傳感器及實(shí)用檢測(cè)技術(shù)（第三版）濕度傳感器

濕度傳感器3.1概述3.2濕度傳感器的分類及工作原理3.3濕度傳感器應(yīng)用實(shí)例濕度傳感器

3.1概述隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展及生活環(huán)境的提高,濕度的檢測(cè)與控制成為生產(chǎn)和生活中必不可少的手段。例如：大規(guī)劃集成電路生產(chǎn)車間，當(dāng)其相對(duì)濕度低于30%時(shí)，容易產(chǎn)生靜電而影響生產(chǎn)；一些粉塵大的車間，當(dāng)濕度小而產(chǎn)生靜電時(shí)，容易發(fā)生爆炸；一些倉(cāng)庫(kù)在濕度過(guò)大時(shí)，易發(fā)生變質(zhì)或霉變現(xiàn)象；濕度是通過(guò)濕度傳感器來(lái)測(cè)量的。3.1.1濕度的定義及其表示方法

濕度是指物質(zhì)中所含水蒸氣的量，常用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度和露點(diǎn)（或露點(diǎn)溫度）來(lái)表示。

1、絕對(duì)濕度絕對(duì)濕度是指在一定溫度及壓力條件下，單位體積待測(cè)氣體中含水蒸氣的質(zhì)量，即水蒸氣的密度。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：（3-1）

式中，Mv為待測(cè)氣體中的水蒸氣的質(zhì)量，V為待測(cè)氣體的總體積，Ha為待測(cè)氣體的絕對(duì)濕度，單位為g/m3

2.相對(duì)濕度（RelativeHumidity

）

相對(duì)濕度為待測(cè)氣體中的水蒸氣氣壓與同溫度下飽和水蒸氣壓的比值的百分?jǐn)?shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：（3-2）

Pv為某溫度下待測(cè)氣體的水蒸氣壓；Pw為與待測(cè)氣體溫度相同時(shí)水的飽和蒸氣壓；RH為相對(duì)濕度，其單位為%RH。溫度越高，飽和水蒸氣壓越大。日常生活中所說(shuō)的空氣濕度，實(shí)際上就是指相對(duì)濕度而言。凡談到相對(duì)濕度，必須同時(shí)說(shuō)明環(huán)境溫度，否則，所說(shuō)的相對(duì)濕度失去確定的意義。3.露點(diǎn)

保持壓力不變，將含水蒸氣的空氣冷卻，當(dāng)降到某溫度時(shí)，空氣中的水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)，開(kāi)始從氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)而凝結(jié)成露珠，稱為結(jié)露，這一特定的溫度稱為露點(diǎn)溫度，其單位為℃。如果這一特定的溫度低于0℃，水蒸氣將凝結(jié)成霜，此時(shí)溫度稱為霜點(diǎn)或霜點(diǎn)溫度，通常對(duì)兩者不予區(qū)分，統(tǒng)稱為露點(diǎn)。

3.1.2濕感傳感器的主要特性

1、感濕特性

感濕特性為濕度傳感器的感濕特征量（如：電阻、電容等）隨環(huán)境濕度變化的規(guī)律，常用感濕特征量和相對(duì)濕度的關(guān)系曲線來(lái)表示。圖(3-1)濕敏元件的感濕特性曲線

按曲線的變化規(guī)律，感濕特性曲線可分為正特性曲線和負(fù)特性曲線。感濕特性曲線可以反映出相對(duì)濕度傳感器最佳使用范圍的大小及靈敏度的高低。性能良好的濕度傳感器，要求在所測(cè)相對(duì)濕度范圍內(nèi)，感濕特征量的變化為線性變化，其斜率大小要適中。

2、濕度量程

濕度傳感器能夠比較精確測(cè)量相對(duì)濕度的最大范圍稱為濕度量程。濕度傳感器按其濕度量程可分為高濕型、低濕型及全濕型三大類。高濕型適用于相對(duì)濕度大于70%RH的場(chǎng)合；低濕型適用于相對(duì)濕度小于40%RH場(chǎng)合；而全濕型則適用于0~100%RH的場(chǎng)合。

3、靈敏度

靈敏度為濕度傳感器的感濕特征量隨相對(duì)濕度變化的程度，是該濕度傳感器感濕特性曲線的斜率。

4.響應(yīng)時(shí)間在一定環(huán)境濕度下，當(dāng)環(huán)境濕度改變時(shí)，濕敏傳感器完成吸濕或脫濕以及動(dòng)態(tài)平衡（感濕特征量達(dá)到穩(wěn)定值）過(guò)程所需要的時(shí)間，稱為響應(yīng)時(shí)間。感濕特征量的變化滯后于環(huán)境濕度的變化，所以實(shí)際多采用感濕特征量的改變量達(dá)到總改變量的90%所需要的時(shí)間，即以相應(yīng)的起始濕度和終止?jié)穸冗@一變化區(qū)間90%的相對(duì)濕度變化所需的時(shí)間來(lái)計(jì)算。

5.濕溫度系數(shù)濕度傳感器的溫度系數(shù)是表示濕度傳感器的感濕特性曲線隨環(huán)境溫度而變化的特性參數(shù)。在不同環(huán)境溫度下，濕度傳感器的感濕特性曲線是不同的。

圖3-2濕敏元件的溫度特性

濕度傳感器的感濕溫度系數(shù)定義為：濕度傳感器在感濕特征量恒定的條件下，當(dāng)溫度變化時(shí)，其對(duì)應(yīng)相對(duì)濕度將發(fā)生變化，這兩個(gè)變化量之比，稱為感濕溫度系數(shù):(3-3)

濕度傳感器感濕特性曲線隨溫度的變化越大，由感濕特征量所表示的環(huán)境濕度與實(shí)際的環(huán)境濕度之間的誤差就越大，即感濕溫度系數(shù)越大。濕度傳感器的感濕溫度系數(shù)越小越好，傳感器的感濕溫度系數(shù)越小，在使用中受環(huán)境溫度的影響也就越小，傳感器就越實(shí)用。一般濕度傳感器的溫度系數(shù)在0.2～0.8%RH/℃。

6、濕滯特性

在吸濕和脫濕時(shí)，兩種感濕特性曲線形成一個(gè)環(huán)形線，稱為濕滯回線。濕度傳感器這一特性稱為濕滯特性。表示濕度傳感器濕滯特性的參數(shù)是濕滯回差，濕滯回差表示在濕滯回線上，同一感濕特征量值下，吸濕和脫濕兩種感濕特性曲線所對(duì)應(yīng)的兩濕度的最大差值。

圖3-3濕度傳感器濕滯特性7.老化特性老化特性為濕度傳感器在一定溫度、濕度環(huán)境下，存放一定時(shí)間后，于塵土、油污、有害氣體等的影響，其感濕特性將發(fā)生變化的特性。

8.互換性濕度傳感器的一致性和互換性差。當(dāng)使用中濕度傳感器被損壞，那么有時(shí)即使換上同一型號(hào)的傳感器也需要再次進(jìn)行調(diào)試。3.2濕度傳感器的分類及工作原理濕度傳感器種類很多，沒(méi)有統(tǒng)一分類標(biāo)準(zhǔn)。下面按材料分類分別加以介紹。

3.2.1半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器按其制作工藝不同可分為：燒結(jié)型、涂覆膜型、厚膜型、薄膜型和MOS型。陶瓷濕度傳感器較成熟的產(chǎn)品有MgCr2O4-TiO2系、ZnO-Cr2O3系、ZrO2系、Al2O3系、Fe3O4系。它們的感濕特征量大多數(shù)為電阻，除Fe3O4系外，都為負(fù)特性濕敏傳感器，即隨著環(huán)境濕度的增加電阻值降低。

1、MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器

MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器為燒結(jié)型，其結(jié)構(gòu)如下。其感濕體為MgCr2O4-TiO2多孔陶瓷。圖3-4MgCr2-TiO2濕度傳感器結(jié)構(gòu)MgCr2O4-TiO2濕度傳感器的感濕特性曲線如下,該濕度傳感器的特點(diǎn)是體積小、感濕靈敏度適中，電阻率低，阻值隨相對(duì)濕度的變化特性好，測(cè)量范圍寬，可測(cè)量0～100%RH，響應(yīng)速度快，響應(yīng)時(shí)間小至幾秒。圖3-5MgCr2O4-TiO2濕度傳感器的感濕特性曲線

2、硅MOS型Al2O3濕度傳感器

Al2O3濕度傳感器根據(jù)濕敏元件制作方法不同，可分為多孔Al2O3濕度傳感器、涂覆膜狀A(yù)l2O3濕度傳感器和MOS型濕度傳感器，下面我們介紹硅MOS型濕度傳感器。圖3-6Al2O3濕度傳感器的結(jié)構(gòu)

MOS型濕度傳感器具有響應(yīng)速度快、化學(xué)穩(wěn)定性好及耐高低溫沖擊的性能。

在Si單晶上制成MOS晶體管，其柵極是用熱氧化法生長(zhǎng)厚度為80nm的SiO2膜，再在此SiO2上面蒸發(fā)上一層高純度鋁，用陽(yáng)極氧化法使整個(gè)鋁層都氧化成Al2O3膜，然后在多孔Al2O3膜層上蒸鍍多孔金（Au）膜，使感濕膜具有良好的導(dǎo)電性和足夠的透水性，在Si襯底下面蒸發(fā)上鋁層，最后在上下引出電極即可。

3.2.2有機(jī)高分子濕度傳感器

1、分子電阻式濕度傳感器這種傳感器的濕敏層為可導(dǎo)電的高分子，強(qiáng)電解質(zhì)，具有極強(qiáng)的吸水性。水吸附在有極性基的高分子膜上，在低濕下，因吸附量少，不能產(chǎn)生荷電離子，所以電阻值較高，當(dāng)相對(duì)濕度增加時(shí)，吸附量也增大，大量的吸附水就成為導(dǎo)電通道。高分子電解質(zhì)吸水后電離，正負(fù)離子對(duì)主要起到載流子作用，使高分子濕度傳感器的電阻下降。吸濕量不同，高分子介質(zhì)的阻值也不同，根據(jù)阻值變化可測(cè)量相對(duì)濕度。這類傳感器具有重復(fù)性好，滯后小的優(yōu)點(diǎn)。

2、分子電容式濕度傳感器

在潔凈的玻璃基片上，蒸鍍一層極?。?0nm）的梳狀金質(zhì)，作為下部電極，然后在其上薄薄地涂上一層高分子聚合物（1nm）,干燥后，再在其上蒸鍍一層多孔透水的金質(zhì)作為上部電極，兩極間形成電容，最后上下電極焊接引線，就制成了電容式高分子薄膜濕度傳感器。當(dāng)高分子聚合物介質(zhì)吸濕后，元件的介電常數(shù)隨環(huán)境相對(duì)濕度的變化而變化，從而引起電容量的變化。由于高分子膜可以做得很薄，所以元件能迅速吸濕和脫濕，故該類傳感器有滯后小和響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。下面是其結(jié)構(gòu)圖:圖3-7高分子薄膜電介質(zhì)電容式濕度傳感器的結(jié)構(gòu)

3、結(jié)露傳感器結(jié)露傳感器是一種特殊的濕度傳感器，它與一般的濕度傳感器不同之處在于它對(duì)低濕不敏感，僅對(duì)高濕敏感，感濕特征量具有開(kāi)關(guān)式變化特性。結(jié)露傳感器分為電阻型和電容型，目前廣泛應(yīng)用的是電阻型。電阻型結(jié)露傳感器是在陶瓷基片上制成梳狀電極，在其上涂一層電阻式感濕膜，感濕膜采用摻入碳粉的有機(jī)高分子材料，在高濕下，電阻膜吸濕后膨脹，體積增加，碳粉間距變大，引起電阻突變；而低濕時(shí)，電阻因電阻膜收縮而變小，其特性曲線如圖，在75%～80%RH以下時(shí)，很平坦，而超過(guò)75%～80%RH陡升。圖3-8結(jié)露傳感器感濕特性4、石英振動(dòng)式濕敏傳感器該類傳感器是在石英振子的電極表面涂覆高分子材料感濕膜，當(dāng)膜吸濕時(shí)，由于膜的重量變化而使石英振子共振頻率變化，從而檢測(cè)出環(huán)境濕度，傳感器在0～50℃時(shí)，濕度檢測(cè)范圍為0～100%RH，誤差±5%RH。石英振動(dòng)式濕敏傳感器還能檢測(cè)露點(diǎn)，當(dāng)石英振子表面結(jié)露時(shí)，振子的共振頻率會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)共振阻抗增加。

3.2.3含水量檢測(cè)通常將空氣或其他氣體中的水分含量稱為“濕度”，將固體物質(zhì)中的水分含量稱為“含水量”。1、稱重法將被測(cè)物質(zhì)烘干前后的重量GH和GD測(cè)出，含水量的百分?jǐn)?shù)便是(3-4)

這種方法很簡(jiǎn)單，但烘干需要時(shí)間，檢測(cè)的實(shí)時(shí)性差。而且有些產(chǎn)品不能采用烘干法。

2、電導(dǎo)法固體物質(zhì)吸收水分后電阻變小，用測(cè)定電阻率或電導(dǎo)率的方法便可判斷含水量。例如用專門的電極安裝在生產(chǎn)線上，可以在生產(chǎn)過(guò)程中得到含水量數(shù)據(jù)。但要注意被測(cè)物質(zhì)的表面水分可能與內(nèi)部含水量不一致，電極應(yīng)設(shè)計(jì)成測(cè)量縱深部位電阻的形式。3.電容法水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于一般干燥固體物質(zhì)，因此用電容法測(cè)物質(zhì)的介電常數(shù)從而測(cè)含水量相當(dāng)靈敏。造紙廠的紙張含水量便可用電容法測(cè)量。由于電容法是由極板間的電力線貫穿被測(cè)介質(zhì)內(nèi)部，所以表面水分引起的誤差較小。至于電容值的測(cè)定，可用交流電橋電路、諧振電路及伏安法等。

4.紅外吸收法水分對(duì)波長(zhǎng)為1.94的紅外射線吸收較強(qiáng)，并且可用幾乎不被水分吸收的1.81波長(zhǎng)作為參比。由上述兩種波長(zhǎng)的濾光片對(duì)紅外光進(jìn)行輪流切換，根據(jù)被測(cè)物對(duì)這兩種波長(zhǎng)的能量吸收的比值便可判斷含水量。

檢測(cè)元件可用硫化鉛光敏電阻，但應(yīng)使光敏電阻處在10～15℃的某一溫度下，為此要用半導(dǎo)體致冷器維持恒溫。這種方法也常用于造紙工業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)線。

5.微波吸收法水分對(duì)波長(zhǎng)為1.36cm附近的微波有顯著吸收現(xiàn)象，而植物纖維對(duì)此波段的吸收要比水小幾十倍，利用這一原理可構(gòu)成測(cè)木材、煙草、糧食、紙張等物質(zhì)中含水量的儀表。微波法要注意被測(cè)物料的密度和溫度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，這種方法的設(shè)備稍為復(fù)雜一些。3.3濕度傳感器應(yīng)用實(shí)例

3.3.1土壤濕度測(cè)量電路圖為土壤濕度測(cè)量電路，H為硅濕敏電阻式濕度傳感器，電路由濕度檢測(cè)電路、信號(hào)放大電路和高精度穩(wěn)壓電源電路組成.

圖3-9土壤濕度測(cè)量電路

土壤濕度檢測(cè)電路由濕敏電阻RH，晶體管VT及R1、R2等組成；信號(hào)放大電路由放大器A、RP1、RP2、R3、R4、R5、R8和VD3等組成；穩(wěn)壓電源電路為電路提供2.5V的穩(wěn)壓電源。使用時(shí)，將濕度傳感器插入土壤中，由于土壤濕度不同，RH阻值也不同。RH為VT的基極偏流電阻，故RH的變化，將導(dǎo)致基極電流的變化，從而改變VT的集電極電流，也改變了發(fā)射極電流，R2將發(fā)射極電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并送至放大器A的同相輸入端，經(jīng)A放大后輸出，VD3將輸出電壓控制在5V以內(nèi)。使用前，應(yīng)先調(diào)整，將H插入水中，調(diào)RP2使A的輸出電壓為5V，然后從水中取出H并擦干，調(diào)RP1使A的輸出電壓為0V，這樣反復(fù)調(diào)整至滿足要求。該土壤濕度測(cè)量電路響應(yīng)速度快，常溫下小于5秒，測(cè)濕范圍廣，為0～100%。3.3.2濕度控制裝置圖3-10濕度控制裝置電路

圖為一濕度控制裝置電路，與非門H1、H2和R2、C1組成振蕩電路，輸出電壓經(jīng)RP1、Rs分壓，VD1整流，再經(jīng)R3、RP2分壓送至晶體管VT3。Rs為負(fù)特性電阻式濕度傳感器濕敏電阻，當(dāng)濕度下降時(shí)，Rs降值增大，其上分壓增大，使VT3導(dǎo)通，VT3集電極電位下降，使VT4截止，繼電器K2釋放，其常開(kāi)觸點(diǎn)K2-1斷開(kāi)，干燥設(shè)備斷電不工作，LED2（驅(qū)濕信號(hào)）滅，而VT1、VT2導(dǎo)通，LED1（增濕信號(hào)）亮，繼電器K1吸合，其常開(kāi)觸點(diǎn)K1-1閉合，接通增濕設(shè)備增濕。當(dāng)濕度增大，Rs阻值減小，其上分壓減小，使VT3截止，VT3集電極電位升高，VT4導(dǎo)通，LED2亮，繼電器K2吸合，其常開(kāi)觸點(diǎn)K2-1閉合，接通干燥設(shè)備進(jìn)行驅(qū)濕，而VT1、VT2截止，LED1滅,繼電器K1釋放,其常開(kāi)觸點(diǎn)K1-1斷開(kāi)，增濕設(shè)備斷電停止工作。3.3.3錄像機(jī)結(jié)露報(bào)警電路錄像機(jī)中應(yīng)安裝結(jié)露傳感器及保護(hù)裝置，保護(hù)磁頭及磁帶。因環(huán)境濕度過(guò)大，走帶機(jī)構(gòu)的磁鼓、導(dǎo)帶桿、主軸等金屬零件上會(huì)結(jié)露，導(dǎo)致磁帶和機(jī)械傳動(dòng)裝置之間的磨擦力加大，進(jìn)而造成磁帶速度不穩(wěn)，甚至停止，而由結(jié)露傳感器可檢測(cè)結(jié)露信號(hào)，提供相應(yīng)控制信號(hào)使錄像機(jī)自動(dòng)進(jìn)入結(jié)露停機(jī)保護(hù)狀態(tài)。圖3-11錄像機(jī)結(jié)露報(bào)警電路

錄像機(jī)結(jié)露報(bào)警電路如圖，此電路由VT1～VT4組成，在結(jié)露時(shí)，發(fā)光二極管LED發(fā)光報(bào)警，并在電路輸出端輸出控制信號(hào)使錄像機(jī)進(jìn)入停機(jī)保護(hù)狀態(tài)。

在正常濕度（80%RH）以下，結(jié)露傳感器的電阻值約為2KΩ，VT1因基極電壓低于0.5V而截止，而VT2飽和導(dǎo)通，VT2集電極電位低于1V，VT3、VT4接成達(dá)林頓電路，且VT3基極（接VT2集電極）電位低于1V，使VT3、VT4截止，結(jié)露指示燈LED不亮，輸出控制信號(hào)為低電平。在結(jié)露（高濕）時(shí)，結(jié)露傳感器的電阻值急劇增大，當(dāng)大于50KΩ時(shí)，使VT1的基極電位