的变
8、化后输出。湿度传感器分类湿度传感器分类13电解质型 ：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小。陶瓷型 ：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。高分子型 ：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极 ,通过浸渍或涂覆 ,使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜。有机高分子的材料种类也很多 ,工作原理也各不相同。单晶半导体型 ：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 MOSFET湿度敏感器件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。1415.2 电解
9、质湿度传感器电解质是以离子形式导电的物质，分为 固体电解质 和液体电解质 。若物质溶于水中，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。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0 30 60 900.010.1110R/108相对湿度 /% 1.0 % LiCl 2.2%LiCl 0.5% LiCl 0.25% LiCl PVAC氯化锂湿度传感器的阻 湿特性组合式氯化锂的阻 湿特性0 30 60 900.010.1110相对
10、湿度 /%R/108把不同感湿范围的单片湿度传感器组合起来,可制成相对湿度工作量程为 20 90 RH的湿度传感器1515.3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150以下，而高温湿度传感器的工作温度可达 800，响应时间较短，精度高，抗污染能力强，工艺简单，成本低廉。典型产品是烧结型陶瓷湿敏元件是 MgCr2O4 TiO2系。此外，还有 TiO2-V2O5系、 ZnO Li2O V2O5系、ZnCr2O4系、 ZrO2 MgO系、 Fe3O4系、 Ta2O5系等。这类湿度传感器的感湿
11、特征量大多数为电阻。除 Fe3O4外，都为负特性湿度传感器，即随着环境相对湿度的增加，阻值下降。也有少数陶瓷湿度传感器，它的感湿特性量为电容。161、结构该湿度传感器的感湿体是 MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。这种多孔陶瓷的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。粒间气孔与颗粒大小无关,相当于一种开口毛细管,容易吸附水分。材料的主晶相是 MgCr2O4相 ,此外,还有 TiO2相 等,感湿体是一个多晶多相的混合物。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172、主要特性与性能（1）电阻一湿度特性MgCr2O4 TiO2系陶瓷湿度传感器的电阻一湿
12、度特性，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 湿度特性近似呈线性关系。当相对湿度由 0变为 100 RH时，阻值从 107下降到 104，即变化了三个数量级。20 40 60 80 100103104105106107108相对湿度 /%R/18（2）电阻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 湿度特性。从图可见，从 20到 80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 0.38 RH。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。20 40 60 80 100103104105106107108相对湿度
13、/%20406080R/MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的电阻 温度特性19MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的时间响应特性204060801000 10 20 3094%RH 50%RH1%RH 50%RHt /s%RH（3）响应时间响应时间特性如图。根据响应时间的规定，从图中可知，响应时间小于 10s。2015.4高分子湿度传感器用有机高分子材料制成的湿度传感器，主要是利用其吸湿性与胀缩性。某些高分子电介质吸湿后， 介电常数 明显改变，制成了电容式湿度传感器；某些高分子电解质吸湿后， 电阻 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，在吸湿之后的 开关
14、特性 ，制成了结露传感器。（一）电容式湿度传感器1、结构高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的基本结构。高分子薄膜 上部电极 下部电极212、感湿机理与性能电容式高分子湿度传感器，其上部多孔质的金电极可使水分子透过，水的介电系 数比较大，室温时约为 79。感湿高分子材料的介电常数并不大，当水分子被高分子薄膜 吸附时， 介电常数 发生变化。随着环境湿度的提高，高分子薄膜吸附的水分子增多，因 而湿度传感器的 电容量增加 所以根据电容量的变化可测得相对湿度。22（2）响应特性由于高分子薄膜可以做得 极薄，所以吸湿响应时间都很短，一般都小于 5s，有的响应时间仅为 1s。（3）电容一温度特性电容式高分子膜
15、湿度传感器的感湿特性受温度影响非常小，在5 50范围内 ,电容温度系数约为 0.06 RH/相对湿度 /%0 50 100200250300350电容 湿度特性C/pF（ f=1.5MHZ）（1）电容湿度特性其电容随着环境温度的增加而增加,基本上呈线性关系。当测试频率为l.5MHz左右时,其输出特性有良好的线性度。对其它测试频率,如1kHz、10kHz，尽管传感器的电容量变化很大,但线性度欠佳。可外接转换电路,使电容 湿度特性趋于理想直线。23（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242、主要特性（1）电阻湿
16、度特性当环境湿度变化时，传感器在吸 湿和脱湿两种情况的感湿特性曲线，如图。在整个湿度范围内，传感器均有感湿特性，其阻值与相对湿度的关系在单对数坐标纸上近似为一直线。吸湿和脱湿时湿度指示的最大误差值为(3 4) RH。1K30 40 50 60 708090吸湿10K100K1M10M相对湿度 /%R/脱湿 3%RH电阻 湿度特性25（2）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，具有负温度系数。在( 0 55)时，温度系数为( 0.6 1.0) RH/。0 402010460 80 1005010102103聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的湿度特性2540R/相对湿度/%26（3）其它特性
17、聚苯乙烯磺酸锂湿 度传感器的升湿响应时间比较快，降湿响应时间比较慢，响应 时间在一分钟之内。湿滞比较小，在 (1 2 )RH之间。这种湿度传感器具有良好的稳定性。存储 一年后，其最大变化不超过 2RH，完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。15.6 湿度传感器的应用一、湿度传感器的选择1 选择测量范围2、选择测量精度3、考虑时漂和温漂二、湿度传感器的应用注意事项(1) 电源选择湿敏电阻必须工作于交流回路中，若用直流供电，会引起多孔陶瓷表面结构改变，湿敏特性变劣。采用交流电源频率过高，将由于元件的附
18、加容抗而影响测湿灵敏度和准确性， 因此应以不产生正、负离子积聚为原则， 使电源频率尽可能低。对离子导电型湿敏元件，电源频率应大于 50 Hz，一般以 1000 Hz为宜。对电子导电型，电源频率应低于 50 Hz。 (2) 线性化一般湿敏元件的特性均为非线性， 为便于测量，应将其线性化。(3) 温度补偿通常氧化物半导体陶瓷湿敏电阻湿度温度系数为0.1 0.3，故在测湿精度要求高的情况下必须进行温度补偿。 (4) 测湿范围电阻式湿敏元件在温度超过 95 RH时， 湿敏膜因湿润溶解， 厚度会发生变化， 若反复结露与潮解，特性会变坏而不能复原。 电容式传感器在 80 RH以上高湿及 100 RH以上结露或潮解状态下， 也难以检测。 另外， 切勿将湿敏电容直接浸入水中或长期用于结露状态， 也不要用手摸或嘴吹其表面。毛发湿度计 电容式湿度传感器电容式湿度传感器电容式湿度传感器 电容式湿度传感器干湿球湿度计三、产品
