湿度传感器环境湿度测量实验指导书模板.docx

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湿度传感器环境湿度测量实验指导书

湿度传感器环境湿度测量实验指导书

一.实验目的

    经过本实验了解和掌握湿度传感器测量湿度的基本原理和方法。

二.传感器简介

    湿度一般是指大气中所含的水蒸气量。

湿度传感器是用以感受大气湿度并变换成适当电信号输出的传感器。

    湿度有两种常见的表示方法,即绝对湿度和相对湿度。

绝对湿度是指一定空间中水蒸气的绝对含量,可用kg/m3表示。

绝对湿度也可称为水汽浓度或水汽密度。

    绝对湿度也可用水的蒸气压来表示。

设空气的水汽密度为ρv,与之相对应的水蒸气分压为Pv,则根据理想气体状态方程有如下关系:

式中:

M--水汽的摩尔质量;

      R--摩尔气体常数;

      T--绝对温度。

    相对湿度为某一被测蒸气压与相同温度下的饱和蒸气压的比值的百分数,常见"％RH"表示。

这是一个无量纲的值。

绝对湿度给出了水分在空间的具体含量,相对湿度则给出大气的潮湿程度,故使用更加广泛。

式中:

Pv--待测空气水蒸气分压, Pw--待测空气温度T同温时水的饱和水汽压。

    利用湿度传感器能够将湿度值转化为电信号。

湿度传感器主要组成部分为湿度敏感器件。

湿度敏感器件是基于其功能材料能发生与湿度有关的物理效应或化学反应的基础上制造的．它具有可将湿度物理量转换成电讯号的功能,这些功能能够经过与湿度有关的电阻或电容的变化、长度或体积的胀缩、以及结型器件或Mos器件的某些电参数的变化,诸如P-N结击穿电压、电流放大系数、反向漏电流、MOS器件的沟道电阻等的变化而得以实现．

三.湿度传感器测量原理

    由于敏感器件的不同,不同的湿度传感器具有不同的测量原理。

下面简单介绍一下使用最广泛的烧结型半导体陶瓷湿度敏感器件的工作机理。

蓝津信息技术有限公司生产的的LSD-5-A型相对湿度传感器就是采用这种敏感器件。

    烧结型湿敏半导体陶瓷材料,一般是具有多孔结构的多晶体,而且在其生产过程中应有半导体化过程。

半导体陶瓷大多为金属氧化物材料,其半导体化过程一般是经过调整配方、进行渗杂、或者经过控制烧结气氛造成氧元素的过剩或不足而实现的。

半导体化的结果是使晶粒中产生大量的载流子--空穴或电子。

这样,一方面使晶粒体内的电阻率降低,另一方面又使晶粒之间的界面处形成界面势垒,使界面处的载流子耗尽而出现耗尽层,从而晶体界面的电阻率远大于晶粒体内的电阻率,而且成为半导体陶瓷材料在通电时的主要电阻。

当水分子在湿敏半导体材料的表面和晶粒界面吸附时,会引起表面和晶粒界面处的电阻率发生变化,显示出湿敏特性。

    湿敏半导体陶瓷的湿敏特性,按其电阻随所感受的湿度变化而发生变化的规律,一般可分负湿敏特性和正湿敏特性两类。

前一类的感湿特征是电阻值随被测湿度的增加而减少,当前大多数湿敏半导体陶瓷都属于此类;后一类的情况正好相反。

    离子导电理论认为:

水分子在陶瓷晶粒间界面的吸附可离解出大量的导电离子,这些离子在水吸附层中就如同电解质溶液中的导电离子,可担负电荷的输送。

这就是说,这种情况下的荷电载流于是离子。

   在完全脱水的金属氧化物半导体陶瓷的晶粒表面上裸露着正金属离子和负氧离子,水分子电离后离解为正氢离子和负氢氧根离子。

于是在陶瓷晶粒的表面上就形成了负氢氧根离子和正金属离子,以及氢离子与氧离子之间的第一层吸附,即化学吸附。

    在形成的化学吸附层中,吸附的水分子和由氢氧根离解出来的正氢离子就以水合质子H3O＋的形式构成导电的载流子。

水分子在已完成第一层化学吸附后,随之形成第二层、第三层的物理吸附,同时使导电载流子H3O＋的浓度进一步增大,从而使金属氧化物半导体陶瓷的总阻值下降,这就是这类材料具有湿敏性的机理。

    金属氧化物半导体材料结构不甚致密,各晶粒之间有一定的空隙,呈多孔毛细管状,因此水分子可经过细孔,在各晶粒表面和晶粒间界面上吸附,并在品粒间界面处凝聚,因此,材料的细孔径越小,则水分子越容易凝聚,其结果是引起界面处接触电阻的明显下降。

在被测的湿度愈大,凝聚的水分子愈多时,电阻值也就下降得愈多。