ch8.2输出

一、湿度表示法二、主要参数三、湿度传感器四、湿度传感器应用§8.2湿度传感器湿度检测的重要性湿度与科研、生产、人们生活、植物生长有密切关系，环境的湿度具有与环境温度同等重要意义。目前人们对湿度的重视程度远不及对温度的重视。因此湿度测量技术的研究及其测量仪器远不如温度测量技术与仪器那样精确与完善。由于对湿度监测不够精确，致使大批精密仪器与机械装置锈蚀、谷物发霉等，每年因此造成巨大损失。§8.2湿度传感器合适的湿度对人类生活、生产及生物都是十分重要的。过高的湿度会使衣料、纸张、烟草、食品等霉坏变质，精密仪器灵敏度降低，机械、兵器、设备生锈，弹药失效等。但过于干燥的空气又会使木材开裂，纸张变脆，培养的细菌和其他微生物枯死。因此，测量和控制湿度是十分重要。湿度测量技术发展已有200多年历史。人们对湿敏元件的认识是从1938年研制成功浸涂式LiCl湿敏元件才开始的，从此以后，已有几十种湿敏元件及传感器应运而生。§8.2湿度传感器　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。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；V——待测空气的总体积；ρv——待测空气的绝对湿度。1、绝对湿度一、湿度表示法相对湿度给出了大气的潮湿程度，实际中常用。相对湿度=气体的绝对湿度与在同一温度下，水蒸气已达到饱和的气体的绝对湿度之比，称为相对湿度。2、相对湿度一、湿度表示法在一定大气压下，将含有水蒸气的空气冷却，当温度下降到某一特定值时，空气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态变成液态而凝结成露珠，该温度称为空气的露点温度，相对湿度为100％RH，如果这一温度低于0℃时，水蒸气将结霜，又称为霜点温度。两者统称为露点。空气中水蒸气压越小，露点越低，因而可用露点表示空气中的湿度。3、露（霜）点一、湿度表示法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或装置。主要特性参数有：①湿度量程②感湿特征量③灵敏度④湿度温度系数⑤响应时间⑥湿滞回线和湿滞回差二、湿度传感器的主要参数1、湿度量程保证一个湿敏器件能够正常工作所允许环境相对湿度可以变化的最大范围，称为这个湿敏元件的湿度量程。全湿度范围用相对湿度(0～100)％RH表示，它是湿度传感器工作性能的一项重要指标。湿度量程越大，其实际使用价值越大。二、湿度传感器的主要参数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。湿敏元件的感湿特征值随环境相对湿度变化的关系曲线，称为感湿特性曲线。有的湿度传感器的电阻值随湿度的增加而增大，这种为正特性湿敏电阻器，如Fe3O4湿敏电阻器。有的阻值随着湿度的增加而减小，这种为负特性湿敏电阻器，如TiO2－SnO2陶瓷湿敏电阻器。2、感湿特征量—相对湿度特性二、湿度传感器的主要参数希望特性曲线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。二氧化钛-五氧化二钒湿敏器件的感湿特性曲线二、湿度传感器的主要参数3、灵敏度定义：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，它应当是湿致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。二、湿度传感器的主要参数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，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，给配制二次仪表带来不利，所以灵敏度的大小要适当。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。二、湿度传感器的主要参数T—绝对温度；K-元件特征值。４、湿度温度系数环境温度每变化1℃时，所引起的湿度传感器的湿度误差。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。二、湿度传感器的主要参数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。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。一般规定：响应相对湿度变化量的63.2％时所需要的时间为响应时间,也称时间常数。响应时间又分为吸湿响应时间和脱湿响应时间。人们希望响应时间快一些为好。5、响应时间二、湿度传感器的主要参数6、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迟后，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征曲线所构成的回线来表示，我们称这一回线为湿滞回线。二、湿度传感器的主要参数Mn3O4-TiO2湿敏器件在80℃时的湿滞回线湿滞回差定义：在湿滞回线上所表示的最大量差值为湿滞回差。人们希望湿敏元件的湿滞回差越小越好。二、湿度传感器的主要参数理想的湿敏传感器应具备的性能对水蒸气的灵敏度比较高，其它气体干扰小有较强的选择性。湿滞小，重复性好、测湿可靠。工作温区宽，温度系数小。响应速度快，维护方便，价格低廉。体积小、重量轻、寿命长。实际上，要全面达到上述各项要求是相当困难的，这是因为湿度是极难测准的物理参数之一，大气中的水蒸气于空气本身相比，数量极其微小，而且又特别难于均匀地作用于湿敏功能材料的表面。感湿材料吸湿后，其物理过程和化学过程十分复杂，因而敏感机理至今有许多方面仍是定性说明。二、湿度传感器的主要参数电解质系湿度传感器半导体及陶瓷系湿敏传感器有机物及高分子聚合物系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或装置。三、湿度传感器1、电解质湿度传感器⑴无机电解质系湿度传感器氯化锂是典型的离子晶体。氯化锂溶液中的Li+和Cl-是以正、负离子形式存在。当溶液置于一定湿度环境中，若环境相对湿度高，氯化锂将吸收水分而使其电离程度提高，导电能力增强，从而使氯化锂湿敏元件电阻降低；反之，环境相对湿度变低．氯化锂将释放出部分水分而使其电离程度下降，导电能力下降，其电阻上升；所以用氯化锂湿敏元件可实现对相对湿度的测量。三、湿度传感器不挥发盐（加氯化锂）溶解于水，降低了水的蒸气压，同时盐的浓度降低，电阻率增加(水的蒸气压越低，盐的浓度越低，电阻率越高相对湿度越小，电阻越高）。①登莫(Dunmore)式A为用聚苯乙烯包封的铝管；B为用聚乙烯醋酸盐覆盖在A上的铝丝。登莫式传感器是在聚苯乙烯圆管上做出两条相互平行的铝引线作为电极，在该聚苯乙烯管上涂覆一层经过适当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。三、湿度传感器若只采用一个传感器件，则其检测范围狭窄。因此，设法将氯化锂含量不同的几种传感器组合使用，使其检测范围能达到(20一90)％的相对湿度。氯化锂湿敏特性曲线三、湿度传感器②浸渍式浸渍式传感器是在基片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。在基片上浸渍氯化锂溶液。这种方式与登莫式不同，它部分地避免了高湿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。它适应于微小空间的湿度检测。三、湿度传感器玻璃带上浸LiCl的湿度传感器的感湿特性曲线还有在玻璃带上浸有氯化锂溶液的另一类浸渍式湿度传感器。这种传感器的优点是：采用两种不同氯化锂溶液浓度的传感器就能够检测出(20一80％RH)的相对湿度。如图所示，阻值的对数与相对湿度(50－85)％RH成线性关系。三、湿度传感器③光硬化树脂电解质湿敏元件将树脂、氯化锂、感光剂和水按一定比例配成胶体溶液，浸涂在蒸镀有电极的塑料基片上，干燥后放置在紫外线下、助膜剂曝光并热处理，即可形成耐温耐湿的感湿膜。它可在80℃温度下使用，并且有较好耐水性，不怕“冲蚀”，从而提高了元件的性能。三、湿度传感器⑵高分子电解质系湿度传感器①聚苯乙烯磺酸锂湿敏元件＊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磁化聚苯乙烯亲水层。＊为了提高湿敏元件的感湿特性，再引入氯化锂溶液中，通过离子交换Li+置换出磺酸基团中的氢离子H+，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。三、湿度传感器对湿敏元件进行抗水浸性能的试验(水浸两小时)结果如图所示，水浸后元件阻值略有提高，在低湿段较为明显。三、湿度传感器②有机季铵盐高分子电解质湿敏元件该类高分子湿度传感器的感湿材料即是含有氯化季铵盐的高分子聚合物—丙烯酸酯，该材料是一种离子导电的高分子材料。感湿原理为：大气中增加的湿度越大，则感湿膜被电离的程度就越大，电极间的电阻值也就越小，电阻值的变化与相对湿度的变化成指数关系。三、湿度传感器聚苯乙烯磺酸铵元件是在氧化铝基片上印刷梳状金电极，然后涂覆加有交联剂的苯乙烯磺酸铵溶液，之后，用紫外线光照射，苯乙烯磺酸铵交联、聚合，形成体形高分子，再加保护膜，形成具有复膜结构的感湿元件。该元件测湿范围为(30—100)％RH；温度系数为-0.6%RH／℃；具有优良的耐水性，耐烟草性，一致性好。③聚苯乙烯磺酸铵湿敏元件三、湿度传感器2、半导体及陶瓷湿度传感器按其制作工艺分类：有涂覆膜型、烧结体型、厚膜型、薄膜型及MOS型等。此类湿度敏感元件是把感湿粉料(金属氧化物)调浆，涂覆在已制好的梳状电极或平行电极的滑石瓷、氧化铝或玻璃等基板上。四氧化三铁、五氧化二钒及三氧化二铝等湿敏元件均属此类。其中比较典型是性能较好的是四氧化三铁湿敏元件。⑴涂覆膜型三、湿度传感器工艺：一般采用滑石瓷作为元件的基片。在基片上用丝网印刷工艺印刷梳状金电极。将纯净的黑色Fe3O4胶粒，用水调制成适当粘度的浆料，然后用笔涂或喷雾在已有金电极的基片上，经低温烘干后，引出电极即可使用。涂覆膜型Fe3O4湿敏元件三、湿度传感器元件的湿滞现象在高湿较为明显、最大湿滞回差约为土4%RH，可以满足民用的要求。Fe3O4湿敏元件湿滞曲线三、湿度传感器Fe3O4湿敏元件的响应时间三、湿度传感器⑵烧结体型工艺这类元件的感湿体是通过典型的陶瓷工艺制成的。即将颗粒大小处于一定范围的陶瓷粉料外加利于成型的结合剂和增塑剂等,用压力轧膜,流延或注浆等方法成型，然后在适合的烧成条件下，于规定的温度和气氛下烧成，待冷却清洗，检选合格产品送去被复电极，装好引线后，就可得到满意的陶瓷湿敏元件。特点这类元件的可靠性、重现性等均比涂覆元件好，而且是体积导电，不存在表面漏电流，元件结构也简单。三、湿度传感器代表性产品这是一类十分有发展前途的湿敏元件，其中较为成熟，且具有代表性的是：铬酸镁一二氧化钛(MgCr2O4—TiO2)陶瓷湿敏元件五氧化二钒一二氧化钛(V2O5—TiO2)陶瓷湿敏元件羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2)陶瓷湿敏元件氧化锌一三氧化二铬(ZnO—Cr2O3)陶瓷湿敏元件三、湿度传感器①MgCr2O4—TiO2陶瓷温敏元件(MCT型)在MgCr2O4—TiO2陶瓷片的两面,设置高孔金电极，并用掺金玻璃粉将引出线与金电极烧结在一起。在半导体陶瓷片的外面,安放一个由镍铅丝烧制而成的加热清洗圈，以便对元件进行经常加热清洗，排除有害气氛对元件的污染。感湿机理(一般认为)是：利用陶瓷烧结体微结晶表面对水分子进行吸湿或脱湿使电极间电阻值随相对湿度成指数变化。三、湿度传感器元件安放在一种高度致密的、疏水性的陶瓷底片上。为消除底座上测量电极2和3之间由于吸湿和沾污而引起的漏电。在电极2和3的四周设置了金短路环。三、湿度传感器体积小，测湿范围宽，一片即可测(1—100)％RH，并可用于高温环境(150℃)，最高承受温度可达600℃；用电热反复进行清洗，除掉吸附在陶瓷上的油雾、灰尘、盐、酸、气溶胶或其它污染物，保持精度不变响应速度快(一般不超过20s)；长期稳定性好。MgCr2O4—TiO2湿敏元件感湿特性及特点三、湿度传感器②五氧化二钒一二氧化钛(V2O5—TiO2)陶瓷湿敏元件V2O5—TiO2陶瓷湿敏元件系陶瓷多孔质烧结体，是利用体积吸附水汽现象的湿敏元件、元件内部的两根白金丝电极包埋在线圈内，通过测定电极间的电阻检测湿度。这类元件的特点是：测湿范围宽，能够耐高温，响应时间短；缺点是这类元件容易发生漂移，漂移量与相对湿度成比例。三、湿度传感器③羟基磷灰石陶瓷湿敏元件羟基磷灰石陶瓷湿敏元件是国外研究得比较多的磷灰石系陶瓷湿敏元件。羟基的存在有利于提高元件的长期稳定性。当在54％RH和100％RH湿度下，以每5min加热30s(450℃)的周期进行4000次热循环试验后，其误差仅为±3.5％RH。三、湿度传感器④氧化锌-三氧化二铬陶瓷湿敏元件上面介绍的几种烧结型陶瓷湿敏元件均需要加热清洗去污。这样在通电加热及加热后，延时冷却这段时间内元件不能使用，因此，测湿是断续的。这在某些场合下是不允许的；为此、国外已研制出不用电热清洗的陶瓷湿敏元件；ZnO—Cr2O3陶瓷湿敏元件就是其中的一种。特点：该湿敏元件的电阻率几乎不随温度改变，老化现象很小，长期使用后电阻率变化只有百分之几；元件的响应速度快，(0一100)％RH时，约10s；湿度变化土20％时，响应时间仅2s；吸湿和脱湿时几乎没有湿滞现象。三、湿度传感器①氧化铝薄膜湿敏元件特点：电容式该湿敏元件测湿的原理主要是多孔的三氧化二铝薄膜易于吸收空气中的水蒸气，从而改变了其本身的介电常数，这样由三氧化二铝做电介质构成的电容器的电容值，将随空气中水蒸气分压而变化。测量电容位，即可得出空气的相对湿度。优点：体积小，工作温度范围宽(从-111~+20℃及从+20~+60℃)，元件响应快,在低湿下灵敏度高，没有“冲蚀”；缺点：对污染敏感而影响精度，高湿时精度较差，工艺复杂，老化严重，稳定性较差。采用等离子法制作的元件，稳定性有所提高，但尚待进一步在应用中考核。⑶薄膜型三、湿度传感器氧化铝薄膜湿敏传感器多孔导电层A是用蒸发金膜制成的对面电极,它能使水蒸汽浸透氧化铝层B为湿敏部分C为绝缘层(高分子绝缘膜)；D为导线。三、湿度传感器目前以钽为基础的湿敏元件在有腐蚀剂和氧化剂的环境中使用时，都不能保证长期稳定性。但以钽作为基片，利用阳极氧化法形成氧化钽多孔薄膜是一种介电常数高、电特性和化学特性较稳定的薄膜。以此薄膜制成电容式湿敏元件可大大提高元件的长期稳定性。电容式湿敏元件就是采用氧化物为感湿材料的。制作工艺：它是在钽丝上阳极氧化一层氧化钽薄膜；膜上还有一层含防水剂的二氧化锰层，做为一对电极的导电层：考虑到对油烟、灰尘等应用环境的适应性，还装有活性炭纸过滤器，使之适于测量腐蚀件气体的湿度。②钽电容敏感元件三、湿度传感器3.有机物及高分子聚合物湿度传感器⑴胀缩性有机物湿敏元件这一类湿敏元件主要有：碳湿敏元件及结露敏感元件（后面介绍）等。有机纤维素具有吸湿溶胀、脱湿收缩的特性。利用这种特性，将导电的微粒或离子掺入其中作为导电材料，就可将其体积随环境湿度的变化转换为感湿材料电阻的变化。三、湿度传感器①、碳湿敏元件碳湿敏元件采用的感湿材料是溶胀性能较好的羟乙基纤维素(HEC)。工艺：羟乙基纤维素碳湿敏元件多采用丙烯酸塑料作为基片，采用涂刷导银漆或真空镀金、化学淀积等方法，在基片两长边的边缘上形成金属电极，然后，再在其上浸涂一层由羟乙基纤维素、导电碳黑和润湿性分散剂组成的浸涂液，待溶剂蒸发后即可获得一层具有胀缩特性的感湿膜。经老化、标定后即可使用。三、湿度传感器羟乙基纤维素碳湿敏感元件敏感功能结构三、湿度传感器羟乙基纤维素碳湿敏感元件的感湿特性曲线三、湿度传感器羟乙基纤维素碳湿敏感元件的感湿特性曲线的“隆起”现象这一现象的出现是由于混入浸涂液中的离子性杂质所引起的。实践证明，在干燥和超净条件下制得的元件，曲线的“隆起”现象就极其轻微。曲线B为在正常批量生产中元件的感湿特性曲线；曲线C是在高湿和离子污染较重的条件所得到元件的感湿特性曲线，“隆起”现象明显。曲线A是理想的元件所应具有的感湿特性曲线；三、湿度传感器该元件是在印制梳状电极的氧化铝基片上涂以电阻式感湿膜，感湿膜由新型树脂和碳粒组成。该元件具有独特的性能：在低湿时几乎没有感湿灵敏度，而在高湿(94％RH以上)时，其阻值剧增，呈现开关式阻值变化特性。②、结露敏感元件该元件的特点为：A、即使在使用中有灰尘和其它气体产生的表面污染，对元件的湿度特性影响很小；B、能够检测并区别结露、水分等高湿状态；C、尽管存在滞后等因素会引起特性变化，但由于具有急剧的开关特性，故工作点变动较小；D、能使用直流电压 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 电路，因为是导电无极化现象，故可用直流电源。三、湿度传感器⑵高分子聚合物薄膜湿敏元件电容式这是70年代新发展起来的一类比较理想的湿敏元件。作为感湿材料的高分子聚合物能随周围环境的相对湿度大小成比例地吸附和释放水分子。因为这类高分子大多是具有较小电介常数(εr＝2—7)的电介质，而水分子偶极矩的存在大大提高了聚合物的介电常数(εr＝83)。因此将此类特性的高分子电介质做成电容器，测定其电容量的变化，即可得出环境相对湿度。三、湿度传感器①等离子聚合法聚苯乙烯薄膜湿敏元件用等离子聚合法聚合的聚苯乙烯因有亲水的极性基团。随环境湿度大小而吸湿或脱湿而引起介电常数的改变。制作方法：在玻璃基片上镀上一层铝薄膜作为下电极，用等离子聚合法在铝膜上镀一层(0.05μm)聚苯乙烯作为电容器的电介质再在其上—层多孔金膜做为上电极该类元件的特点是测湿范围宽．有的可覆盖全湿范围；使用温度范围宽，有的可达-40一十150℃；响应速度快，有的小于1s；尺寸小．可用于狭小空间的测湿；温度系数小，有的可忽略不计。三、湿度传感器②醋酸纤维有机膜湿敏元件电容式湿敏元件的感湿材料即是醋酸纤维。制作工艺：在玻璃基片上蒸发梳状金电极，作为下电极将醋酸纤维按一定比例溶解于丙酮、乙醇(或乙醚)溶液中配成感湿溶液然后通过浸渍或涂覆的方法，在基片上附着一层(0.5μm)感湿膜再用蒸发工艺制成上电极，其厚度为20μm左右。这种湿敏元件响应速度快，重复性能好，由于是有机物，所以在有机溶剂环境下使用时有被溶解的缺点。最适宜的工作温度范围为0一80℃．三、湿度传感器③毛发湿度计据说最初的毛发湿度计是达芬奇(LeonarddaVinci)用羊毛或人的头发制成。原理：当相对湿度由0%变为100%时，人的头发伸长约2.5%，通过杠杆将这种伸长进行放大，从而转动指针，读出湿度三、湿度传感器