基于电容传感器的湿度检测技术.docx

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基于电容传感器的湿度检测技术

基于电容传感器湿度检测技术

湿度是表示大气干湿程度的物理量。

空气的湿度与我们的生活、工作、生产都有着直接的联系，为了获得和测量湿度值，就必须对湿度的测量进行研究。

渗漏检测是建筑、仓储等行业质量检测的关键环节。

目前，渗漏检测的方法多种多样，涉及多个技术领域。

本文主要介绍基于电容法测湿的平面极板电容器的研究。

目　录

1绪　论

人类的生存和社会活动与湿度密切相关，随着现代化的实现，很难找出一个与湿度无关的领域来。

在电子科学技术日益发达的今天,人类对自身的生活环境及工作环境要求越来越高。

湿度的监测与控制在国民经济各个部门，如国防、科研、煤炭开采和井下监测以及人生活等诸多领域有着非常广泛的应用。

众所周知,湿度的测量较复杂，而对湿度进行控制更不易。

人们熟知的毛发湿度计、干湿球湿度计等已不能满足现代工作条件和环境的要求。

为此，人们研制了各种湿度传感器，其中电阻和电容型湿度传感器以其测量范围宽,响应速度快,测量精度高,稳定性好,体积小,重量轻，制造工艺简单等显示出极大的优越性,在实际中得到了广泛应用。

由于应用领域不同，对湿度传感器的技术要求也不同。

从制造角度看，同是湿度传感器，材料、结构不同，工艺不同。

其性能和技术指标有很大差异，因而价格也相差甚远。

湿度是一个重要的物理量，航天航空，计量等许多环境中需要在高温下进行湿度的测量，很多行业中，如发电、纺织食品、医药、仓储、农业等，对温度、湿度参量的要求都非常严格，目前，在低温条件下，（通常是指100℃以下），湿度测量已经相对成熟，有商品化产品，并广泛应用于各种行业，另外有许多以行业需要在高温环境下测量湿度，如航天航空、机车舰船、发电变电、冶金矿山、计量科研、电厂、陶瓷、工业管道、发酵环境实验箱、高炉等场合，这时，湿度测量结果往往不如低温环境下的测量结果理想，另外，在恶劣的环境下工作，例如气流速度、温度、湿度变化非常剧烈或测量污染严重的工业化气体时，将使精度大大下降。

然而，随着科技的进步，人们对湿度的测量设备进行了越来越深层的研究，本文就以基于电容法测湿的平面极板电容器的研究进行阐述。

2湿度检测方法综述

2.1湿度传感器国内外的发展现状及前景

传感器属于多学科交叉、技术密集的高技术产品，其技术水平决定于科学研究的水平，而我国在传感器研究方面科研投资强度偏低，科研设备落后，加之我国存在科研和生产脱节的现象，所以影响了传感器科研成果的转化，造成了我国传感器产品综合实力较低，阻碍了传感器产业的发展。

敏感元件与传感器发展的总趋势是集成化、多功能化、智能化和系统化。

传感器领域的主要技术正在现有基础上予以延伸和提高，加速新一代传感器的开发和产业化，可以预期：

（1）微机械加工技术（MEMT技术）将高速发展，成为新一代微传感器、微系统的核心技术，是21世纪传感器技术领域中带有革命性变化的高新技术。

它不仅可以制成简单的三维结构，而且可以做成三维运动结构与复杂的力平衡结构。

采用MEMT技术形成的微传感器和微系统，具有划时代微小体积、低成本、高可靠等独特的优点。

（2）新型敏感材料将加速开发，微电子、光电子、生物化学、信息处理等各种学科，各种新技术的互相渗透和综合利用，可望研制出一批先进传感器。

（3）传感器应用领域得到新的拓展，二次传感器和传感器系统的比例大幅度增长，集成化、智能化传感器与变送器将会呈现畅销势。

近年来，湿度传感器的研究主要集中在感湿机理以及应用新材料、新工艺提高感湿特性和稳定性等方面。

目前，日本、美国等国在湿度传感器的研究上已走在世界前列。

湿度传感器可以分为三大类：

电解质湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器和有机高分子聚合物传感器。

湿度传感器具有线性好，温度系数小；制造工艺简单，易于批量生产。

转换电路简单，成本低；抗腐蚀，耐低温和高温等特点。

现在，湿敏传感器正从简单的湿敏组件向集成化、无损检测、多参数检测的方向迅速发展，为开发新型湿度测控系统创造了有力条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。

对高温环境下的测湿，半导体传感器由于其天然的耐高温特性和容易集成的优点，将成为高温湿度传感器的主流，而光纤高温湿度传感器由于其非接触测量特性，将会成为另一种很有应用潜力的传感器件，但是目前只有低温下的结果，若向高温范围应用，还要研究更有效的方法拓展测量范围。

同时，由于湿度是比较难检测的物理量，而且检测湿度时湿度传感器必须直接暴露于待测环境中，因此至今还没有制成抗污染、长期稳定可靠的湿度传感器。

在今后比较长的一段时间内，开发具有抗污染性和长期稳定性好的湿敏传感器仍然是一项重要的研究课题。

2.2湿度检测方法的特点和优劣

2.1.1伸缩式湿度传感器

根据测定选材,可分为毛发型和尼龙丝型湿度传感器。

毛发湿度传感器是利用脱脂毛发的线性尺寸随环境气体水汽含量而变的原理制成。

尼龙丝湿度传感器是利用其线性尺寸的变化与气体中湿度之间的关系来确定气体的湿度。

伸缩式湿度传器是普通的、使用历史较久的湿度传感器,具有装置简单,使用方便等特点。

若将伸缩式湿度传感器与记录仪配套使用,则可以连续记录气体中的相对湿度。

伸缩式湿度传感器在常温、常湿测量中具有实用价值。

但这种湿度传感器的精度不高,误差范围大约为士5%RH，响应速度低,在吸湿与脱湿过程中有滞迟现象,特别是小于10%RH或大于90%时的误差更大。

在选购毛发湿度传感器时,应选欧洲女金发进行脱脂处理后的毛发为适宜。

2.1.2蒸发式湿度传感器

蒸发式湿度传感器,一般称为千湿球湿度计在被测空气湿度场中,用两个相同的温度传感器,使其中之一的感温部分置于该被测湿度场中,使另一个温度传感器的感温部分置于饱和湿度场中（例如在感温部分裹一层湿纱布）当空气中相对湿度发生变化时,由这两个温度传感器指示出不同的温度差值来确定空气中的相对湿度。

干湿球湿度计例如采用液体水银温度计作为温度传感器价格低廉、精度较高,是一种使用广泛,较古老的湿度传感器。

缺点是不能直接指示RH值,也不能连续记录。

若用热敏电阻置换干湿球温度表并连接成电桥,组成电阻式干湿球湿度计,则可以直接指示值,并可连续记录与远距离自动测量。

一般在工厂、家庭、实验室或大气湿度测量中,只要干湿球的温度准确,环境处理合理,就可求得精度较高的空气相对湿度。

但普通干湿球湿度计的测量结果受空气气流速度和热辐射的影响,因此要求测量精度较高场合,则采用通风干湿球湿计。

在测量时还要考虑消除或修正大气压变化对湿度测量的影响。

2.1.3露点传感器

露点传感器是利用冷却方法使气体中的水汽达到饱和而结露,根据结露点温度来测量气体中的相对湿度。

它也是应用广泛历史较久湿度传感器。

根据测定露点温度的不同方法,可分为光电式、水晶式等冷凝式露点传感器。

前者能测定低湿度,在常温下精度高,配合铂电阻测温,准确度可达0.1℃,但结构复杂,须用肉眼判断露点与霜点的区别后者能连续记录与远距离控制,测精度也比较高,但必须定期清洗与涂敷氯化铿,而且在测量时不能有风,耐热性能也较差。

用露点传感器检测在干燥空气中的当低湿度较为适宜。

美国（GeneralEastern）公司根据工业领域的过程检测要求,使测量扩大到腐蚀性气体中,开发出了耐蚀型镜面冷凝式露传感器,镜面采用纯铂金制作而成。

其最大优点是能长时间地连续保持高精度测量。

目前,英国国立物理实验室用氧化铝露点传感器测量在0～40℃之间,准确度士1.5℃在一40～一60℃之间准确度为士2℃在一60～一80℃区间准确度为士3℃。

2.1.4电子式湿度传感器

电子式湿度传感器是利用一些物质的电特性与周围气体湿度之间具有一定关系来确定气体的湿度。

可分别为电阻、电容、电解式,电阻与电容组合式,热敏电阻式湿度传感器等。

电子传感器配测湿仪器近年来发展极为迅速,应用领域在逐步拓宽,如工业、农业、食品业、家庭生活、环境保护、医药卫生等领域测量范围有粮食存储、食品加工与存储、金属表面、药品、加工与存储、工作间卫生间、房屋建筑、大气监测等湿度测定便于远距离传感,特别适合于自动控制系统中湿度的控制和监测。

1>电阻式湿度传感器

它是利用某些吸湿性能较好的物质吸附水汽后,其电阻率变化的原理来测定相对湿度。

一般在中湿度（40～90%RH）一使用电阻型湿度传感器

电阻式湿度传感器根据所用的吸湿材料来分,有固体电解质湿度传感器、高分子有机物湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器等。

（1）固体电解质湿度传感器,它在无碱玻璃衬底上涂敷氯化铿电解质组成湿敏电阻。

这类传感器必须经常清污,而且耐热性能差,响应速度慢,故应用较少。

（2）高分子有机物湿度传感器,它在氧化铝基片上印刷固化了一对梳齿状金电极,金电极表面涂敷了一层感湿膜组成的。

虽然结构简单,但滞迟现象严重,故实用价值不大。

（3）半导体陶瓷湿度传感器,金属氧化物半导体陶瓷材料具有线性和热稳定性好,抗污染能力强,响应时间短,寿命长,使用范围宽等优点,因而这类湿度传感器发展快、品种多,故特别适用于湿度的自动测量。

半导体陶瓷湿度传感器有MgCr2o4一Tio2型和,ZnCr3o4系列,国产MSC一Ⅰ和MSC一Ⅱ型湿度传感器均属Fl3o4认半导体陶瓷型。

2>电容式湿度传感器

电容式湿度传感器利用某些物质吸附水汽后,其电介质系数发生变化,从而引起电容量改变的原理工作。

电容式湿度传感器用的电介质通常有两类高分子有机介质与陶瓷。

近年来,等离子体复合膜和玻璃陶瓷作为介质的电容式湿度传感器得到较快发展。

在低湿度（30%以下）使用电容型湿度传感器为宜。

高分子电容型湿度传感器的典型产品有RSD一2型,其响应性及可测范围（0～99%）都很好,但在高湿度情况下连续使用易于劣化。

3>热敏电阻式绝对湿度传感器

以上所述的湿度传感器主要测定相对湿度。

热敏电阻式用来测定绝对湿度,它将热敏电阻的一方封入到干燥空气中,另一方暴露在大气中,水蒸汽按能自加热的热敏电阻,就会产生温度差输出电信号。

在湿度变化的空气中,使用检测绝对水分量的绝对湿度传感器精度较好。

2.1.5电磁波湿度传感器

电磁波湿度传器是利用某些物质吸附水汽后,振荡频率、传播速度、整流特性等物理性能发生变化的原理来测

定相对湿度。

电磁波湿度传感器有晶振式、二极管型、微波式、声表面波传感器等。

应用特殊领域。

（1）晶振式湿度传感器。

石英振子的共振频率取决于振子的形状、切向和电极等组成的负载,在电极表面上涂敷吸湿膜聚脂等,在吸附水汽后,测出的变化即可测出RH值。

（2）二极管型

由Pd一Zno组成的二极管型湿度传感器,其整流特性随Pd吸湿程度而变,类似的湿度传感器还有Sno2仇湿敏二极管。

（3）微波式湿度传感器

利用水汽吸收微波并使微波传输损耗发生变化的原理可制成微波式湿度传感器。

（4）声表面波湿度传感器

将吸湿性的聚合物薄膜涂敷在声表面波延时振动子上,利用聚合物薄膜吸收水汽使弹性波传播速度发生变化的原理制成声表面波湿度传感器。

3电容法渗漏检测研究

3.1渗漏检测概述

建筑物渗漏是人们一直关心的问题之一。

科技发展到今天，各种防水材料，混凝土防水性设计等技术方法日新月异取得了巨大发展。

但时至今日，建筑物渗漏问题仍然屡见不鲜，给人们的生产和生活带来诸多困扰。

有报道指出，我国建筑物的平均渗漏率达65%，卫生间渗漏高达75%。

为保证建筑物防渗抗漏质量，渗漏检测已成为建筑物质量检测的关键一环。

我国建筑法明确规定，建筑物验收时必须做渗漏性能检验。

渗漏检测方法和检测水平的高低，将直接关系到建筑物施工质量。

随着对建筑质量和检测手段要求的不断提高，工程技术人员对渗漏检测技术进行了大力开发。

目前，国内外比较成熟的检测方法主要有：

破坏局部法，此法需打开防水结构，损伤原有建筑物。

气体压入法，将气体沿水浸入路径的反方向