本科气体湿度传感器课件

第一节 气敏传感器第二节 湿度传感器第六章 化学传感器1本科气体湿度传感器第一节第一节 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氧化锆气敏元件工作原理、主要类型及应用2本科气体湿度传感器一、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。3本科气体湿度传感器AF2F1MR1R2CBDW2W1E0因为RF很小，且RF1R1=RF2R2 4本科气体湿度传感器这样，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。5本科气体湿度传感器，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6本科气体湿度传感器 2 2、接触燃烧式气敏元件的结构、接触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媒粉体,形成触媒层而已。形成触媒层而已。7本科气体湿度传感器触媒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 8本科气体湿度传感器二、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。一一般般其其固固有电阻值在有电阻值在(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出现现差别。因此，必须在洁净的空气环境中进行测量。差别。因此，必须在洁净的空气环境中进行测量。9本科气体湿度传感器（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 RC1C1气敏元件在浓度为气敏元件在浓度为C1C1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10本科气体湿度传感器（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11本科气体湿度传感器（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,一般一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时从气敏元件脱离被测气体时开始计时,直到其阻值恢复到直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值的在洁净空气中阻值的63时所需时间。时所需时间。12本科气体湿度传感器（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。因此发生解吸现象。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。一般电阻型气敏元件敏元件的初期稳定时间。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。由最后达到稳定。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。初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状稳定时间。初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数。存放时间越长态的函数。存放时间越长,其初期稳定时间也越长。在一其初期稳定时间也越长。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。13本科气体湿度传感器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。14本科气体湿度传感器（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15本科气体湿度传感器本科气体湿度传感器本科气体湿度传感器图图3-2-1右图为薄膜器件。采用蒸发右图为薄膜器件。采用蒸发或溅射工艺，在石英基片上或溅射工艺，在石英基片上形成氧化物半导体薄膜（其形成氧化物半导体薄膜（其厚度约在厚度约在100nm以下以下)。制作。制作方法也很简单。实验证明，方法也很简单。实验证明，SnO2半导体薄膜的气敏特性半导体薄膜的气敏特性最好；但这种半导体薄膜为最好；但这种半导体薄膜为物理性附着，器件间性能差物理性附着，器件间性能差异较大。异较大。本科气体湿度传感器三、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、负负电电子子。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。19本科气体湿度传感器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ZrOZrO2 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-120本科气体湿度传感器ZrO2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%molYb2O3；2 ZrO0.92 SC2O30.04 Yb2O30.04 3 ZrO2；4 添加10%molY2O3；5 添加13%molCaO6 添加15%molY2O3；7 添加10%molCeO21本科气体湿度传感器四、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象。下图是一温度补偿电路图是一温度补偿电路22本科气体湿度传感器当环境温度降低时，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23本科气体湿度传感器3 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BR24本科气体湿度传感器 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R1RQ25本科气体湿度传感器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26本科气体湿度传感器第二节湿度传感器第二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。27本科气体湿度传感器一、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28本科气体湿度传感器 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气压的百分比，称为相对湿度压的百分比，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。29本科气体湿度传感器 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，水蒸气将时，水蒸气将结霜结霜，又称为又称为霜点温度霜点温度。两者统称为露点。空气两者统称为露点。空气中水蒸气压越小，露点中水蒸气压越小，露点越低，因而可用露点表越低，因而可用露点表示空气中的湿度。示空气中的湿度。30本科气体湿度传感器二、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。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，否则不利于和测量系统或控制仪表相连接。测量系统或控制仪表相连接。31本科气体湿度传感器 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。32本科气体湿度传感器 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(%/)=33本科气体湿度传感器 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。感感湿湿温度系数温度系数 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(或或电电容值容值)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/)=34本科气体湿度传感器相对湿度/%H1H2H2感湿温度系数示意图相对湿度/%H1H2H2RCT2T2T2T22525(a)电阻型(b)电容型35本科气体湿度传感器 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。36本科气体湿度传感器 7 7、电压特性、电压特性 当当用用湿湿度度传传感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。Lg R/0123456578420 100Hz11%RH33%RH75%RH100%RHU/V37本科气体湿度传感器电阻频率特性20 5V11%RH33%RH100%RHLg f/Hz0123456578475%RHLg R/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。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。38本科气体湿度传感器三、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AB B 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%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39本科气体湿度传感器四、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电容。为电容。40本科气体湿度传感器本科气体湿度传感器本科气体湿度传感器本科气体湿度传感器本科气体湿度传感器 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。这系多孔陶瓷。这种多孔陶瓷的气孔大部分为粒间气孔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添添加量的增加而增大。粒间气孔与颗粒大小无关加量的增加而增大。粒间气孔与颗粒大小无关,相当于相当于一种开口毛细管一种开口毛细管,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45本科气体湿度传感器 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，即变化了三个数量级。，即变化了三个数量级。20406080100103104105106107108相对湿度/%R/46本科气体湿度传感器 （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相对湿度/%20406080R/MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的电阻温度特性47本科气体湿度传感器MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的时间响应特性20406080100010203094%RH 50%RH1%RH 50%RH t/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。48本科气体湿度传感器（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)；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，说说明明稳定性比较好。稳定性比较好。49本科气体湿度传感器五、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极50本科气体湿度传感器 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。51本科气体湿度传感器（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，在小，在550范围内范围内,电容温度系数约为电容温度系数约为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。52本科气体湿度传感器 （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53本科气体湿度传感器 2 2、主要特性、主要特性 （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54本科气体湿度传感器 （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/%55本科气体湿度传感器 （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。56本科气体湿度传感器六、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。57本科气体湿度传感器2 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。58本科气体湿度传感器 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59本科气体湿度传感器 （二）典型电路（二）典型电路 电阻式湿度传感器，其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60本科气体湿度传感器100k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 61本科气体湿度传感器 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