《自动检测技术与仪表》课程设计Word文档格式.docx

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在此基础上，能够对所设计的传感器或仪表得到更进一步地认识和了解，为以后学习更深的知识打下扎实的基础。

第二章湿度及湿度传感器

2.1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。

大气湿度有三种常用的表示方法，即绝对湿度、相对湿度和含湿量。

2.1.1绝对湿度

每m3湿空气在标况下（0℃，1大气压）所含湿空气的重量，即水蒸气密度，单位为g/m3。

由气体状态方程：

式（2.1.1）

式（2.1.2）

所以测得被测空气的水蒸气分压力，及干球温度即可求得绝对湿度。

绝对湿度只能说明湿空气中实际所含水蒸汽的质量，而不能说明湿空气干燥或潮湿的程度及吸湿能力的大小。

2.1.2相对湿度

空气中水蒸气分压力Pn与同温度下饱和水蒸气分压力Pb的比值。

式（2.1.3）

式（2.1.4）

式（2.1.5）

其中：

Pb.s—相应于湿球温度的饱和水蒸气压力；

Pb—干球温度对应的饱和水蒸气压力；

B—大气压力；

A—与风速有关的系数。

相对湿度表征湿空气中水蒸气接近饱和含量的程度。

φ值小，说明湿空气饱和程度小，吸收水蒸气的能力强；

φ值大则说明湿空气饱和程度大，吸收水蒸气的能力弱。

2.1.3含湿量

空气由干空气和湿空气组成，每kg干空气所含水蒸气的量，称为含湿量。

符号d，单位g/kg。

式（2.1.6）

应用理想气体状态方程

水蒸气：

式（2.1.7）

干空气：

式（2.1.8）

因为水蒸气与干空气均匀混合，故Vn=Vw，Tn=Tw，又：

Rn=461，Rw=287

式（2.1.9）

所以，当大气压力为定值，含湿量是水蒸气分压力的函数。

2.2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。

湿度传感器的特性参数如下：

一、湿度量程

保证一个湿敏期间能够正常工作所允许环境相对湿度可以变化的最大范围，称为这个湿敏器件的湿度量程。

湿度量程越大，其实际使用价值越大。

理想的湿敏元件的使用范围应当是0-100%RH的全量程。

二、感湿特征量----相对湿度特性曲线

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。

湿敏元件的感湿特征量随环境相对湿度变化的关系曲线，称为该元件的感湿特征量——相对湿度特性曲线，简称感湿特性曲线。

人们希望特性曲线应当在全量程上是连续的，曲线各处斜率相等，即特性曲线呈直线。

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，这些都会给测量带来困难。

三、灵敏度

湿敏元件的灵敏度，就其物理含义而言，应当反映相对于环境湿度的变化、元件感湿特征量的变化程度。

因此，它应当是湿敏元件的感湿特性曲线斜率。

在感湿特性曲线是直线的情况下，用直线的斜率来表示湿敏元件的灵敏度是恰当而可行的。

然而，大多数湿敏元件的感湿特性曲线是非线性的，在不同的相对湿度范围内曲线具有不同的斜率。

因此，这就造成用湿敏元件感湿特性曲线的斜率来表示灵敏度的困难。

目前，虽然关于湿敏元件灵敏度的表示方法尚未得到统一，但较为普遍采样的方法使用元件在不同环境湿度下的感湿特征量之比来表示灵敏度。

四、湿度温度系数

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，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。

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对湿度随环境温度的变化率。

五、响应时间

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。

一般规定为响应相对湿度变化量的63%时所需要的时间。

在标记时，应写明湿度变化区间的起始与终止状态。

人们希望响应时间快一些为好。

六、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快，我们称这一特性为湿滞现象。

湿滞现象可以用吸湿和脱湿特性曲线所构成的回线来表示，我们称这一回线为湿滞回线。

在湿滞回线上所表示的最大差值为湿滞回差。

人们希望湿敏元件的湿滞回茬越小越好。

综上所述，作为理想的湿度传感器希望能满足下列要求：

（1）在各种气体环境下特性稳定，不受尘埃附着的影响，使用寿命长；

（2）受温度的影响小；

（3）线性重复性好，灵敏度高，迟滞回差小，响应速度快；

（4）小型，易于制作和安装，且互换性好。

2.3湿度传感器的分类

湿度传感器的种类很多，据不完全统计，湿度传感器系列、类型分为物性型、结构型和其他形式，而物性型有分为电解质系、半导体及陶瓷系和有机高分子聚合物系。

所以，其种类繁多可见一斑。

在此处，仅将部分列举如下：

Ø

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。

在以下的几章里将分别介绍电解质型、陶瓷型、高分子型三大系列的湿度传感器。

第三章电解质型湿度传感器

这类湿敏元件中主要包括潮解性盐的元件、非溶性盐薄膜元件和采用离子交换树脂型元件。

3.1无机电解质湿度传感器

典型的是氯化锂湿敏元件。

氯化锂是一种在大气中不分解、不挥发，也不变质而具有稳定的离子型无机盐类。

其吸湿量与空气相对湿度成一定函数关系，随着空气相对湿度的增减变化，氯化锂吸湿量也随之变化。

当氯化锂溶液吸收水汽后，使导电的离子数增加，因此导致电阻的降低；

反之，则使电阻增加。

氯化锂电阻湿度计的传感器就是根据这一原理工作的。

3.1.1氯化锂电阻湿度传感器的工作原理

即其感湿原理为：

不挥发性盐（加氯化锂）溶解于水，结果降低了水的蒸汽压，同时盐的浓度降低，电阻率增加。

利用这个特性，在绝缘基板上制作一对金属电极，其上面再涂覆一层电解质溶液，即可形成一层感湿膜。

感湿膜可随空气中湿度的变化而吸湿或脱湿，同时引起感湿膜电阻的改变。

那么通过对感湿膜电阻的测试和标定，即可知环境的湿度。

氯化锂湿敏元件灵敏、准确、可靠。

其主要缺点是在高湿的环境中，潮解性盐的浓度会被稀释，因此，使用寿命短，当灰尘附着时，潮解性盐的吸湿功能降低，重复性变坏。

3.1.2氯化锂电阻湿度传感器的结构

图3.1

3.1.3氯化锂电阻湿度传感器的分类及相关特性

（1）典型的氯化锂湿度传感器有登莫（dunmore）式和浸渍式两种。

登莫式传感器是在聚苯乙烯圆管上做出两条相互平行的钯引线做电极，在该聚苯乙烯管上涂覆一层经过碱化处理的聚乙烯醋酸盐和氯化锂水溶液的混合液，以形成均匀薄膜。

图3.2示出了登莫式传感器的结构。

图中a为聚苯乙烯包封的铝管；

b为用聚乙烯醋酸覆盖在a上的钯丝。

图3.2

浸渍式传感器是在基本材料上直接浸渍氯化锂溶液构成的。

这类传感器的浸渍基片材料为天然树皮。

这种方式与图12-10登莫式传感器结构登莫式不同，它部分地避免了高温度下所产生的湿敏膜的误差。

由于采用了表面积大的基片材料，并直接在基片上浸渍氯化锂溶液，因此这种传感器具有小型化的特点。

它适用于微小空间的湿度检测。

（2）相关特性

图3.3

第四章陶瓷湿度传感器

这是湿度传感器中最大的一类，品种繁多。

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。

4.1组成结构

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。

MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器结构图如下图所示。

图4.1

4.2工作原理及特点

（1）原理：

将调制好的金属氧化物的糊状物加工在陶瓷基片及电极上，采用烧结或烘干的方法使之固化成膜。

这种膜的含湿量随着外界空气的含湿量的变化而变化，含湿量的变化又引起电阻阻值的变化，通过测量电阻之间的阻值即可测量相对湿度。

（2）特点：

传感器电阻的对数值与湿度成线性关系，测湿范围、工作温度范围宽。

4.3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107Ω下降到104Ω，即变化了三个数量级。

MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的电阻—温度特性

图4.2

（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。

MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的电阻—温度特性

图4.3

（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。

MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的时间响应特性

图4.4

（4）稳定性

制成的MgCr2O4-TiO2系陶瓷类湿度传感器，需要实验：

高温负荷实验（大气中，温度150℃，交流电压5V，时间104h）；

高温高湿负荷试验（湿度大于95％RH，温度60℃，交流电压5V，时间104h）；

常温常湿试验[湿度（10～90）％RH，温度（–10℃～＋40℃）]；

油气循环试验（油蒸气↔加热清洗循环25万次，交流电压5V）。

经过以上各种试验，大多数陶瓷湿度传感器仍能可靠地工作，说明稳定性比较好。

第五章高分子湿度传感器

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，在吸湿之后的开关特性，制成了结露传感器。

5.1电容式湿度传感器

根据电容公式可知，在电容两个极板的面积和间距不变的情况下，当介电常数发生变化时将引起电容值的变化。

5.1.1结构

高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的基本结构。

图5.1

5.1.2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。

特点：

迅速吸湿、脱湿，滞后小，响应快，不受气流速度影响，测量范围宽，抗污染能力强，稳定性好。

（1）电容—湿度特性

其电容随着环境湿度的增加而增加,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。

图5.2

（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/℃。

5.2电阻式湿度传感器

电阻型高分子湿敏材料通常是含有强极性官能基的高分子电解质及其盐类，如含-NH4+Cl－、-SO3－H＋、-NH2等官能团。

水分子开始主要被吸附在极性基上，随着湿度的增大，吸附量的增加，吸附水分子之间产生凝聚，呈液态水状态，增强了离子运动的自由度。

若以这种湿敏材料制成湿度传感器，测定其电阻值时，在低湿吸附量少的情况下，由于没有荷电离子产生，传感器电阻值很高。

然而，当相对湿度增加时，凝聚化的吸附水就成为导电通道。

高分子电解质的成对离子主要起载流子作用，此外，吸附水自身离解出来的质子（H+）及水和氢离子（H3O+）也起电荷载流子作用，这就使传感器的电阻值急剧下降。

利用高分子电解质随吸、脱湿电阻值的变化，就可测定环境中的相对湿度大小。

5.2.1工作原理

现以聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器为例介绍如下：

此类元件是用聚苯乙烯作为基片，其表面用硫酸进行磺化处理，引入磺酸基团，形成具有共价键结合的磺化聚苯乙烯亲水层，为了提高湿敏元件的感湿特性，再放入氯化锂溶液中，通过离子交换置换出磺酸基团中的氢离子，形成磺酸锂感湿层，最后，在感湿层表面再印刷上多孔性电极。

5.2.2结构

图5.3

5.2.2主要特性

（1）电阻—湿度特性

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。

电阻—湿度特性

图5.4

（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/℃。

相对湿度/%

聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的湿度特性

图5.5

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2％RH，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。

第六章湿度传感器的测量电路

6.1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。

（2）温度补偿

湿度传感器具有正或负的温度系数，其温度系数大小不一，工作温区有宽有窄。

所以要考虑温度补偿问题。

对于半导体陶瓷传感器，其电阻与温度的的关系一般为指数函数关系，通常其温度关系属于NTC型，即

H：

相对湿度；

T：

绝对温度；

：

在T=0℃相对湿度H=0时的阻值；

A：

湿度常数；

B：

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0.07％RH/℃，工作温度差为30℃，测量误差为0.21％RH/℃，则不必考虑温度补偿；

若湿度温度系数为0.4％RH/℃，则引起12％RH/℃的误差,必须进行温度补偿。

（3）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线性化。

下图为湿度传感器测量电路原理框图。

图6.1

6.2湿度传感器测量电路原理框图

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

振荡器对电路提供交流电源。

电桥的一臂为湿度传感器，由于湿度变化使湿度传感器的阻值发生变化，于是电桥失去平衡，产生信号输出，放大器可把不平衡信号加以放大，整流器将交流信号变成直流信号，由直流毫安表显示。

振荡器和放大器都由9V直流电源供给。

电桥法适合于氯化锂湿度传感器。

图6.2

便携式湿度计的实际电路

图6.3

（2）欧姆定律电路

此电路适用于可以流经较大电流的陶瓷湿度传感器。

由于测湿电路可以获得较强信号，故可以省去电桥和放大器，可以用市电作为电源，只要用降压变压器即可。

其电路图如图。

图6.4

（3）高分子电容式湿度传感器电路原理图

图6.5

（4）带温度补偿的湿度测量电路

在实际应用中，需要同时考虑对湿度传感器进行线性处理和温度补偿，常常采用运算放大器构成湿度测量电路。

下图为湿度测量电路中Rt是热敏电阻器（20kΩ，B=4100K）；

RH为H204C湿度传感器，运算放大器型号为LM2904。

该电路的湿度电压特性及温度特性表明：

在（30％～90％）RH、15℃～35℃范围内，输出电压表示的湿度误差不超过3％RH。

图6.6

第七章湿度传感器的应用

随着时代的发展，科研、农业、暖通、纺织、机房、航空航天、电力等工业部门，越来越需要采用湿度传感器，对产品质量的要求越业越高，对环境温、湿度的控制以及对工业材料水份值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一。

湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业。

由于应用领域不同，对湿度传感器的技术要求也不同。

从制造角度看，同是湿度传感器，材料、结构不同，工艺不同．其性能和技术指标有很大差异，因而价格也相差甚远。

对使用者来说，选择湿度传感器时，首先要搞清楚需要什么样的传感器；

自己的财力允许选购什么档次的产品，权衡好“需要与可能”的关系，不致于盲目行事。

如何使用好湿度传感器，如何判断湿度传感器的性能，这对一般用户来讲，仍是一件较为复杂的技术问题。

7.1湿度传感器的选用

我们从与用户的来往中，觉得有以下几个问题值得注意。

（1）选择测量范围

和测量重量、温度一样，选择湿度传感器首先要确定测量范围。

除了气象、科研部门外，搞温、湿度测控的一般不需要全湿程（0-100％RH）测量。

在当今的信息时代，传感器技术与计算机技术、自动控制拄术紧密结合着。

测量的目的在于控制，测量范围与控制范围合称使用范围。

当然，对不需要搞测控系统的应用者来说，直接选择通用型湿度仪就可以了。

下面列举一些应用领域对湿度传感器使用温度、湿度的不同要求，供使用者参考。

领域部门温度（℃）温度（%RH）

纺织纺纱厂2360

织布厂1885

医药制药厂10～3050～60

手术室23～2650～60

轻工印刷厂23～2749～51

卷烟厂21～2455～65

火柴厂18～2250

电子半导体2230～45

计算机房20～3040～70

通讯电缆充气-10～300～20

食品啤酒发酵4～850～70

农业良种培育15～4040～75

人工大棚5～4040～100

仓储水果冷冻-3～580～90

地下菜窖-3～-170～80

文物保管16～1850～55

注：

在不同领域的使用范围（%RH/℃）

用户根据需要向传感器生产厂提出测量范围，生产厂优先保证用户在使用范围内传感器的性能稳定一致，求得合理的性能价格比，对双方来讲是一件相得益彰的事情。

（2）选择测量精度

和测量范围一样，测量精度同是传感器最重要的指标。

每提高—个百分点．对传感器来说就是上一个台阶，甚至是上一个档次。

因为要达到不同的精度，其制造成本相差很大，售价也相差甚远。

例如进口的1只廉价的湿度传感器只有几美元，而1只供标定用的全湿程湿度传感器要几百美元