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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。1一、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2 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。在在某某一一温度下，其水蒸气压同饱和蒸气压的百分比，称为相对湿度温度下，其水蒸气压同饱和蒸气压的百分比，称为相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体，根据道尔顿分压定律和理想气体状态方程，可得出：气体，根据道尔顿分压定律和理想气体状态方程，可得出：P：空气中水蒸气分压；空气中水蒸气分压；M：水蒸气的摩尔质量水蒸气的摩尔质量R：理想气体常数；理想气体常数；T：空气的绝对温度。空气的绝对温度。3 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，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。4二、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。陶瓷湿敏电阻器。5 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。6 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(%/)=7 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/)=8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9 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。10 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/V11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。12三、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13四、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为电容。电容。14 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15 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/16 （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17MgCr2O4-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。18（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，说说明稳定性比较好。明稳定性比较好。19五、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20 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。21（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。22 （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23 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24 （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/%25 （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。26六、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。272 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。28 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29 （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30100k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 31 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220V22k51k3V2AP94输入Rd插口0.05F232 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-VSRtA2A133
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