《传感器与检测技术》课程报告.docx

《传感器与检测技术》课程报告.docx

《《传感器与检测技术》课程报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《传感器与检测技术》课程报告.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

《传感器与检测技术》课程报告

《传感器与检测技术》课程报告

题目：

湿敏传感器

专业班级：

电气自动化技术2班

*****

学号：

*********

日期：

2014年6月6号

湿敏传感器

摘要：

在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。

但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。

这是因为测量湿度要比测量温度复杂得多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素（大气压强、温度）的影响。

此外，湿度的标准也是一个难题。

国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。

近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。

湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新水平。

关键词：

湿敏传感器、湿度/温度测控系统、湿度测量技术

Abstract：

Inindustrialandagriculturalproduction,meteorology,environmentalprotection,nationaldefense,scientificresearch,aerospaceandotherdepartments,oftenneedtotemperaturemeasurementandcontroltotheenvironment.Butinaconventionalenvironmentparameters,humidityisthemostdifficulttoaccuratelymeasureaparameter.Thisisbecauseismuchmorecomplexthanthemeasurementtemperaturemeasuringhumidity,temperatureisanindependentismeasured,andthehumidityisaffectedbyotherfactors（atmosphericpressure,temperature）.Inaddition,thestandardofhumidityisalsoaproblem.Foreignproductionofhumiditycalibrationequipmentisveryexpensive.Inrecentyears,bothathomeandabroadhasmadegreatprogressinthefieldofresearchanddevelopmentofhumiditysensor.Moisturesensorisfromsimplemoisturesensortointegration,intelligent,thedirectionoftherapiddevelopmentofmulti-parameterdetection,forthedevelopmentofanewgenerationofhumidity/temperaturemeasurementandcontrolsystemhascreatedfavorableconditions,andtoincreasethehumiditymeasurementtechnologytoanewlevel.

Keywords：

Wet/temperaturesensor,humiditymeasurementandcontrolsystem,humiditymeasurementtechnology

绪论

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（通常指100％以下），湿度的测量已经相对成熟，有商品化产品，并广泛应用于各种行业．

另有许多行业需要在高温环境下测量湿度，如航空航天、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、高温实验箱、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，在恶劣条件下工作，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气体时，将使精度大大降低......

随着时代的发展，科研、农业、暖通、纺织、机房、航空航天、电力等工业部门，越来越需要采用湿度传感器，对产品质量的要求越来越高，对环境温、湿度的控制以及对工业材料水份值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一。

湿度传感器产品及湿度测量属于 90年代兴起的行业。

如何使用好湿度传感器，如何判断湿度传感器的性能，这对一般用户来讲，仍是一件较为复杂的技术问题。

湿敏元件是最简单的湿度传感器。

湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。

湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。

湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。

当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。

虽然人类早已发明了毛发湿度计、干湿球湿度计，但因其响应速度、灵敏度、准确性等性能都不高，而且难以与现代的控制设备相连接，所以只适用于家庭。

20世纪50年代后，陆续出现了电阻型等湿敏计，使湿度的测量精度大大提高。

但是，与其他物理量的检测相比，无论是敏感元件的性能，还是制造工艺和测量精度都差得多和困难得多。

原因是空气中水蒸气的含量少，而且在水蒸气中，各种感湿材料涉及的种种物理、化学过程十分复杂，目前尚未完全清楚所存在的问题的原因。

1.湿敏传感器的背景

湿度是表示空气中水蒸气的含量的物理量，常用绝对湿度、相对湿度、露点等表示。

所谓绝对湿度就是单位体积空气内所含水蒸气的质量，也就是指空气中水蒸气的密度。

一般用一立方米空气中所含水蒸气的克数表示，即为Ha=mV/V，式中，mV为待测空气中水蒸气质量，V为待测空气的总体积。

单位为g/m3。

相对湿度是表示空气中实际所含水蒸气的分压（Pw）和同温度下饱和水蒸气的分压（PN）的百分比，即HT=（Pw/PN）Tx100%RH。

通常，用RH％表示相对湿度。

当温度和压力变化时，因饱和水蒸气变化，所以气体中的水蒸气压即使相同，其相对湿度也发生变化。

日常生活中所说的空气湿度，实际上就是指相对湿度而言。

温度高的气体，含水蒸气越多。

若将其气体冷却，即使其中所含水蒸气量不变，相对湿度将逐渐增加，增到某一个温度时，相对湿度达100%，呈饱和状态，再冷却时，蒸气的一部分凝聚生成露，把这个温度称为露点温度。

即空气在气压不变下为了使其所含水蒸气达饱和状态时所必须冷却到的温度称为露点温度。

气温和露点的差越小，表示空气越接近饱和。

湿度的测量方式有以下几种，即采用伸缩式湿度计、干湿球湿度计、露点计和阻抗式湿度计等。

伸缩式湿度计是利用毛发、纤维素等物质随湿度变化而伸缩的性质，以前多用于自动记录仪、空调的自动控制等，目前用于家庭设备的是把纤维素与约50pm的金属箔粘合在一起，卷成螺旋状的。

不需要进行温度补偿，但不能转换为电信号。

阻抗式湿度计是根据湿敏传感器的阻抗值变化而求得湿度的一种湿度计，由于能简单地转变为电信号，它是广泛采用的一种方法。

2.湿敏传感器的选型

2.1测量范围

和测量重量、温度一样，选择湿度传感器首先要确定测量范围。

除了气象、科研部门外，搞温、湿度测控的一般不需要全湿程（0-100%RH）测量。

在当今的信息时代，传感器技术与计算机技术、自动控制技术紧密结合着。

测量的目的在于控制，测量范围与控制范围合称使用范围。

当然，对不需要搞测控系统的应用者来说，直接选择通用型湿度仪就可以了。

2.2测量精度

和测量范围一样，测量精度同是传感器最重要的指标。

每提高—个百分点．对传感器来说就是上一个台阶，甚至是上一个档次。

因为要达到不同的精度，其制造成本相差很大，售价也相差甚远。

例如进口的1只廉价的湿度传感器只有几美元，而1只供标定用的全湿程湿度传感器要几百美元，相差近百倍。

所以使用者一定要量体裁衣，不宜盲目追求“高、精、尖”。

生产厂商往往是分段给出其湿度传感器的精度的。

如中、低湿段（0一80%RH）为±2%RH，而高湿段（80—100%RH）为±4%RH。

而且此精度是在某一指定温度下（如25℃）的值。

如在不同温度下使用湿度传感器．其示值还要考虑温度漂移的影响。

众所周知，相对湿度是温度的函数，温度严重地影响着指定空间内的相对湿度。

温度每变化0.1℃。

将产生0.5%RH的湿度变化（误差）。

使用场合如果难以做到恒温，则提出过高的测湿精度是不合适的。

因为湿度随着温度的变化也漂忽不定的话，奢谈测湿精度将失去实际意义。

所以控湿首先要控好温，这就是大量应用的往往是温湿度—体化传感器而不单纯是湿度传感器的缘故。

多数情况下，如果没有精确的控温手段，或者被测空间是非密封的，±5%RH的精度就足够了。

对于要求精确控制恒温、恒湿的局部空间，或者需要随时跟踪记录湿度变化的场合，再选用±3%RH

以上精度的湿度传感器。

与此相对应的温度传感器．其测温精度须足±0.3℃以上，起码是±0.5℃的。

而精度高于±2%RH的要求恐怕连校准传感器的标准湿度发生器也难以做到，更何况传感器自身了。

国家标准物质研究中心湿度室的文章认为：

“相对湿度测量仪表，即使在20—25℃下，要达到2%RH的准确度仍是很困难的。

”

3.湿敏传感器的分类

湿度传感器，基本形式都为利用湿敏材料对水分子的吸附能力或对水分子产生物理效应的方法测量湿度。

有关 湿度测量，早在16世纪就有记载。

许多古老的测量方法，如干湿球温度计、毛发湿度计和露点计等至今仍被广泛采用。

现代工业技术要求高精度、高可靠和连续地 测量湿度，因而陆续出现了种类繁多的湿敏元件。

湿敏元件主要分为二大类：

水分子亲和力型湿敏元件和非水分子亲和力型湿敏元件。

利用水分子有较大的偶极矩，易于附着并渗透入固体表面的特性制成的湿敏元件称为水分子亲和力型湿敏元件。

例如，利用水分子附着或浸入某些物质后，其电气性能（电阻值、介电常数 等）发生变化的特性可制成电阻式湿敏元件、电容式湿敏元件；利用水分子附着后引起材料长度变化，可制成尺寸变化式湿敏元件，如毛发湿度计。

金属氧化物是离 子型结合物质，有较强的吸水性能，不仅有物理吸附，而且有化学吸附，可制成金属氧化物湿敏元件。

这类元件在应用时附着或浸入被测的水蒸气分子，与材料发生 化学反应生成氢氧化物，或一经浸入就有一部分残留在元件上而难以全部脱出，使重复使用时元件的特性不稳定，测量时有较大的滞后误差和较慢的反应速度。

目前 应用较多的均属于这类湿敏元件。

另一类非亲和力型湿敏元件利用其与水分子接触产生的物理效应来测量湿度。

例如，利用热力学方法测量的热敏电阻式湿度传感 器，利用水蒸气能吸收某波长段的红外线的特性制成的红外线吸收式湿度传感器等。

图2湿度传感器的分类

4.湿敏传感器的原理及分类

湿敏元件是最简单的湿度传感器。

湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。

湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。

湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。

当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。

电子式湿敏传感器的准确度可达2-3%RH，这比干湿球测湿精度高。

湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。

这方面没有干湿球测湿方法好。

下面对各种湿度传感器进行简单的介绍。

湿敏传感器信号处理电路

图3阻抗式湿敏电阻元件应用电路图

图4MC-2电容式湿敏电阻应用电路

4.1、氯化锂湿敏传感器

（1）电阻式氯化锂湿度计

第一个基于电阻-湿度特性原理的氯化锂电湿敏元件是美国标准局的F.W.Dunmore研制出来的。

这种元件具有较高的精度，同时结构简单、价廉，适用于常温常湿的测控等一系列优点。

氯化锂元件的测量范围与湿敏层的氯化锂浓度及其它成分有关。

单个元件的有效感湿范围一般在20%RH以内。

例如0.05%的浓度对应的感湿范围约为（80～100）%RH，0.2%的浓度对应范围是（60～80）%RH等。

由此可见，要测量较宽的湿度范围时，必须把不同浓度的元件组合在一起使用。

可用于全量程测量的湿度计组合的元件数一般为5个，采用元件组合法的氯化锂湿度计可测范围通常为（15～100）%RH，国外有些产品声称其测量范围可达（2～100）%RH。

图5湿敏电阻结构示意图

（2）露点式氯化锂湿度计

露点式氯化锂湿度计是由美国的Forboro公司首先研制出来的，其后我国和许多国家都做了大量的研究工作。

这种湿度计和上述电阻式氯化锂湿度计形式相似，但工作原理却完全不同。

简而言之，它是利用氯化锂饱和水溶液的饱和水汽压随温度变化而进行工作的。

相对湿度/%

图6

4.2、碳湿敏元件

碳湿敏元件是美国的E.K.Carver和C.W.Breasefield于1942年首先提出来的，与常用的毛发、肠衣和氯化锂等探空元件相比，碳湿敏元件具有响应速度快、重复性好、无冲蚀效应和滞后环窄等优点，因之令人瞩目。

我国气象部门于70年代初开展碳湿敏元件的研制，并取得了积极的成果，其测量不确定度不超过±5%RH，时间常数在正温时为2～3s，滞差一般在7%左右，比阻稳定性亦较好。

4.3、陶瓷湿敏传感器

在湿度测量领域中，对于低湿和高湿及其在低温和高温条件下的测量，到目前为止仍然是一个薄弱环节，而其中又以高温条件下的湿度测量技术最为落后。

以往，通风干湿球湿度计几乎是在这个温度条件下可以使用的唯一方法，而该法在实际使用中亦存在种种问题，无法令人满意。

另一方面，科学技术的进展，要求在高温下测量湿度的场合越来越多，例如水泥、金属冶炼、食品加工等涉及工艺条件和质量控制的许多工业过程的湿度测量与控制。

因此，自60年代起，许多国家开始竟相研制适用于高温条件下进行测量的湿度传感器。

考虑到传感器的使用条件，人们很自然地把探索方向着眼于既具有吸水性又能耐高温的某些无机物上。

实践已经证明，陶瓷元件不仅具有湿敏特性，而且还可以作为感温元件和气敏元件。

这些特性使它极有可能成为一种有发展前途的多功能传感器。

寺日、福岛、新田等人在这方面已经迈出了颇为成功的一步。

他们于1980年研制成称之为“湿瓷-Ⅱ型”和“湿瓷-Ⅲ型”的多功能传感器。

前者可测控温度和湿度，主要用于空调，后者可用来测量湿度和诸如酒精等多种有机蒸气，主要用于食品加工方面。

图7热敏电阻式温度传感器结构与工作特性

（a）传感器结构（b）工作特性

如MgCr2O4-TiO2湿敏传感器．它们主要利用陶瓷烧结体微结晶表面在吸湿和脱湿过程中电极之间电阻的变化来检测相对湿度。

 以MgCr2O4-TiO2为例说明其典型结构．如图所示

图8铬酸镁——二氧化钛陶瓷湿敏元件结构

在MgCr2O4-TiO2：

陶瓷片的两面，设置高金电极，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两成的加热清洗圈，谈便对元件进行经常加热清洗，排除有害气氛对元件的污染．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程3之间由于吸温和污染而引起漏电．在电极2和3的四周设置金短路环。

4.4、高分子材料湿敏传感器 

利用有机高分子材料的吸湿性能与膨润性能制成的湿敏元件。

吸湿后，介电常数发生明显变化的高分子电介 质，可做成电容式湿敏元件。

吸湿后电阻值改变的高分子材料，可做成电阻变化式湿敏元件。

常用的高分子材料是醋酸纤维素、尼龙和硝酸纤维素等。

高分子湿敏元件的薄膜做得极薄，一般约5000埃，使元件易于很快的吸湿与脱湿,减少了滞后误差，响应速度快。

这种湿敏元件的缺点是不宜用于含有机溶媒气体的环境，元件也不能耐80℃以上的高温。

图9高分子电容式湿敏元件

（a）结构图（b）电容与相对湿度的关系

4.5、金属氧化物膜湿敏传感器 

许多金属氧化物如氧化铝、四氧化三铁、钽氧化物等都有较强的吸脱水性能，将它们制成烧结薄膜或涂布薄膜 可制作多种湿敏元件。

把铝基片置于草酸、硫酸或铬酸电解槽中进行阳极氧化，形成氧化铝多孔薄膜，通过真空蒸发或溅射工艺，在薄膜上形成透气性电极。

这种多 孔质的氧化铝湿敏元件互换性好，低湿范围测湿的时间响应速度较快，滞后误差小，常用于高空气球上测湿。

四氧化三铁胶体的优点是固有电阻低，长期置于大气环 境表面状态不会变化，胶体粒子间相互吸引粘结紧密等。

它是一种价廉物美，较早投入批量生产的湿敏元件，在湿度测量和湿度控制方面都有大量应用。

4.6、热敏电阻式湿敏传感器

利用热敏电阻作湿敏元件。

传感器中有组成桥式电路的珠状热敏电阻R1和R2,电源供给的电流使R1、 R2保持在200℃左右的温度。

其中R2装在密封的金属盒内，内部封装着干燥空气，R1置于与大气相接触的开孔金属盒内。

将R1先置于干燥空气中，调节电 桥平衡，使输出端A、B间电压为零，当R1接触待测含湿空气时，含湿空气与干燥空气产生热传导差，使R1受冷却，电阻值增高，A、B间产生输出电压，其值 与湿度变化有关。

热敏电阻式湿敏传感器的输出电压与绝对湿度成比例，因而可用于测量大气的绝对湿度。

传感器是利用湿度与大气导热率之间的关系作为测量原理 的，当大气中混入其他特种气体或气压变化时，测量结果会有程度不同的影响。

此外，热敏电阻的位置对测量也有很大影响。

但这种传感器从可靠性、稳定性和不必 特殊维护等方面来看，很有特色，现已用于空调机湿度控制，或制成便携式绝对湿度表、直读式露点计、相对湿度计、水分计等。

4.7、红外线吸收式湿敏传感器

利用水蒸气能吸收某波段的红外线制成的湿度传感器。

60年代中期，美国气象局以波长为1.37微米和 1.25微米的红外光分别作敏感光束和参考光束，研制成红外线吸收式湿度传感器。

这种传感器采用装有λ0滤光片和λ 滤光片的旋转滤光片，当光源通过旋转滤光片时，轮流地选择波长为λ0和λ 的红外光束,两条光束通过被测湿度的样气抵达光敏元件,由于波长为λ0的光束不被水蒸气吸收，其光强仍为I0，波长为λ的光束被水蒸气部分吸收，光强衰减 为I。

根据光强度的变化，将光敏元件上的信号处理后可获得正比于水蒸气浓度 c的电信号。

红外线吸收式湿度传感器属非水分子亲和力型湿敏元件，测量精度和灵敏度较高，能够测量高温或密封场所的气体湿度，也能解决其他湿度传感器不能 解决的大风速或通风孔道环境中的湿度测量问题。

缺点是结构复杂，光路系统存在温度漂移现象。

图10红外线吸收式湿敏传感器原理图

4.8、微波式湿敏传感器

利用微波电介质共振系统的品质因数随湿度变化的机理制成的传感器。

微波共振器采用氧化镁-氧化钙-二氧 化钛陶瓷体，共振器与耦合环构成共振系统，含水蒸气的气体进入传感器腔体后改变原共振系统的品质因数，其微波损失量与湿度成线性关系。

这种传感器的测湿范 围为相对湿度40～95%，在温度0～50℃时，精度可达±2%。

微波式湿度传感器具有非水分子亲和力型湿敏元件的优点，又由于采用陶瓷材料作共振系统， 故可加热清洗，且坚固耐用。

缺点是对微波电路稳定性要求甚高。

5.湿敏传感器的特点

国内外各厂家的湿度传感器产品水平不一，质量价格都相差较大，用户如何选择性能价格比最优的理想产品确 有一定难度，需要在这方面作深入的了解。

湿度传感器具有如下特点：

（1）精度和长期稳定性 

湿敏传感器的精度应达到±2%~±5%RH，达不到这个水平很难作为计量器具使用，湿敏传感器要达 到±2%~±3%RH的精度是比较困难的，通常产品资料中给出的特性是在常温（20℃±10℃）和洁净的气体中测量的。

在实际使用中，由于尘土、油污及有 害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，长期稳定性和使用寿命是影响湿敏传感器质量的头等问题，年漂移量控制在1%RH水平的产品很少，一般都在±2%左右，甚至更高。

（2）湿敏传感器的温度系数湿敏元件除对环境湿度敏感外，对温度亦十分敏感，其温度系数一般在0.2~0.8%RH/℃范围内，而且有的湿敏元件在不同的相对湿度下，其温度系数又有差别。

温漂非线性，这需要在电路上加温度补偿式。

采用单片机软件补偿，或无温度补偿的湿度传感器是保证 不了全温范围的精度的，湿度传感器温漂曲线的线性化直接影响到补偿的效果，非线性的温漂往往补偿不出较好的效果，只有采用硬件温度跟随性补偿才会获得真实 的补偿效果。

湿度传感器工作的温度范围也是重要参数。

多数湿敏元件难以在40℃以上正常工作。

（3）湿敏传感器的供电 

金属氧化物陶瓷，高分子聚合物和氯化锂等湿敏材料施加直流电压时，会导致性能变化，甚至失效，所以这类 湿度传感器不能用直流电压或有直流成份的交流电压。

必须是交流电供电。

（4）互换性 

目前，湿敏传感器普遍存在着互换性差的现象，同一型号的传感器不能互换，严重影响了使用效果，给维修、 调试增加了困难，有些厂家在这方面作出了种种努力，取得了较好效果。

（5）湿度校正 

校正湿度要比校正温度困难得多。

温度标定往往用一根标准温度计作标准即可，而湿度的标定标准较难实现， 干湿球温度计和一些常见的指针式湿度计是不能用来作标定的，精度无法保证，因其要求环境条件非常严格，一般情况，（最好在湿度环境适合的条件下）在缺乏完 善的检定设备时，通常用简单的饱和盐溶液检定法，并测量其温度。

6.湿敏传感器主要技术参数

图11湿敏传感器主要技术参数

7.湿敏传感器的应用

任何行业的工作都离不开空气,而空气的湿度又与工作、生活、生产有直接联系,使湿度的监测与控制越来越显得重要。

湿度传感器的应用主要有如下几个方面：

（1）温室养殖 

现代农林畜牧各产业都有相当数量的温室，温室的湿度控制与温度控制同样重要，把湿度控制在农作物、树木、畜禽等生长适宜的范围,是减少病虫害、提高产量的条件之一。

（2）气候监测  

天气测量和预报对工农业生产、军事及人民生活和科学实验等方面都有重要意义,因而湿度传感器是必不可少的测湿设备,如树脂膨散式湿度传感器已用于气象气球测湿仪器上。

（3）精密仪器的使用保护  

许多精密仪器、设备对工作环境要求较高。

环境湿度必须控制在一定范围内,以保证它们的正常工作,提高工作效率及可靠性。

如电话程控交换机工作湿度在55 % ±10 %较好。

温度过高会影响绝缘性能,过低易产生静电,影响正常工作。

（4）物品储藏  

各种物品对环境均有一定的适应性。

湿度过高过低均会使物品丧失原有性能。

如在高湿度地区，电子产品在仓库的损害严重，非金属零件会发霉变质，金属零件会腐蚀生锈。

（5）工业生产  

在纺织、电子、精密机器、陶瓷工业等部门,空气湿度直接影响产品的质量和产量,必须有效地进行监测调控。

8.湿敏传感器注意事项

湿度传感器是非密封性的，为保护测量的准确度和稳定性，应尽量避免在酸性、碱性及含有机溶剂的气氛中使用。

也避免在粉尘较大的环境中使用。

为正确反映欲测空间的湿度，还应避免