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1、1,第一節(jié) 氣敏傳感器 第二節(jié) 濕度傳感器,第六章 化學(xué)傳感器,2,第一節(jié) 氣敏傳感器,接觸燃燒式氣敏元件 金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏元件 氧化鋯氣敏元件,工作原理、主要類型及應(yīng)用,3,一、接觸燃燒式氣體傳感器 1、檢測原理 可燃性氣體(H2、CO、CH4等)與空氣中的氧接觸，發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生反應(yīng)熱(無焰接觸燃燒熱)，使得作為敏感材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應(yīng)增大。一般情況下，空氣中可燃性氣體的濃度都不太高(低于10)，可燃性氣體可以完全燃燒，其發(fā)熱量與可燃性氣體的濃度有關(guān)?？諝庵锌扇夹詺怏w濃度愈大，氧化反應(yīng)(燃燒)產(chǎn)生的反應(yīng)熱量(燃燒熱)愈多，鉑絲的溫度變化(增高)愈大，其電阻值增加的就越

2、多。因此，只要測定作為敏感件的鉑絲的電阻變化值(R)，就可檢測空氣中可燃性氣體的濃度。但是，使用單純的鉑絲線圈作為檢測元件，其壽命較短，所以，實際應(yīng)用的檢測元件，都是在鉑絲圈外面涂覆一層氧化物觸媒。這樣既可以延長其使用壽命，又可以提高檢測元件的響應(yīng)特性。,4,接觸燃燒式氣體敏感元件的橋式電路如圖。圖中F1是檢測元件；F2是補償元件，其作用是補償可燃性氣體接觸燃燒以外的環(huán)境溫度、電源電壓變化等因素所引起的偏差。工作時，要求在F1和F2上保持100mA200mA的電流通過，以供可燃性氣體在檢測元件F1上發(fā)生氧化反應(yīng)(接觸燃燒)所需要的熱量。當(dāng)檢測元件F1與可燃性氣體接觸時，由于劇烈的氧化作用(燃燒

3、)，釋放出熱量，使得檢測元件的溫度上升，電阻值相應(yīng)增大，橋式電路不再平衡，在A、B間產(chǎn)生電位差E。,,,,,,,,,,,,,,,,,A,F2,F1,M,R1,R2,C,B,D,W2,W1,E0,,,,,,,,,,因為RF很小，且RF1R1=RF2R2,5,這樣，在檢測元件F1和補償元件F2的電阻比RF2/RF1接近于1的范圍內(nèi)，A，B兩點間的電位差E，近似地與RF成比例。在此，RF是由于可燃性氣體接觸燃燒所產(chǎn)生的溫度變化(燃燒熱)引起的，是與接觸燃燒熱(可燃性氣體氧化反應(yīng)熱)成比例的。即RF可用下式表示,如果令,則有,檢測元件的電阻溫度系數(shù)； T由于可燃性氣體接觸燃燒所引起的檢測元件的溫度增加

4、值； H可燃性氣體接觸燃燒的發(fā)熱量； C檢測元件的熱容量； Q可燃性氣體的燃燒熱；m可燃性氣體的濃度(Vol)； 由檢測元件上涂覆的催化劑決定的常數(shù)。,6,，C和的數(shù)值與檢測元件的材料、形狀、結(jié)構(gòu)、表面處理方法等因素有關(guān)。Q是由可燃性氣體的種類決定。因而，在一定條件下，都是確定的常數(shù)。則,A、B間的電位差E，并由此求得空氣中可燃性氣體的濃度。若與相應(yīng)的電路配合，就能在空氣中當(dāng)可燃性氣體達到一定濃度時，自動發(fā)出報警信號，其感應(yīng)特性曲線如圖。,接觸燃燒式氣敏元件的感應(yīng)特性,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,50,100,150,輸 出 電 壓 / mV,丙烷,,乙醇,,異丁烷,,丙酮,,

5、環(huán)己烷,,氣體濃度(XLEL),E=kmb,即A、B兩點間的電位差與可燃性氣體的濃度m成比例。如果在A、B兩點間連接電流計或電壓計，就可以測得,7,2、接觸燃燒式氣敏元件的結(jié)構(gòu) 用高純的鉑絲,繞制成線圈,為了使線圈具有適當(dāng)?shù)淖柚?12),一般應(yīng)繞10圈以上。在線圈外面涂以氧化鋁或氧化鋁和氧化硅組成的膏狀涂覆層,干燥后在一定溫度下燒結(jié)成球狀多孔體。將燒結(jié)后的小球,放在貴金屬鉑、鈀等的鹽溶液中,充分浸漬后取出烘干。然后經(jīng)過高溫?zé)崽幚?使在氧化鋁(氧化鋁一氧化硅)載體上形成貴金屬觸媒層,最后組裝成氣體敏感元件。除此之外,也可以將貴金屬觸媒粉體與氧化鋁、氧化硅等載體充分混合后配成膏狀,涂覆在鉑絲繞成

6、的線圈上,直接燒成后備用。另外，作為補償元件的鉑線圈,其尺寸、阻值均應(yīng)與檢測元件相同。并且,也應(yīng)涂覆氧化鋁或者氧化硅載體層,只是無須浸漬貴金屬鹽溶液或者混入貴金屬觸媒粉體,形成觸媒層而已。,8,,,,,,,,,,,,,,,,,,,觸媒,,Al2O3載體,Pt絲,,元件,,,,,,,,(0.8-2)mm,(b)敏感元件外形圖,接觸燃燒式氣敏元件結(jié)構(gòu)示意圖,(a)元件的內(nèi)部示意圖,,,,9,二、半導(dǎo)體氣體傳感器 氣體敏感元件，大多是以金屬氧化物半導(dǎo)體為基礎(chǔ)材料。當(dāng)被測氣體在該半導(dǎo)體表面吸附后，引起其電學(xué)特性(例如電導(dǎo)率)發(fā)生變化。目前流行的定性模型是：原子價控制模型、表面電荷層模型、晶粒間界勢壘模

7、型。 1、半導(dǎo)體氣敏元件的特性參數(shù) （1）氣敏元件的電阻值 將電阻型氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值，稱為氣敏元件(電阻型)的固有電阻值，表示為。一般其固有電阻值在(103105)范圍。 測定固有電阻值時, 要求必須在潔凈空氣環(huán)境中進行。由于經(jīng)濟地理環(huán)境的差異，各地區(qū)空氣中含有的氣體成分差別較大，即使對于同一氣敏元件，在溫度相同的條件下，在不同地區(qū)進行測定，其固有電阻值也都將出現(xiàn)差別。因此，必須在潔凈的空氣環(huán)境中進行測量。,10,（2）氣敏元件的靈敏度 是表征氣敏元件對于被測氣體的敏感程度的指標(biāo)。它表示氣體敏感元件的電參量（如電阻型氣敏元件的電阻值）與被測氣體濃度之間的依從關(guān)系。表示方法有

8、三種,（a）電阻比靈敏度K （b）氣體分離度 RC1氣敏元件在濃度為C1的被測氣體中的阻值： R2氣敏元件在濃度為C2的被測氣體中的阻值。通常，C1C2。 （c）輸出電壓比靈敏度KV Va:氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負(fù)載電阻上的電壓輸出； Vg:氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時，負(fù)載電阻的電壓輸出,Ra氣敏元件在潔凈空氣中的電阻值； Rg氣敏元件在規(guī)定濃度的被測氣體中的電阻值,11,（4）氣敏元件的響應(yīng)時間 表示在工作溫度下，氣敏元件對被測氣體的響應(yīng)速度。一般從氣敏元件與一定濃度的被測氣體接觸時開始計時，直到氣敏元件的阻值達到在此濃度下的穩(wěn)定電阻值的63時為止，所需時間稱為氣敏元件在此

9、濃度下的被測氣體中的響應(yīng)時間，通常用符號tr表示。,（3）氣敏元件的分辨率 表示氣敏元件對被測氣體的識別（選擇）以及對干擾氣體的抑制能力。氣敏元件分辨率S表示為,Va氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負(fù)載電阻上的輸出電壓；Vg氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時，負(fù)載電阻上的電壓 Vgi氣敏元件在i種氣體濃度為規(guī)定值中工作時，負(fù)載電阻的電壓,12,（5）氣敏元件的加熱電阻和加熱功率 氣敏元件一般工作在200以上高溫。為氣敏元件提供必要工作溫度的加熱電路的電阻(指加熱器的電阻值)稱為加熱電阻，用RH表示。直熱式的加熱電阻值一般小于5；旁熱式的加熱電阻大于20。氣敏元件正常工作所需的加熱電路功率，稱為加熱

10、功率，用表示。一般在(0.52.0)W范圍。,（6）氣敏元件的恢復(fù)時間 表示在工作溫度下,被測氣體由該元件上解吸的速度,一般從氣敏元件脫離被測氣體時開始計時,直到其阻值恢復(fù)到在潔凈空氣中阻值的63時所需時間。,13,（7）初期穩(wěn)定時間 長期在非工作狀態(tài)下存放的氣敏元件,因表面吸附空氣中的水分或者其他氣體,導(dǎo)致其表面狀態(tài)的變化，在加上電負(fù)荷后,隨著元件溫度的升高,發(fā)生解吸現(xiàn)象。因此,使氣敏元件恢復(fù)正常工作狀態(tài),需要一定的時間,稱為氣敏元件的初期穩(wěn)定時間。一般電阻型氣敏元件,在剛通電的瞬間,其電阻值將下降,然后再上升,最后達到穩(wěn)定。由開始通電直到氣敏元件阻值到達穩(wěn)定所需時間,稱為初期穩(wěn)定時間。初

11、期穩(wěn)定時間是敏感元件存放時間和環(huán)境狀態(tài)的函數(shù)。存放時間越長,其初期穩(wěn)定時間也越長。在一般條件下,氣敏元件存放兩周以后,其初期穩(wěn)定時間即可達最大值。,14,2、燒結(jié)型SnO2氣敏元件 SnO2系列氣敏元件有燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種。燒結(jié)型應(yīng)用最廣泛性。 其敏感體用粒徑很小(平均粒徑m)的SnO2粉體為基本材料，根據(jù)需要添加不同的添加劑，混合均勻作為原料。主要用于檢測可燃的還原性氣體，其工作溫度約300。根據(jù)加熱方式，分為直接加熱式和旁熱式兩種。,（1）直接加熱式SnO2氣敏元件(直熱式氣敏元件),由芯片(敏感體和加熱器)，基座和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成。因其熱容量小、穩(wěn)定性差，測量電路與加熱電路

12、間易相互干擾，加熱器與SnO2基體間由于熱膨脹系數(shù)的差異而導(dǎo)致接觸不良，造成元件的失效，現(xiàn)已很少使用。,15,（2）旁熱式SnO2氣敏元件,加熱器電阻值一 般為3040,圖3-2-1,右圖為薄膜器件。采用蒸發(fā)或濺射工藝，在石英基片上形成氧化物半導(dǎo)體薄膜（其厚度約在100nm以下)。制作方法也很簡單。實驗證明，SnO2半導(dǎo)體薄膜的氣敏特性最好；但這種半導(dǎo)體薄膜為物理性附著，器件間性能差異較大。,19,三、氧化鋯氧氣傳感器 固體電解質(zhì)是具有離子導(dǎo)電性能的固體物質(zhì)。一般認(rèn)為，固體物質(zhì)(金屬或半導(dǎo)體)中，作為載流子傳導(dǎo)電流的是正、負(fù)電子。可是，在固體電解質(zhì)中，作為載流子傳導(dǎo)電流的，卻主要是離子。二氧

13、化鋯（ZrO2）在高溫下(但尚遠(yuǎn)未達到熔融的溫度)具有氧離子傳導(dǎo)性。 純凈的二氧化鋯在常溫下屬于單斜晶系，隨著溫度的升高，發(fā)生相轉(zhuǎn)變。在1100下，為正方晶系，2500下，為立方晶系，2700下熔融，在熔融二氧化鋯中添加氧化鈣、三氧化二釔、氧化鎂等雜質(zhì)后，成為穩(wěn)定的正方晶型，具有瑩石結(jié)構(gòu)，稱為穩(wěn)定化二氧化鋯。并且由于雜質(zhì)的加入，在二氧化鋯晶格中產(chǎn)生氧空位，其濃度隨雜質(zhì)的種類和添加量而改變，其離子電導(dǎo)性也隨雜質(zhì)的種類和數(shù)量而變化。,20,在二氧化鋯中添加氧化鈣、三氧化二釔等添加物后,其離子電導(dǎo)都將發(fā)生改變。尤其是在氧化鈣添加量為15mol左右時,離子電導(dǎo)出現(xiàn)極大值。但是，由于二氧化鋯一氧化鈣

14、固溶體的離子活性較低，要在高溫下，氣敏元件才有足夠的靈敏度。添加三氧化二釔的ZrO2Y2O3固溶體，離子活性較高，在較低的溫度下，其離子電導(dǎo)都較大，如圖。因此，通常都用這種材料制作固定電解質(zhì)氧敏元件。添加Y2O3的ZrO2固體電解質(zhì)材料，稱為YSZ材料。,21,ZrO2系固體電解質(zhì)的離子電導(dǎo)與溫度關(guān)系,5,,,,,,,,,,,,600,800,1000,1200,10-1,10-2,10-3,10-4,,,,,,,,1,,2,,,3,4,,,6,,7,,t /,離 子 電 導(dǎo)/-1 cm-1,1 添加8%molYb2O3 ；2 ZrO0.92 SC2O30.04 Yb2O30.04 3 ZrO

15、2 ；4 添加10%molY2O3 ；5 添加13%molCaO 6 添加15%molY2O3 ；7 添加10%molCeO,,,,22,四、氣體傳感器的應(yīng)用 分為檢測、報警、監(jiān)控等幾種類型。 1、電源電路 一般氣敏元件的工作電壓不高(3V10V)，其工作電壓，特別是供給加熱的電壓，必須穩(wěn)定。否則，將導(dǎo)致加熱器的溫度變化幅度過大，使氣敏元件的工作點漂移，影響檢測準(zhǔn)確性。,2、輔助電路,由于氣敏元件自身的特性(溫度系數(shù)、濕度系數(shù)、初期穩(wěn)定性等)，在設(shè)計、制作應(yīng)用電路時，應(yīng)予以考慮。如采用溫度補償電路，減少氣敏元件的溫度系數(shù)引起的誤差；設(shè)置延時電路，防止通電初期，因氣敏元件阻值大幅度變化造成誤報

16、；使用加熱器失效通知電路，防止加熱器失效導(dǎo)致漏報現(xiàn)象。下圖是一溫度補償電路,23,當(dāng)環(huán)境溫度降低時，則負(fù)溫度熱敏電阻(R5)的阻值增大，使相應(yīng)的輸出電壓得到補償。,右圖為正溫度系數(shù)熱敏電阻(R2)的延時電路。剛通電時，其電阻值也小，電流大部分經(jīng)熱敏電阻回到變壓器，蜂鳴器(BZ)不發(fā)出報警。當(dāng)通電12min后，阻值急劇增大，通過蜂鳴器的電流增大，電路進入正常的工作狀態(tài)。,24,3、檢測工作電路 這是氣敏元件應(yīng)用電路的主體部分。 下圖是設(shè)有串聯(lián)蜂鳴器的應(yīng)用電路。隨著環(huán)境中可燃性氣體濃度的增加，氣敏元件的阻值下降到一定值后，流入蜂鳴器的電流，足以推動其工作而發(fā)出報警信號。,,,,,,,,,220

17、V,,BZ,,,,,,,氖管,家用可燃性氣體報警器電路,氣敏傳感器,蜂鳴器,B,R,,,,,,25,下圖是差分式可燃性氣體檢測儀電路原理圖。 在此電路中，BG1、BG2的參數(shù)應(yīng)力求一致，最好選用差分對管。采用這種差分電路，檢測氣體的靈敏度可達100 106。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,K1,W11,W31,W41,W21,R3,R2,BG1,BG2,R4,R5,K2,3V,6V,A,差分式可燃性氣體檢測儀電路,,,,,R1,,,,,,,RQ,26,,下圖是家用煤氣(CO)安全報警電路。 一部分是煤氣報警器，在煤

18、氣濃度達到危險界限前發(fā)生警報；另一部分是開放式負(fù)離子發(fā)生器，其作用是自動產(chǎn)生空氣負(fù)離子，使煤氣中主要有害成分一氧化碳與空氣負(fù)離子中的臭氧(O3)反應(yīng)，生成對人體無害的二氧化碳。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,IC1,,IC2,,,,,,,,,,,,,J,,,,,,,,,,BG3,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,220V,K,J1,,R10,R12,R11,R1,,,,,,,R2,R3,,,,,,R4,,BG1,BG2,C1,C2,C3,C4,R5,R6,R7,,,,R8,

19、R13,,R9,,,D1,D2,D3,D4,D5,Dw,W1,W2,C7,C5,C6,MT2,MT1,,3CTS3,RQ,A,B,LED,6,2,1,3,7,,4,8,5,2,13,8,7,B1,B2,D7,煤氣安全報警器原理圖,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,27,第二節(jié)濕度傳感器 精密儀器、半導(dǎo)體集成電路與元器件制造場所，氣象預(yù)報、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工等行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。 濕度傳感器依據(jù)使用材料分類：,電解質(zhì)型：以氯化鋰為例，它在絕緣基板上制作一對電極，涂上氯化鋰鹽膠膜。氯化鋰極易潮解，并產(chǎn)生離子導(dǎo)電，隨濕度升高而電阻減小。 陶瓷型：一般以金屬氧化物為原料，通過陶

20、瓷工藝，制成一種多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值對空氣中水蒸氣的敏感特性而制成。 高分子型：先在玻璃等絕緣基板上蒸發(fā)梳狀電極,通過浸漬或涂覆,使其在基板上附著一層有機高分子感濕膜。有機高分子的材料種類也很多,工作原理也各不相同。 單晶半導(dǎo)體型：所用材料主要是硅單晶，利用半導(dǎo)體工藝制成。制成二極管濕敏器件和MOSFET濕度敏感器件等。其特點是易于和半導(dǎo)體電路集成在一起。,28,一、濕度表示法 空氣中含有水蒸氣的量稱為濕度，含有水蒸氣的空氣是一種混合氣體。主要有質(zhì)量百分比和體積百分比、相對濕度和絕對濕度、露點（霜點）等表示法。 1、質(zhì)量百分比和體積百分比 質(zhì)量為M的混合氣體中，若含水蒸氣的質(zhì)量為

21、m，則質(zhì)量百分比為,vV100,這兩種方法統(tǒng)稱為水蒸氣百分含量法。,mM100,在體積為V的混合氣體中，若含水蒸氣的體積為v，則體積百分比為,29,2、相對濕度和絕對濕度 水蒸氣壓是指在一定的溫度條件下，混合氣體中存在的水蒸氣分壓(p)。而飽和蒸氣壓是指在同一溫度下，混合氣體中所含水蒸氣壓的最大值(ps)。溫度越高，飽和水蒸氣壓越大。在某一溫度下，其水蒸氣壓同飽和蒸氣壓的百分比，稱為相對濕度 絕對濕度表示單位體積內(nèi)，空氣里所含水蒸氣的質(zhì)量，其定義為,m待測空氣中水蒸氣質(zhì)量；V待測空氣的總體積； v待測空氣的絕對濕度。,如果把待測空氣看作是由水蒸氣和干燥空氣組成的二元理想混合氣體，根據(jù)道爾頓分

22、壓定律和理想氣體狀態(tài)方程，可得出：,P：空氣中水蒸氣分壓；M：水蒸氣的摩爾質(zhì)量 R：理想氣體常數(shù)； T：空氣的絕對溫度。,30,3、露（霜）點 水的飽和蒸氣壓隨溫度的降低而逐漸下降。在同樣的空氣水蒸氣壓下，溫度越低，則空氣的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和蒸氣壓差值越小。當(dāng)空氣溫度下降到某一溫度時，空氣中的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和水蒸氣壓相等。此時，空氣中的水蒸氣將向液相轉(zhuǎn)化而凝結(jié)成露珠，相對濕度為100RH。該溫度，,稱為空氣的露點溫度，簡稱露點。如果這一溫度低于0時，水蒸氣將結(jié)霜，又稱為霜點溫度。兩者統(tǒng)稱為露點?？諝庵兴魵鈮涸叫?，露點越低，因而可用露點表示空氣中的濕度。,31,二、濕度傳感器

23、的主要參數(shù) 1、濕度量程 指濕度傳感器技術(shù)規(guī)范中所規(guī)定的感濕范圍。全濕度范圍用相對濕度(0100)RH表示，它是濕度傳感器工作性能的一項重要指標(biāo)。,2、感濕特征量相對濕度特性 每種濕度傳感器都有其感濕特征量，如電阻、電容等，通常用電阻比較多。以電阻為例，在規(guī)定的工作濕度范圍內(nèi)，濕度傳感器的電阻值隨環(huán)境濕度變化的關(guān)系特性曲線，簡稱阻濕特性。有的濕度傳感器的電阻值隨濕度的增加而增大，這種為正特性濕敏電阻器，如Fe3O4濕敏電阻器。有的阻值隨著濕度的增加而減小，這種為負(fù)特性濕敏電阻器，如TiO2SnO2陶瓷濕敏電阻器。對于這種濕敏電阻器，低濕時阻值不能太高，否則不利于和測量系統(tǒng)或控制儀表相連接。,

24、32,3、感濕靈敏度 簡稱靈敏度，又叫濕度系數(shù)。其定義是在某一相對濕度范圍內(nèi)，相對濕度改變1RH時，濕度傳感器電參量的變化值或百分率。 各種不同的濕度傳感器，對靈敏度的要求各不相同，對于低濕型或高濕型的濕度傳感器，它們的量程較窄，要求靈敏度要很高。但對于全濕型濕度傳感器，并非靈敏度越大越好，因為電阻值的動態(tài)范圍很寬，給配制二次儀表帶來不利，所以靈敏度的大小要適當(dāng)。,33,4、特征量溫度系數(shù) 反映濕度傳感器在感濕特征量相對濕度特性曲線隨環(huán)境溫度而變化的特性。感濕特征量隨環(huán)境溫度的變化越小，環(huán)境溫度變化所引起的相對濕度的誤差就越小。 在環(huán)境溫度保持恒定時，濕度傳感器特征量的相對變化量與對應(yīng)的溫度

25、變化量之比，稱為特征量溫度系數(shù)。,T溫度25與另一規(guī)定環(huán)境溫度之差； R1(C1)溫度25時濕度傳感器的電阻值(或電容值)； R2(C2)另一規(guī)定環(huán)境溫度時濕度傳感器的電阻值(或電容值)。,電容溫度系數(shù)(%/)=,電阻溫度系數(shù)(%/)=,34,5、感濕溫度系數(shù) 反映濕度傳感器溫度特性的一個比較直觀、實用的物理量。它表示在兩個規(guī)定的溫度下，濕度傳感器的電阻值(或電容值)達到相等時，其對應(yīng)的相對濕度之差與兩個規(guī)定的溫度變化量之比，稱為感濕溫度系數(shù)?；颦h(huán)境溫度每變化1時，所引起的濕度傳感器的濕度誤差。感濕溫度系數(shù) T溫度25與另一規(guī)定環(huán)境溫度之差； H1溫度25時濕度傳感器某一

26、電阻值(或電容值)對應(yīng)的相對濕度值； H2另一規(guī)定環(huán)境溫度下濕度傳感器另一電阻值(或電容值)對應(yīng)的相對濕度。 下圖為感濕溫度系數(shù)示意圖。,(%RH/)=,35,相對濕度/%,,,,,,,H1,H2,H2,感濕溫度系數(shù)示意圖,相對濕度/%,,,,,,,H1,H2,H2,R,C,,,,,,,T2,T2,T2,T2,25,25,(a) 電阻型,(b)電容型,36,6、響應(yīng)時間 在一定溫度下，當(dāng)相對濕度發(fā)生躍變時，濕度傳感器的電參量達到穩(wěn)態(tài)變化量的規(guī)定比例所需要的時間。一般是以相應(yīng)的起始和終止這一相對濕度變化區(qū)間的63作為相對濕度變化所需要的時間，也稱時間常數(shù)，它是反映濕度傳感器相對濕度發(fā)生變化時

27、，其反應(yīng)速度的快慢。單位是s。也有規(guī)定從起始到終止90的相對濕度變化作為響應(yīng)時間的。響應(yīng)時間又分為吸濕響應(yīng)時間和脫濕響應(yīng)時間。大多數(shù)濕度傳感器都是脫濕響應(yīng)時間大于吸濕響應(yīng)時間，一般以脫濕響應(yīng)時間作為濕度傳感器的響應(yīng)時間。,37,7、電壓特性 當(dāng)用濕度傳感器測量濕度時，所加的測試電壓，不能用直流電壓。這是由于加直流電壓引起感濕體內(nèi)水分子的電解，致使電導(dǎo)率隨時間的增加而下降，故測試電壓采用交流電壓。,右圖表示濕度傳感器的電阻與外加交流電壓之間的關(guān)系?？梢姡瑴y試電壓小于5V時，電壓對阻濕特性沒有影響。但交流電壓大于15V時，由于產(chǎn)生焦耳熱，對濕度傳感器的阻濕特性產(chǎn)生了較大影響，因而一般濕度傳感的使

28、用電壓都小于10V。,Lg R /,,,,,,,,,,0,1,2,3,4,5,6,5,7,8,4,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,20 100Hz,11% RH,33% RH,75% RH,100% RH,U/V,38,,,,,電阻頻率特性,20 5V,11% RH,33% RH,100% RH,Lg f / Hz,,,,,,,,,,0,1,2,3,4,5,6,5,7,8,4,,,,,,,,,,,,,,,,,75% RH,Lg R /,8、頻率特性 濕度傳感器的阻值與外加測試電壓頻率的關(guān)系，如圖。在高濕時，頻率對阻值的影響很小，當(dāng)?shù)蜐窀哳l時，隨著頻率的增加，阻值下降。對這種濕度

29、傳感器，在各種濕度下，當(dāng)測試頻率小于103Hz時，阻值不隨使用頻率而變化，故該濕度傳感器使用頻率的上限為103Hz。濕度傳感器的使用頻率上限由實驗確定。直流電壓會引起水分子的電解，因此，測試電壓頻率也不能太低。,39,三、電解質(zhì)濕度傳感器 電解質(zhì)是以離子形式導(dǎo)電的物質(zhì)，分為固體電解質(zhì)和液體電解質(zhì)。若物質(zhì)溶于水中，在極性水分子作用下，能全部或部分地離解為自由移動的正、負(fù)離子，稱為液體電解質(zhì)。電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率與溶液的濃度有關(guān)，而溶液的濃度，在一定的溫度下又是環(huán)境相對濕度的函數(shù)。,電解質(zhì)氯化鋰濕度傳感器最為典型,把不同感濕范圍的單片濕度傳感器組合起來,可制成相對濕度工作量程為2090RH的濕度傳感

30、器,40,四、陶瓷濕度傳感器 利用半導(dǎo)體陶瓷材料制成的陶瓷濕度傳感器。具有許多優(yōu)點：測濕范圍寬，可實現(xiàn)全濕范圍內(nèi)的濕度測量；工作溫度高，常溫濕度傳感器的工作溫度在150以下，而高溫濕度傳感器的工作溫度可達800，響應(yīng)時間較短，精度高，抗污染能力強，工藝簡單，成本低廉。,典型產(chǎn)品是燒結(jié)型陶瓷濕敏元件是MgCr2O4TiO2系。此外，還有TiO2-V2O5系、ZnOLi2OV2O5系、ZnCr2O4系、ZrO2MgO系、Fe3O4系、Ta2O5系等。這類濕度傳感器的感濕特征量大多數(shù)為電阻。除Fe3O4外，都為負(fù)特性濕度傳感器，即隨著環(huán)境相對濕度的增加，阻值下降。也有少數(shù)陶瓷濕度傳感器，它的感濕特性

31、量為電容。,45,1、結(jié)構(gòu) 該濕度傳感器的感濕體是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。這種多孔陶瓷的氣孔大部分為粒間氣孔,氣孔直徑隨TiO2添加量的增加而增大。粒間氣孔與顆粒大小無關(guān), 相當(dāng)于一種開口毛細(xì)管,容易吸附水分。材料的主晶相是MgCr2O4相,此外,還有TiO2相等,感濕體是一個多晶多相的混合物。,46,2、主要特性與性能 （1）電阻一濕度特性 MgCr2O4TiO2系陶瓷濕度傳感器的電阻一濕度特性，隨著相對濕度的增加，電阻值急驟下降，基本按指數(shù)規(guī)律下降。在單對數(shù)的坐標(biāo)中，電阻濕度特性近似呈線性關(guān)系。當(dāng)相對濕度由0變?yōu)?00RH時，阻值從107下降到104，即變化了三個數(shù)量級。,

32、,,,,,,,,,,,,,20,40,60,80,100,103,104,105,106,107,108,相對濕度/%,R/,,,,,,,,,47,（2）電阻溫度特性 是在不同的溫度環(huán)境下，測量陶瓷濕度傳感器的電阻濕度特性。從圖可見，從20到80各條曲線的變化規(guī)律基本一致，具有負(fù)溫度系數(shù)，其感濕負(fù)溫度系數(shù)為0.38RH。如果要求精確的濕度測量，需要對濕度傳感器進行溫度補償。,,,,,,,,,,,,,,,,,,20,40,60,80,100,103,104,105,106,107,108,,,,,,相對濕度/%,20,40,60,80,,,,,R/,,MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器的電阻溫

33、度特性,,48,MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器的時間響應(yīng)特性,,,,,,,,,,,,,,,,,,20,40,60,80,100,,,,,,,,,,,,,0,10,20,30,94%RH 50%RH,1%RH 50%RH,t /s,%RH,,（3）響應(yīng)時間 響應(yīng)時間特性如圖。根據(jù)響應(yīng)時間的規(guī)定，從圖中可知，響應(yīng)時間小于10s。,,,49,（4）穩(wěn)定性 制成的MgCr2O4-TiO2系陶瓷類濕度傳感器，需要實驗：高溫負(fù)荷實驗(大氣中，溫度150，交流電壓5V，時間104h)；高溫高濕負(fù)荷試驗(濕度大于95RH，溫度60，交流電壓5V，時間104h)；常溫常濕試驗濕度(1090)RH

34、，溫度(1040)；油氣循環(huán)試驗(油蒸氣加熱清洗循環(huán)25萬次，交流電壓5V)。經(jīng)過以上各種試驗，大多數(shù)陶瓷濕度傳感器仍能可靠地工作，說明穩(wěn)定性比較好。,50,五、高分子濕度傳感器 用有機高分子材料制成的濕度傳感器，主要是利用其吸濕性與脹縮性。某些高分子電介質(zhì)吸濕后，介電常數(shù)明顯改變，制成了電容式濕度傳感器；某些高分子電解質(zhì)吸濕后，電阻明顯變化，制成了電阻式濕度傳感器；利用脹縮性高分子（如樹脂）材料和導(dǎo)電粒子，在吸濕之后的開關(guān)特性，制成了結(jié)露傳感器。 （一）電容式濕度傳感器 1、結(jié)構(gòu),高分子薄膜電介質(zhì)電容式濕度傳感器的基本結(jié)構(gòu)。,51,2、感濕機理與性能 電容式高分子濕度傳感器，其上部多孔質(zhì)

35、的金電極可使水分子透過，水的介電系數(shù)比較大，室溫時約為79。感濕高分子材料的介電常數(shù)并不大，當(dāng)水分子被高分子薄膜吸附時，介電常數(shù)發(fā)生變化。隨著環(huán)境濕度的提高，高分子薄膜吸附的水分子增多，因而濕度傳感器的電容量增加所以根據(jù)電容量的變化可測得相對濕度。,52,（2）響應(yīng)特性 由于高分子薄膜可以做得極薄，所以吸濕響應(yīng)時間都很短，一般都小于5s，有的響應(yīng)時間僅為1s。 （3）電容一溫度特性 電容式高分子膜濕度傳感器的感濕特性受溫度影響非常小，在550范圍內(nèi),電容溫度系數(shù)約為0.06RH/,（1）電容濕度特性 其電容隨著環(huán)境溫度的增加而增加,基本上呈線性關(guān)系。當(dāng)測試頻率為l.5MHz左右時,其輸出特性有

36、良好的線性度。對其它測試頻率,如1kHz、10kHz，盡管傳感器的電容量變化很大,但線性度欠佳。可外接轉(zhuǎn)換電路,使電容濕度特性趨于理想直線。,53,（二）電阻式高分子膜濕度傳感器 1、結(jié)構(gòu) 聚苯乙烯磺酸鋰濕度傳感器的結(jié)構(gòu)。,,,,,,,,,,,,,,,,,引線端,感濕膜,聚苯乙烯磺酸鋰濕度傳感器的結(jié)構(gòu),梳狀電極,基片,,,,,,54,2、主要特性 （1）電阻濕度特性 當(dāng)環(huán)境濕度變化時，傳感器在吸濕和脫濕兩種情況的感濕特性曲線，如圖。在整個濕度范圍內(nèi)，傳感器均有感濕特性，其阻值與相對濕度的關(guān)系在單對數(shù)坐標(biāo)紙上近似為一直線。吸濕和脫濕時濕度指示的最大誤差值為(34)RH。,,,,,,,,,,,

37、,,,,,1K,30,40,50,60,70,80,90,吸濕,10K,100K,1M,10M,相對濕度/%,,R/,脫濕,,,,,,<3%RH,電阻濕度特性,55,（2）溫度特性 聚苯乙烯磺酸鋰的電導(dǎo)率隨溫度的變化較為明顯，具有負(fù)溫度系數(shù)。在(055)時，溫度系數(shù)為(0.61.0)RH/。,,,,,,,,,,,,,,,,0,40,20,104,60,80,100,50,10,102,103,聚苯乙烯磺酸鋰濕度傳感器的濕度特性,25,40,,,,R/,相對濕度/%,56,（3）其它特性 聚苯乙烯磺酸鋰濕度傳感器的升濕響應(yīng)時間比較快，降濕響應(yīng)時間比較慢，響應(yīng)時間在一分鐘之內(nèi)。濕滯比較小，在(1

38、2)RH之間。這種濕度傳感器具有良好的穩(wěn)定性。存儲一年后，其最大變化不超過2RH，完全可以滿足器件穩(wěn)定性的要求。 高分子薄膜濕度傳感器的缺點是：對于含有機溶媒氣體的環(huán)境下測濕時，器件易損壞；另外不能用于80以上的高溫。,57,六、濕度傳感器的測量電路 （一）檢測電路的選擇 1、電源選擇 一切電阻式濕度傳感器都必須使用交流電源，否則性能會劣化甚至失效。 電解質(zhì)濕度傳感器的電導(dǎo)是靠離子的移動實現(xiàn)的，在直流電源作用下，正、負(fù)離子必然向電源兩極運動，產(chǎn)生電解作用，使感濕層變薄甚至被破壞；在交流電源作用下，正負(fù)離子往返運動，不會產(chǎn)生電解作用，感濕膜不會被破壞。 交流電源的頻率選擇是，在不產(chǎn)生正

39、、負(fù)離子定向積累情況下盡可能低一些。在高頻情況下，測試引線的容抗明顯下降，會把濕敏電阻短路。另外，濕敏膜在高頻下也會產(chǎn)生集膚效應(yīng)，阻值發(fā)生變化，影響到測濕靈敏度和準(zhǔn)確性。,58,2溫度補償 濕度傳感器具有正或負(fù)的溫度系數(shù)，其溫度系數(shù)大小不一，工作溫區(qū)有寬有窄。所以要考慮溫度補償問題。 對于半導(dǎo)體陶瓷傳感器，其電阻與溫度的的關(guān)系一般為指數(shù)函數(shù)關(guān)系，通常其溫度關(guān)系屬于NTC型，即,H：相對濕度； T：絕對溫度； R0：在T=0相對濕度H=0時的阻值； A：濕度常數(shù)；B：溫度常數(shù)。,溫度系數(shù),濕度系數(shù),濕度溫度系數(shù),若傳感器的濕度溫度系數(shù)為0.07RH/，工作溫度差為30，測量誤差為0.21RH/

40、，則不必考慮溫度補償；若濕度溫度系數(shù)為0.4RH/，則引起12RH/的誤差,必須進行溫度補償。,59,3線性化 濕度傳感器的感濕特征量與相對濕度之間的關(guān)系不是線性的，這給濕度的測量、控制和補償帶來了困難。需要通過一種變換使感濕特征量與相對濕度之間的關(guān)系線性化。下圖為濕度傳感器測量電路原理框圖。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A2,A1,A3,A4,A5,A6,+,+,_,_,濕敏元件,R1,R2,R3,R4,R5,R6,RT,USC,C1,C2,C3,W,濕度傳感器測量電路原理框圖,D1,,,,,,,振蕩器,放大

41、電路,傳感器,驅(qū)動電路,整流電路,對數(shù),溫補電路,60,（二）典型電路 電阻式濕度傳感器，其測量電路主要有兩種形式: 1電橋電路 振蕩器對電路提供交流電源。電橋的一臂為濕度傳感器，由于濕度變化使?jié)穸葌鞲衅鞯淖柚蛋l(fā)生變化，于是電橋失去平衡，產(chǎn)生信號輸出，放大器可把不平衡信號加以放大，整流器將交流信號變成直流信號，由直流毫安表顯示。振蕩器和放大器都由9V直流電源供給。電橋法適合于氯化鋰濕度傳感器。,振蕩器,電 橋,放大器,橋式整流,電表指示,,,,,,,直流電源9V,,,,,,,,,,,,濕度 傳感器,電橋測濕電路框圖,,61,100k,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

42、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,傳感器,濕度,,3AX3 2,10k,100k6,,3DG6,2k,2k,2.2k,9V,10F,10F,20F,10F,20F,3k2,U,10F,51k,51k,100mA,便攜式濕度計的實際電路,62,2歐姆定律電路 此電路適用于可以流經(jīng)較大電流的陶瓷濕度傳感器。由于測濕電路可以獲得較強信號，故可以省去電橋和放大器，可以用市電作為電源，只要用降壓變壓器即可。其電路圖如圖。,歐姆定律電路,,,,,,,,,,,,,

43、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,220V,22k,51k,3V,2AP94,輸入,Rd,插口,0.05F2,,,63,3帶溫度補償?shù)臐穸葴y量電路 在實際應(yīng)用中，需要同時考慮對濕度傳感器進行線性處理和溫度補償，常常采用運算放大器構(gòu)成濕度測量電路。下圖為濕度測量電路中Rt是熱敏電阻器(20k，B=4100K)；RH為H204C濕度傳感器，運算放大器型號為LM2904。該電路的濕度電壓特性及溫度特性表明：在(3090)RH、1535范圍內(nèi)，輸出電壓表示的濕度誤差不超過3RH。,64,測試題 1.結(jié)合感溫核心電路PTAT,簡述IC集成溫度傳感器(電流型或電壓型任選一種)工作原理. 2.硅光電二極管原理.,