传感器第9章气湿敏传感器

第9章 气、湿敏传感器 气敏、湿敏传感器是利用物质的物理效应和化学效应对气体中的某些成分或水汽进行检测的器件。 检测气体的成分或水汽的湿度，用得最多的是半导体气敏传感器和半导体湿敏传感器。9.1 气敏传感器9.1.1 半导体气敏元件的分类及必备条件 利用半导体与某些气体接触时，其特性发生变化这一规律来检测气体的成分 或浓度的传感器。 按照其与气体的相互作用主要是局限于半导体表面，还是涉及到内部，分为： 表面控制型；体控制型。按照半导体变化的物理特性: 电阻式；非电阻式。 电阻式半导体气敏元件是利用半导体接触到气体时其阻值的改变来检测气体的浓度； 非电阻式半导体气敏元件则是根据气体的吸附和反应，使其某些关系特性发生变化，来对气体进行直接或间接的检测。 气敏元件至少都必须具备如下条件： 对气体的敏感现象是可逆的； 单位浓度的信号变化量大； 能检测出的下限浓度低； 响应重复特性良好； 选择性好，即对与被测气体共存的其它气体不敏感； 对周围环境(如温度、湿度)的依赖性小； 性能长期稳定，结构比较简单。9.1.2 表面控制型电阻式半导体气敏元件 这种类型的气敏元件是利用半导体表面因吸附气体引起电阻阻值变化的元件，主要用于检测可燃性气体。它具有气体检测灵敏度较高、响应速度快等优点。气敏元件的材料 多数采用氧化锡和氧化锌等较难还原的氧化物。为提高气体的选择性，一般都掺有少量的贵金属(如铂等)作催化剂。 1结构 通常主要由三部分组成： 气体敏感元件； 对敏感元件进行加热的加热器； 支持上述部件的封装部分。以多孔质烧结体型气敏元件为例 烧结型气敏元件是以多孔质陶瓷为基材(粒度在1m以下)，添加不同物质，采用传统制陶方法，进行烧结。烧结时埋入测量电极和加热丝，制成管芯，最后将电极和加热丝引线焊在管座上，并罩覆于二层不锈钢网中而制成元件。这种元件主要用于检测还原性气体、可燃性气体和液体蒸气。在元件工作时需加热到300左右，按其加热方式又可分为直热式和旁热式两种。直热式 气敏元件直热式元件又称内热式，这种元件的结构示意图如图10一18所示。元件管芯由三部分组成：基体材料、加热丝、测量丝，它们都埋在基材内。工作时加热丝通电加热，测量丝用于测量元件的阻值。 图 直热式气敏元件结构不意图及图形行号 a)结构示意图 b)图形符号 直热式元件的优点是：制作工艺简单、成本低、功耗小，可以在高回路电压下使用、价格低廉的可燃气体泄漏报警器。国内QN型和MQ型气敏元件，日本弗加罗TGS109型气敏元件就是这种结构。 直热式气敏元件的缺点是，热容量小，易受环境气流的影响；测量回路与加热回路间巷削辑离，互相影响；加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩，易造成与材料的接触不良。旁热式气敏元件 结构示意图如图所示。其管芯增加了一个陶瓷管，在管内放进高阻加热丝，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂材料。 旁热式结构克服了直热式的缺点，其测量极与加热丝分开，加热丝不与气敏元件接触，免了回路间的互相影响；元件热容量大，降低了环境气氛对元件加热温度的影响，并保持了材料结构的稳定性。所以，这种结构的元件稳定性、可靠性较直热式有所改进。目前国产QMN5型气敏元件，日本弗加罗TGS812、813型气敏元件均采用这种结构。图 旁热式气敏元件结构示意图及图形符号a) 结构示意图b)图形符号 图9.1 某型号气敏传感器的整体结构n 气敏元件有三种结构类型烧结体型、薄膜型和厚膜型(a)多孔质烧结体型气敏元件 是把电极和元件加热用的加热器埋入金属氧化物中，添加Al等催化剂和粘结剂，通电加热或加压成型后再低温烧结而成。这类元件的性能一致性较差。(b)薄膜型气敏元件 这类元件是在绝缘衬底(如石英基片)上蒸发或溅射上一层氧化物半导体薄膜(厚度小于几微米)制成的，其性能受到工艺条件以及薄膜的物理、化学状态的影响，元件间性能差异较大。但由于近期薄膜技术的飞速发展和以微细加工为中心的半导体技术的影响，这类元件性能已有了新的改观。(c)厚膜型气敏元件 一般是把半导体氧化物粉末、添加剂、粘合剂及载体混合成浆料，再用丝网印刷到基片上制成的，其灵敏度与烧结体型的相当，工艺性、机械强度和性能的一致性都很好。基本测试电路烧结型气敏元件基本测试电路如下图所示。图a为采用直流电压测试旁热式气敏元件电路，图b、c采用交流电压测试旁热式和直热式气敏元件电路。无论哪种电路，都必须包括两部分，即气敏元件的加热回路和测试回路。现以下图为例，说明其测试原理。图a中，O10V直流稳压电源与元件加热器组成加热回路，稳压电源供给器件加热电压：020V直流稳压电源与气敏元件及负载电阻组成测试回路，直流稳压电源供给测试回路电压，负载电阻兼作取样电阻。从测量回路可得到式中 回路电流；负载电阻上的压降。 图 气敏元件基本测试电路a)QM-N5测试电路b)TGS812测试电路c)TGSl09测试电路2工作原理 当气体吸附到半导体气敏元件表面时，元件的电阻发生变化。即气敏元件被加热到稳定状态后，被检测的气体接触元件的表面而被吸附，吸附分子在元件的表面上自由扩散(物理吸附)，失去其运动能量。一部分气体分子被蒸发；另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸附)。 功函数：标志着电子从半导体中逸出的能量的大小。 如果N型半导体的功函数大于气体吸附分子的离解能，气体的吸附分子将向半导体释放出电子，而成为正离子吸附(带正电荷)。供给半导体的电子将束缚半导体本身的自由电荷中的少数电荷空穴。因此，在导带上参与导电的自由电子的复合率减少，从而表现出自由电子数增加，半导体元件的阻值减小。 具有这种正离子吸附的气体称为还原性气体，如、CO、碳氢化合物和酒类等。 如果半导体的功函数小于气体吸附分子的亲和力，则吸附分子将从半导体夺取电子而变成负离子吸附。 具有负离子吸附的气体称为氧化性气体，如、等。负离子吸附的气体因为夺取了半导体的电子，而将空穴交给半导体，使导带的自由电子数目减少，因此元件的电阻值增大。工作原理流程 图9.3 工作原理流程解释 图9.4示出了气体接触到N型半导体时所引起的元件阻值变化情况： 由于空气中的氧分压大体上是恒定的，因此氧的吸附量也是恒定的。当处于空气中的元件的阻值保持不变时，如果被测气体流入这种气氛中，元件表面将产生吸附作用，元件的阻值将随气体的性质与浓度而变化，通过测量电路(如电桥电路)就可测出其浓度。 对于P型半导体气敏元件，情况则相反，氧化性气体使其电阻减小，还原性气体使其电阻增大。 图9.4 N型半导体吸附气体时的元件阻值变化情况3元件材料1)氧化锡(Sn02)系SnO2是具有比较高的电导率的N型金属氧化物半导体。氧化锡系多孔质烧结体型气敏元件，是目前广泛应用的一种元件。它是用氯化锡和氧化锡粉末在700900下烧结而成的。 元件中添加了铂(Pt)和钯(Pd)等作为催化剂，以提高其灵敏度与气体识别能力(选择性)。添加剂的成分与含量、元件的烧结温度和工作温度将影响元件的选择性。如在同一工作温度下，含1.5(重量)Pd的元件,对CO最灵敏，含O.2(重量)Pd时，对CH。最灵敏。又如同一含Pt的气敏元件，在200以下检测CO最好,而在300检测丙烷、在400以上检测甲烷最佳。厚膜型Sn02气敏元件，添加了Th02，提高了元件的气体识别能力，尤其是对CO的灵敏度远高于对其它气体的灵敏度。特别是添加ThO。的元件，在检测CO时，其灵敏度随时间有周期性的振荡现象(见图9.5)，其频率和振幅与气体的浓度有关。虽目前尚不明确其机理，但可利用这一现象对CO浓渡作较精确的定量检测(见图9.6)。还可以采用改变元件的烧结温度和工作温度相结合的措施，提高其气体识别能力。图9.5 添加ThOz的SnOz气敏元件在不同浓度 图9.6 振荡频率、振幅与CO浓度的关系的CO气氛中的振荡波形(元件工作温度(元件工作温度180)为200，添加1(重量)的Th02)2)氧化铁(Fe2 03)系 N型金属氧化物。它具有通过改变Fe的价数，其电导率发生极大变化的特性。这是在其它金属氧化物中见不到的特性。也就是说，它具有电阻值与氧化还原状态(或条件)相对应而变化的特异性质。在35左右对丙烷、异丁烷气体的灵敏度特别高，因此特别适合作液化石油气敏元件。对甲烷有很高的灵敏度，可用作城市煤气报警。3)氧化锌(ZnO)系 氧化锌系气敏元件对还原性气体有较高的灵敏度。它的工作温度较高，比氧化锡系气敏元件的工作温度高100左右，因此在应用上不及氧化锡系元件普遍。9.1.3 基于MEMS的新型微结构气敏传感器硅和硅基MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)技术在MEMS压力传感器、加速度计等领域已显示了强大的威力。用它们来制作气敏传感器容易满足人们对气敏传感器集成化、智能化、多功能化等要求。许多气敏传感器的敏感性能和工作温度密切相关，因而一般要同时制作加热元件和温度探测元件，以探测和监控温度。利用+MEMS，技术很容易将气敏元件和加热元件、温度探测元件制作在一起，保证了气敏传感器的优良性能。硅和硅基MEMS技术要求所用的工艺要和硅集成电路工艺相容，使其能继承和发扬集成电路技术的强大优势。为此，传统气敏传感器的结构要作相应改挛，改变成便于用MEMS技术制作的微结构气敏传感器(又称MEMS气敏传感器)。微结构气敏传感器：硅基微结构气敏传感器和硅微结构气敏传感器。l.硅基做结构气敏传感器 衬底为硅，敏感层为非硅材料的微结梅气敏传感器，统称为硅基微结构气敏传感器，它是当前微结构气敏传感器的主流。 1)金属氧化物半导体或聚合物电导型气敏传感器 敏感材料是金属氧化物半导体或导电聚合物； 当这些敏感材料暴露在待测气体中时，气体会和它们发生作用，引起器件电阻或电导发生变化，给出包含气体成分和浓度的电信号，这种信号经过信号处理电路处理后，就能识别气体的成分和浓度。2)固体电解质气敏传感器 有电流型和电压型两种: 电流型的灵敏度高，测量范围大，温漂小。它的输出电流和敏感性能与电极尺寸关系密切。 使用MEMS技术能精确控制电极尺寸，能保证电流型固体电解质气敏传感器的优异性能。例如硅基微结构稳定氧化锆电流型氧传感器，在700下工作，功耗小于2 w。 3)电容型气敏传感器 微结构电容型气敏传感器实际上是用MEMS技术制作在硅芯片上的叉指状电容器，电容器的介质是能吸附待测气体的聚合物薄膜。聚合物介质吸收待测气体后，介质的介电常数发生变化，电容器的电容也跟着发生变化。 由于电容的变化与待测气体的介电常数及待测气体与聚合物的作用这两个因素都有关，故这种气敏传感器的选择性很好。为了提高灵敏度，在硅芯片上制作了两个完全相同的电容器：敏感电容器，介质为特殊聚合物；参考电容器，介质为空气(未淀积聚合物)。由它们组成高分辨率的电荷比较电路来提高传感器的灵敏度。4)谐振器型气敏传感器硅材料还可制作机械振动元件。用MEMS技术所特有的工艺，在硅芯片上制作出硅梁谐振器。在硅梁上沉积能吸附被测气体的聚合物膜，同时在芯片上制作激振元件和测振元件，就得到了微结构谐振器型气敏传感器。其工作原理为：当器件暴露在被测气体中时，聚合物膜吸附被测气体使硅梁质量增加，则谐振频率下降。只要测出吸附被测气体前后硅梁谐振频率的变化，就可推算出被测气体的浓度。北京大学微电子所开发的这种微结构气敏传感器，检测二氧化氮的浓度下限达10,当工作频率为19 kHz时，灵敏度达1.3 Hz/10。2硅微结构气敏传感器目前，这一大类微结构气敏传感器的品种不多，主要是金属氧化物-半导体-场效应管(MOSFET)型和钯金属-绝缘体-半导体(MIS)二极管型。这些传感器中的所有元件都可用同一块硅芯片制作，所以用MEMS技术制造它们是得心应手的。1) MOSFET型气敏传感器工作原理是：当栅电极暴露在待测气体中时，栅电极材料与待测气体作用而引起MOSFET阈值电压的变化，分析这种变化就可知道待测气体的浓度。当栅电极为钯时，对氢气很敏感；当栅电极为铂、铱时，对含氢化合物气体NH、HS和乙醇蒸汽很敏感；当栅电极为碘化钾时，可检测臭氧。2) MIS二极管型氢敏传感器MIS二极管的伏安特性对氢气很敏感，当氢气浓度改变时，其伏安特性会发生明显的变化，因而可利用它来检测氢气。美国CW储备大学开发了带有加热器和测温元件的MIS二极管型微结构氢敏传感器。为了提高灵敏度和耐久性，电极金属用钯银合金代替钯；用集成电路工艺制造出加热器、测温元件和MIS二极管；最后用牺牲层工艺从背面将硅芯片选择性地减薄。 这种测氢二极管在正偏或反偏状态下都可测氢气的浓度：用恒流源正偏置MIS二极管，其正偏压降可定量显示氢气的浓度；用恒压源反偏置MIS二极管，其反向漏电流可定量显示氢气的浓度。硅和硅基微结构气敏传感器，用与集成电路相容的MEMS技术制造，是MEMS气敏传感器的主流，有很好的发展前景。这种传感器性能优异(体积小、功耗低、灵敏度高、选择性好、响应时间短、稳定性好)，成本低，各批产品间性能差异小，同一芯片上可制作信号处理电路和读出电路(智能化、多功能化)。各种传统的气敏传感器，只要对其结构和制作工艺作相应改变，原则上都可用MEMS技术来制造，成为MEMS气敏传感器。随着IC技术和MEMS技术的进步，以及强大的微电子工业的有力支持，将为气敏传感器的发展提供极好的机会。9.1.4 应用举例1家用煤气、液化石油气泄漏报警器 一种简单、廉价的家用煤气、液化石油气报警器电路。该电路可直接由220V市电供电，且不需要再加复杂的放大电路，就能驱动峰鸣器等来报警。 峰鸣器与气敏传感器QMN6的等效电阻构成了简单串联电路，当气敏传感器探测到泄漏气体(如煤气、液化石油气)时，随着气体浓度的增大，气敏传感器QM_N6的等效电阻降低，回路电流增大，超过危险的浓度时，蜂鸣器发声报警。 图9.10 家用煤气、液化石油气泄漏报警器电路2城市煤气报警器 这种报警器的气敏元件广泛使用氧化锡，它对甲烷类碳氢化合物的灵敏度非常高，但对酒精等也很敏感。 有时希望有一只气体传感器能检测出煤气又不至因酒精存在而误报警；既适用于各城市有所差别的煤气报警，又能对煤气爆炸浓度及对不完全燃烧的CO中毒危险浓度报警。 这种类型的报警器之一是由厚膜混合电路气体传感器和单片微处理机构成的新型城市用煤气报警器。把对甲烷最敏感的氧化锡厚膜、对一氧化碳最敏感的氧化钨厚膜和对酒精特别敏感的一种厚膜集成在同一块三氧化二铝陶瓷基片上，如图9.11。经过单片微处理机对信号进行处理，可分别对甲烷、一氧化碳、酒精等发出报警信号。 图9.11 厚膜混合电路气体传感器的结构9.2 湿敏传感器 921湿度及其表示 空气中含有水分的多少，即空气的干湿程度叫湿度。 湿度有多种表示方法：即绝对湿度、相对湿度、露(霜)点温度、比湿度、饱和度等。常用的空气湿度有三种表示方法1绝对湿度 绝对湿度(AH)表示单位体积(即1)的空气中所含水气的质量，定义为式中：为被测空气中的水气质量；V为被测空气的总体积。绝对湿度的单位为g/。2相对湿度(RH，Relative。Humidity) 相对湿度定义为被测空气的水气分压与相同温度下水的饱和水气压的比值之百分数，定义式为相对湿度 式中：Pv为被测空气的水气分压；Pw为与被测空气同温度时水的饱和水气压。 相对湿度也可定义为气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度的百分比。 目前应用最多的是相对湿度。3露点温度 露点和露点温度 保持压力一定下，降温使混合气体中的水蒸气达到饱和而开始结露（或结霜）时的温度称为露点温度(单位为)，简称为露点。 空气的相对湿度越高，就越容易结霜； 混合气体中的水蒸气压，就是在该混合气体中露点温度下的饱和水蒸气压，因此，通过测定空气露点的温度，就可以测定空气的水蒸气压。 9.2.2 对湿敏传感器的基本要求能满足所要求的湿度测量范围，且响应迅速； 在各种气体环境中特性稳定；受温度的影响小，能在-30100的环境温度中使用；不受尘埃附着的影响； 工作可靠，互换性好，使用寿命长； 制造简单，价格便宜。通常湿度测量要比温度测量困难得多。这是因为空气中水蒸气的含量少，而且在水蒸气中各种材料涉及到的种种物理、化学过程十分复杂，目前还没有完全搞清楚所存的问题等。9.2.3 电阻式湿敏传感器原理 利用湿敏元件的电气特性(如电阻值)随湿度的变化而变化进行湿度测量的传感器。工艺 湿敏元件一般是在绝缘物上浸渍吸湿性物质，或者通过蒸发、涂覆等工艺在表面上制备一层金属、半导体、高分子薄膜和粉末状颗粒而制成的。 1氯化锂湿敏传感器 图9.12为在玻璃带上浸有氯化锂溶液的浸渍式湿敏元件，右面所示为湿敏元件外形图。湿敏元件的基片材料为无碱玻璃带。 将玻璃带浸在乙醇中，除去纤维表面上附着的收集剂，将两片变成弓字形的铂箔片夹在基片精料的两侧作为电极。 元件的电阻值随湿气的吸附与脱附过程而变化。 图9.13为这种湿敏元件的电阻相对湿度特性； 通过测定电阻，可知道相对湿度：在5080的相对湿度范围内，电阻与湿度的变化成线性关系。 为了扩大湿度测量范围，可以将几支浸渍不同浓度氯化锂的湿敏元件组合使用。如用浸渍11.5(重量)浓度氯化锂湿敏元件，可检测相对湿度2050范围内的湿度，而用O.5(重量)浓度氯化锂的湿敏元件，可检测相对湿度40 80范围内的湿度。这样，将这两支湿敏元件配合使用，就可以检测相对湿度20 80范围内的湿度。图913 玻璃带上浸渍氯化锂的湿敏元件的电阻相对湿度特性 由图9.13可以看出，在湿气的吸附和脱附过程中，元件的电阻值变化呈现出较小的滞后现象。因此，如果湿度的测量精度要求不太高(如2(RH),在常温附近使用时，可不必进行温度补偿。9.2.4 陶瓷湿敏传感器 陶瓷湿敏传感器是近年来正在大力发展的一种新型传感器。 金属氧化物陶瓷构成的湿敏传感器有离子型和电子型两类； 离子型陶瓷湿敏传感器的电阻与湿度的关系示于图9.14。在环境温度0100，0%30%相对湿度范围内，元件的阻值与湿度呈线性关系，且在低温段；电阻随湿度的变化较大。图9.14 陶瓷湿敏传感器的电阻与湿度的关系 电子型湿敏元件是利用分子在氧化物表面上的化学吸附导致元件电导率改变的原理制成的：元件的电导率是增加还是减小，取决于氧化物半导体是N型还是P型。 氧化锆氧化镁陶瓷湿敏传感器是一种能在高温环境下进行湿度检测的电子型湿敏传感器，其结构如图915所示。 图9.15 一种氧化锆氧化镁陶瓷湿敏传感器的结构 这种传感器在高温环境中使用时，具有高的热稳定性，几乎不受环境气氛中其它气体(空气、氧气、氮气。还原性气体)的影响。在-20700的环境温度中使用，长期稳定性较好。该类传感器已应用于食品加工、空气调节器和干燥器等设备中。 陶瓷湿敏传感器的优点是：湿度滞后小，响应速度不超过1015 s，便于批量生产。但其长期可靠性较差，易受环境温度影响等问题仍待克服。 9.2.5 电容式湿敏传感器原理 利用湿敏元件的电容值随湿度变化进行湿度测量的传感器；薄片状电容式湿敏传感元件 这类湿敏元件是一种吸湿性电介质材料的介电常数随湿度而变化的薄片状电容器。 吸湿性电介质材料(感湿材料)主要有高分子聚合物和金属氧化物等。 由吸湿性电介质材料构成的薄片状电容式湿敏传感器能测全湿范围的湿度，且线性好，重复性好，滞后小，响应快，尺寸小，能在-1070的环境温度中使用。高分子聚合膜电容式湿敏元件的结构 在清洗干净的玻璃衬底或聚酰亚胺薄膜软衬底上，蒸镀一层厚度约1m的金电极(下电极)，在其表面上均匀涂覆(或浸渍)一层厚度约5000 A(1 A=10cm)的感湿膜(醋酸纤维膜)，在感湿膜的表面上再蒸镀一层多孔性金薄膜(上电极)，上电极薄膜的厚度约200500 A较为适宜。 由上、下电极和夹在其间的感湿膜构成一个对湿度敏感的平板形电容器。 图9.16一种高分子聚合膜电容式 图9.17 电容值与相对湿度的关系湿敏元件的结构 当环境气氛中的水分子沿着电极的毛细微孔进入感湿膜而被吸附时，湿敏元件的电容值与相对湿度之间成正比关系，线性度约1，如图9.17所示。 这类电容式湿敏传感器的响应速度快，图9.18示出了其响应特性。 试验表明，当湿敏元件从低湿气氛(相对湿度为30)迅速移入高湿气氛(相对湿度为93)中时，其时间常数小于3 s；如从高湿气氛迅速移入低湿气氛中，则响应速度稍慢(约1030 s)。 图9.18 电容式湿敏传感器的响应特性元件的结构另一种薄片状电容式湿敏元件的结构 感湿膜为一层多孔氧化铝薄膜，衬底为硼硅玻璃或蓝宝石，上金膜电极和两个下金或铂电极形成两个串联电容器。 当空气中的相对湿度变化时，吸附在氧化铝薄膜上的水分子质量变化，引起电容值变化。 在一定温度范围内，电容值的改变与相对湿度的改变成正比。但在高湿环境中(相对湿度大于90)，会出现非线性。为了改善湿度特性的线性度，提高湿敏元件的长期稳定性和响应速度，对氧化铝薄膜表面进行纯化处理(如盐酸处理或在蒸馏水中煮沸等)，可以收到较为显著的效果。 9.2.6 电解质式湿度传感器 图9.20 填充型氯化锂湿度传感器的原理传感器原理 两根电极插在浸透氯化锂溶液的玻璃纤维中，加上交流电压。由于氯化锂水溶液导电，通电产生的焦耳热使其温度升高，导致溶液中的水分蒸发。当溶液达到饱和状态时，电阻急剧增大，电流减小，促使温度下降。由于温度下降，溶液反过来吸收大气中的水分。通过温度的升高和下降过程的反复进行，最后保持在一定的温度上。 达到这个温度时，说明氯化锂水溶液中的水蒸气压与周围空气的水蒸气压相等，于是进入平衡状态。所以，测量这个温度值，就能求出周围的水蒸气压，即可得到湿度。这种湿度传感器的可靠性高，多用于工业过程中的湿度管理。9.2.7 应用范围及应用实例 表9.3 湿敏传感器的应用范围和使用温度、湿度范围1一个烹调设备中湿度控制的应用实例原理框图 为湿敏元件，电热器用来将湿敏元件加热至550工作温度。 在高温环境中，当湿敏元件加上直流电时，很容易发生电极材料的迁移（极化），影响传感器的正常工作。所以湿敏元件一般采用振荡器产生的交流电供电。 为固定电阻，与传感器电阻构成分压电路。交直流变换器的直流输出信号经运算单元运算，输出与湿度成比例的直流电信号，并显示。 图9.21中是比较器用来判断是否停止加热的基准信号。比较器的输出可用来对烹调设备的加热进行控制。 图9.21 自动烹调设备中湿度检测控制系统原理框图结构与安装和使用 湿敏传感器安装在烹调设备的排气口，检测烹调时食品产生的气体湿度； 接通电热器电源，使湿敏元件的温度升高到要求的工作温度。然后启动烹调设备，对食品加热，依据湿度变化来控制烹调过程的进行。图9.22 采用湿敏传感器的高频电子食品加热器2一种实用湿度测量系统 框图 图9.23 一种实用湿度测量系统的方框图 湿敏传感器选择 选电阻式湿敏元件，其湿度与电阻的一般关系近似为式中：为湿敏元件的阻抗；为相对湿度为0时湿敏元件的阻抗；A为湿度常数，单位为1/(RH)；H为相对湿度，单位为(RH)。 如果考虑温度因素，则有 式中：B为温度常数，单位为K；为当温度为T0(K)、湿度为0(RH)时湿敏元件的阻抗；、为温度，单位为K。 振荡器 这是一个典型的文氏振荡器电路。 图9.24振荡器电路 图9.25湿度敏感与取样电路 高输入阻抗交流放大器 由运放组成同相输入交流放大器，构成100的直流负反馈，起稳定直流工作点的作用。在交流耦合的情况下，为保证同相端与地之间有充、放电通路，必须在同相端接一个电阻。与同相端输人阻抗是并联的，因而利用对的自举作用，将的视在阻抗大大提高，达到提高输入阻抗的目的。 图9.26 高输入阻抗交流放大器电路 交一直流变换器 图9.27 交-直流变换器电路n 输入为负，运放反相输入端为虚地，V3截止，V4的工作状态取决于的大小。 当(二极管的正向压降)时，V4截止，运放处于开环状态； 当时，V4导通，这时电路相当于一个反相输入的比例放大器，； 运放开环增益G。很高，当时，V4导通，运放深度闭环，失真非常小，因此，从小信号开始，输出输入成线性关系。n 输入为正时， ，V4截止，V3导通，V3的导通为放大器提供深度负反馈，因此，反相端为虚地，检波器是从虚地经输出信号，所以输出为0。n 、和以及+15V电源组成调零电路。