【正文】 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(dòng)的正、負(fù)離子，稱(chēng)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(duì)濕度的函數(shù)。 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(duì)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(duì)濕度 /% R/108Ω 把不同感濕范圍的單片濕度傳感器組合起來(lái) ,可制成相對(duì)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。具有許多優(yōu)點(diǎn)：測(cè)濕范圍寬，可實(shí)現(xiàn)全濕范圍內(nèi)的濕度測(cè)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(dá) 800℃ ，響應(yīng)時(shí)間較短，精度高，抗污染能力強(qiáng)，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。 典型產(chǎn)品是燒結(jié)型陶瓷濕敏元件是 MgCr2O4－ TiO2系 。此外 ， 還有 TiO2V2O5 系 、 ZnO － Li2O － V2O5 系 、ZnCr2O4系 、 ZrO2－ MgO系 、 Fe3O4系 、 Ta2O5系等 。 這類(lèi)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(duì)濕度的增加 ，阻值下降 。 也有少數(shù)陶瓷濕度傳感器 ， 它的感濕特性量為電容 。 70 結(jié)構(gòu) 該濕度傳感器的感濕體是 MgCr2O4TiO2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(wú)關(guān) , 相當(dāng)于一種開(kāi)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(gè)多晶多相的混合物。 陶瓷濕敏元件結(jié)構(gòu)圖 護(hù)圈電極 感濕陶瓷 氧化釕電極 加熱器 基板 電極引線(xiàn) 71 主要特性與性能 （ 1） 電阻一濕度特性 MgCr2O4－ TiO2系陶瓷濕度傳感器的電阻一濕度特性，隨著相對(duì)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(duì)數(shù)的坐標(biāo)中，電阻 —濕度特性近似呈線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)相對(duì)濕度由 0變?yōu)?100％ RH時(shí)，阻值從107Ω下降到 104Ω，即變化了三個(gè)數(shù)量級(jí)。 20 40 60 80 100 103 104 105 106 107 108 相對(duì)濕度 /% R/Ω 72 （ 2） 電阻 — 溫度特性 是在不同的溫度環(huán)境下，測(cè)量陶瓷濕度傳感器的電阻 —濕度特性。從圖可見(jiàn)，從 20℃ 到 80℃ 各條曲線(xiàn)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 –％ RH／ ℃ 。如果要求精確的濕度測(cè)量，需要對(duì)濕度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 20 40 60 80 100 103 104 105 106 107 108 相對(duì)濕度 /% 20℃ 40℃ 60℃ 80℃ R/Ω MgCr2O4TiO2系濕度傳感器的電阻 — 溫度特性 73 MgCr2O4TiO2系濕度傳感器的時(shí)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(shí)間 響應(yīng)時(shí)間特性如圖。根據(jù)響應(yīng)時(shí)間的規(guī)定，從圖中可知，響應(yīng)時(shí)間小于 10s。 74 （ 4） 穩(wěn)定性 制成的 MgCr2O4TiO2系陶瓷類(lèi)濕度傳感器 ， 需要實(shí)驗(yàn)：高溫負(fù)荷實(shí)驗(yàn) (大氣中 ， 溫度 150℃ ， 交流電壓 5V， 時(shí)間104h)；高溫高濕負(fù)荷試驗(yàn) (濕度大于 95％ RH， 溫度 60℃ ，交流電壓 5V， 時(shí)間 104h)；常溫常濕試驗(yàn) [濕度 (10～ 90)％ RH， 溫度 (–10℃ ～＋ 40℃ )]；油氣循環(huán)試驗(yàn) (油蒸氣? 加熱清洗循環(huán) 25萬(wàn)次 ， 交流電壓 5V)。 經(jīng)過(guò)以上各種試驗(yàn) ， 大多數(shù)陶瓷濕度傳感器仍能可靠地工作 ， 說(shuō)明穩(wěn)定性比較好 。 75 五 、 高分子濕度傳感器 用有機(jī)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(shù)脂）材料和導(dǎo)電粒子，在吸濕之后的 開(kāi)關(guān)特性 ，制成了結(jié)露傳感器。 （ 一 ） 電容式濕度傳感器 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)。 高分子薄膜 上部電極 下部電極 76 感濕機(jī)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(guò) ， 水的介電系數(shù)比較大 ， 室溫時(shí)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(shí) ， 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(cè)得相對(duì)濕度 。 77 （ 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(shí)間都很短 ， 一般都小于 5s， 有的響應(yīng)時(shí)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 5℃ ～ 50℃ 范圍內(nèi) ,電容溫度系數(shù)約為 ％ RH/℃ 相對(duì)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(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)測(cè)試頻率為 ,其輸出特性有良好的線(xiàn)性度。對(duì)其它測(cè)試頻率 ,如 1kHz、10kHz，盡管傳感器的電容量變化很大 ,但線(xiàn)性度欠佳?？赏饨愚D(zhuǎn)換電路 ,使電容 —濕度特性趨于理想直線(xiàn)。 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)。 引線(xiàn)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 79 主要特性 （ 1） 電阻 — 濕度特性 當(dāng)環(huán)境濕度變化時(shí) ， 傳感器在吸濕和脫濕兩種情況的感濕特性曲線(xiàn) ， 如圖 。 在整個(gè)濕度范圍內(nèi) ， 傳感器均有感濕特性 ， 其阻值與相對(duì)濕度的關(guān)系在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上近似為一直線(xiàn) 。 吸濕和脫濕時(shí)濕度指示的最大誤差值為(3～ 4)％ RH。 1K 30 40 50 60 70 80 90 吸濕 10K 100K 1M 10M 相對(duì)濕度 /% R/Ω 脫濕 Δ177。 3%RH 電阻 — 濕度特性 80 （ 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 (0～ 55)℃ 時(shí)，溫度系數(shù)為 (–％～ –％ )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/Ω 相對(duì)濕度 /% 81 （ 3） 其它特性 聚苯乙烯磺酸鋰濕度傳感器的升濕響應(yīng)時(shí)間比較快 ，降濕響應(yīng)時(shí)間比較慢 ， 響應(yīng)時(shí)間在一分鐘之內(nèi) 。 濕滯比較小 ， 在 (1％ ～ 2％ )RH之間 。 這種濕度傳感器具有良好的穩(wěn)定性 。 存儲(chǔ)一年后 ， 其最大變化不超過(guò) 2％ RH， 完全可以滿(mǎn)足器件穩(wěn)定性的要求 。 高分子薄膜濕度傳感器的缺點(diǎn)是：對(duì)于含有機(jī)溶媒氣體的環(huán)境下測(cè)濕時(shí)，器件易損壞；另外不能用于 80℃以上的高溫。 82 六 、 濕度傳感器的測(cè)量電路 （ 一 ） 檢測(cè)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(huì)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(dòng)實(shí)現(xiàn)的 ， 在直流電源作用下 ， 正 、 負(fù)離子必然向電源兩極運(yùn)動(dòng) ， 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(yùn)動(dòng) ， 不會(huì)產(chǎn)生電解作用 ， 感濕膜不會(huì)被破壞 。 交流電源的頻率選擇是，在不產(chǎn)生正、負(fù)離子定向積累情況下盡可能低一些。在高頻情況下，測(cè)試引線(xiàn)的容抗明顯下降，會(huì)把濕敏電阻短路。另外，濕敏膜在高頻下也會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng)，阻值發(fā)生變化，影響到測(cè)濕靈敏度和準(zhǔn)確性。 83 2． 溫度補(bǔ)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(bǔ)償問(wèn)題 。 對(duì)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 ?????? ?? AHTBRR ex p0H：相對(duì)濕度； T：絕對(duì)溫度； R0：在 T=0℃ 相對(duì)濕度 H=0時(shí)的阻值； A：濕度常數(shù)； B：溫度常數(shù)。 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(cè)量誤差為 ％ RH/℃ ，則不必考慮溫度補(bǔ)償；若濕度溫度系數(shù)為 ％ RH/℃ ，則引起 12％ RH/℃ 的誤差 ,必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 84 3． 線(xiàn)性化 濕度傳感器的感濕特征量與相對(duì)濕度之間的關(guān)系不是線(xiàn)性的，這給濕度的測(cè)量、控制和補(bǔ)償帶來(lái)了困難。需要通過(guò)一種變換使感濕特征量與相對(duì)濕度之間的關(guān)系線(xiàn)性化。下圖為濕度傳感器測(cè)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(cè)量電路原理框圖 D1 振蕩器 放大電路 傳感器 驅(qū)動(dòng)電路 整流電路 對(duì)數(shù) 溫補(bǔ)電路 85 （ 二 ） 典型電路 電阻式濕度傳感器 ， 其測(cè)量電路主要有兩種形式 : 1． 電橋電路 振蕩器對(duì)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(hào)輸出 ， 放大器可把不平衡信號(hào)加以放大 ， 整流器將交流信號(hào)變成直流信號(hào) ， 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(cè)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(jì)的實(shí)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 。由于測(cè)濕電路可以獲得較強(qiáng)信號(hào) ， 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 ~220V 22kΩ 51kΩ 3V 2AP9╳ 4 輸入 Rd 插口 F╳ 2 88 3． 帶溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y(cè)量電路 在實(shí)際應(yīng)用中 ， 需要同時(shí)考慮對(duì)濕度傳感器進(jìn)行線(xiàn)性處理和溫度補(bǔ)償 ， 常常采用運(yùn)算放大器構(gòu)成濕度測(cè)量電路 。 下圖為濕度測(cè)量電路中 Rt是熱敏電阻器 (20kΩ，B=4100K)； RH為 H204C濕度傳感器 ， 運(yùn)算放大器型號(hào)為 LM2904。 該電路的濕度電壓特性及溫度特性表明：在 (30％ ～ 90％ )RH、 15℃ ～ 35℃ 范圍內(nèi) ， 輸出電壓表示的濕度誤差不超過(guò) 3％ RH。 _ + _ +