【正文】 ， 通常都用這種材料制作固定電解質(zhì)氧敏元件 。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，影響檢測準確性。 BZ ~U 氣敏傳感器 氖管 蜂鳴器 NTC電阻 W R1 R2 R3 R4 R5 R6 SCR 右圖為正溫度系數(shù)熱敏電阻 (R2)的延時電路 。 下圖是設(shè)有串聯(lián)蜂鳴器的應(yīng)用電路 。 采用這種差分電路 ， 檢測氣體的靈敏度可達 100 10－ 6。 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 。 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 。其特點是易于和半導(dǎo)體電路集成在一起。 m／ M 100％ 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 58 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)。 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)道爾頓分壓定律和理想氣體狀態(tài)方程 ， 可得出： RTpM?? 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。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 100％ RH。空氣中水蒸氣壓越小，露點越低，因而可用露點表示空氣中的濕度。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 。 61 感濕靈敏度 簡稱靈敏度 ， 又叫濕度系數(shù) 。 62 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 。 電容溫度系數(shù) (%/℃ )= 電阻溫度系數(shù) (%/℃ )= 63 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 。 下圖為感濕溫度系數(shù)示意圖 。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。 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 。 Lg R /Ω 0 1 2 3 4 5 6 5 7 8 4 20℃ 100Hz 11% RH 33% RH 75% RH 100% RH U/V 67 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 /Ω 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。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。 氯化鋰濕度傳感器的結(jié)構(gòu) A B B 鈀絲 A 涂有聚苯乙烯薄膜的圓筒 電解質(zhì)氯化鋰濕度傳感器最為典型 0 30 60 90 1 10 R/108Ω 相對濕度 /% ① ② ③ ④ ⑤ ④ % LiCl ⑤ %LiCl ③ % LiCl ② % LiCl ① PVAC 氯化鋰濕度傳感器的阻 — 濕特性 組合式氯化鋰的阻 — 濕特性 0 30 60 90 1 10 相對濕度 /% R/108Ω 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 20％～ 90％ RH的濕度傳感器 69 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。 這類濕度傳感器的感濕特征量大多數(shù)為電阻 。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。在單對數(shù)的坐標中，電阻 —濕度特性近似呈線性關(guān)系。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。 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 。 高分子薄膜 上部電極 下部電極 76 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)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。 （ 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 5℃ ～ 50℃ 范圍內(nèi) ,電容溫度系數(shù)約為 ％ RH/℃ 相對濕度 /% 0 50 100 200 250 300 350 電容 — 濕度特性 C/pF （ f=） （ 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。 78 （ 二 ） 電阻式高分子膜濕度傳感器 結(jié)構(gòu) 聚苯乙烯磺酸鋰濕度傳感器的結(jié)構(gòu)。 1K 30 40 50 60 70 80 90 吸濕 10K 100K 1M 10M 相對濕度 /% R/Ω 脫濕 Δ177。 濕滯比較小 ， 在 (1％ ～ 2％ )RH之間 。 82 六 、 濕度傳感器的測量電路 （ 一 ） 檢測電路的選擇 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 。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確性。 溫度系數(shù)＝ 21TBTRR ???? 濕度系數(shù)＝ AHRR ????1濕度溫度系數(shù)＝ 2ATBTH ????濕度系數(shù)溫度系數(shù)若傳感器的濕度溫度系數(shù)為 ％ RH/℃ ，工作溫度差為30℃ ，測量誤差為 ％ RH/℃ ，則不必考慮溫度補償；若濕度溫度系數(shù)為 ％ RH/℃ ，則引起 12％ RH/℃ 的誤差 ,必須進行溫度補償。 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 放大電路 傳感器 驅(qū)動電路 整流電路 對數(shù) 溫補電路 85 （ 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 。 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 86 100kΩ 傳感器 濕度 3AX3 ╳ 2 10kΩ 100kΩ╳ 6 3DG6 2kΩ 2kΩ 9V 10μ F 10μ F 20μ F 10μ F 20μ F 3kΩ╳ 2 U 10μ F 51kΩ 51kΩ 100mA 便攜式濕度計的實際電路 87 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 。 下圖為濕度測量電路中 Rt是熱敏電阻器 (20kΩ，B=4100K)； RH為 H204C濕度傳感器 ， 運算放大器型號為 LM2904。其電路圖如圖 。 振蕩器和放大器都由 9V直流電源供給 。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。 所以要考慮溫度補償問題 。 交流電源的頻率選擇是，在不產(chǎn)生正、負離子定向積累情況下盡可能低一些。 存儲一年后 ， 其最大變化不超過 2％ RH， 完全可以滿足器件穩(wěn)定性的要求 。在 (0～ 55)℃ 時，溫度系數(shù)為 (–％～ –％ )RH/℃ 。 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)坐標紙上近似為一直線 。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。 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 。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。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。 20 40 60 80 100 103 104 105 106 107 108 相對濕度 /% R/Ω 72 （ 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。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。 也有少數(shù)陶瓷濕度傳感器 ， 它的感濕特性量為電容 。 典型產(chǎn)品是燒結(jié)型陶瓷濕敏元件是 MgCr2O4－ TiO2系 。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、負離子，稱為液體電解質(zhì)。對這種濕度傳感器，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?？梢?，測試電壓小于 5V時，電壓對阻 ——濕特性沒有影響。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。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，其反應(yīng)速度的快慢。 或環(huán)境溫度每變化 1℃ 時 ， 所引起的濕度傳感器的濕度誤差 。 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)的溫度變化量之比 ， 稱為 特征量溫度系數(shù) 。 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。有的阻值隨著濕度的增加而減小，這種為 負特性濕敏電阻器 ，如 TiO2－ SnO2陶瓷濕敏電阻器。 全濕度范圍用相對濕度 (0～ 100)％ RH表示 ， 它是濕度傳感器工作性能的一項重要指標 。如果這一溫度低于 0℃ 時，水蒸氣將結(jié)霜 ， 又稱為 霜點溫度 。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。 溫度越高 ， 飽和水蒸氣壓越大 。 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 。 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。 陶瓷型 ：一般以金屬氧化物為原料 ， 通過陶瓷工藝 ， 制成一種多孔陶瓷 。 一部分是煤氣報警器 ， 在煤氣濃度達到危險界限前發(fā)生警報；另一部分是開放式負離子發(fā)生器 ， 其作用是自動產(chǎn)生空氣負離子 ， 使煤氣中主要有害成分一氧化碳與空氣負離子中的臭氧 (O3)反應(yīng) ， 生成對人體無害的二氧化碳 。 ~220V 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 54 下圖是差分式可燃性氣體檢測儀電路原理圖 。當(dāng)通電 1～ 2min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) 。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；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。 5 10 15 20 1 2 3 4 Yb2O3 Y2O3 CaO 氧化物添加量 /% mol ZrO2中雜質(zhì)含量與電導(dǎo)關(guān)系 離子電導(dǎo) lgα /Ω 1cm1 50 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 101 102 103 104 1 2 3 4 6 7 t /℃ 離 子 電 導(dǎo)/Ω 1 cm1 1 添加 8%molYb2O3 ； 2 3 ZrO2 ； 4 添加 10%molY2O3 ； 5 添加 13%molCaO 6 添加 15%molY2O3 ； 7 添加 10%molCeO 51 四 、 氣體傳感器的應(yīng)用 分為檢測 、 報警 、 監(jiān)控等幾種類型 。 但是 ，由于二氧化鋯一氧化鈣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 。 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