chapter8固态传感器-湿仍敏090808.ppt

8.5 湿度传感器 湿度检测的意义 在工业生产中，湿度测控关系到产品的质量。精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所，湿度的测控就显得更加重要。 湿度测控在气象预报、医疗卫生、食品加工、家用电器、农林牧等行业都有广泛的应用。 8.5 湿度传感器 湿度是指大气中的水蒸气含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种表示方法。 绝对湿度是指在一定温度和压力条件下， 每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，单位为g/m3，一般用符号AH表示。 相对湿度是指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度之比，一般用符号%RH表示。相对湿度给出大气的潮湿程度，它是一个无量纲的量，在实际使用中多使用相对湿度这一概念。 8.5 湿度传感器 湿敏传感器是能够感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化成有用信号的器件。 湿度检测较之其它物理量的检测困难的原因： 因为空气中水蒸气含量要比空气少得多； 液态水会使一些高分子材料和电解质材料溶解，一部分水分子电离后与溶入水中的空气中的杂质结合成酸或碱，使湿敏材料不同程度地受到腐蚀和老化，从而丧失其原有的性质； 湿信息的传递必须靠水对湿敏器件直接接触来完成，因此湿敏器件只能直接暴露于待测环境中，不能密封。 8.5 湿度传感器 对湿敏器件的要求： 在各种气体环境下稳定性好，寿命长； 满足要求的湿度测量范围，有较快的响应速度； 在各种气体环境中特性稳定，不受尘埃、油污附着影响； 能在－30～100℃的环境温度下使用，受温度影响小； 互换性好、制造简单、价格便宜； 微型化、集成化是湿敏器件的发展方向。 8.5 湿度传感器 传统的方法是露点法、毛发膨胀法和干湿球温度测量法。 石英振动式湿度计、微波湿度计、电容湿度计、电阻湿度计等。 陶瓷湿敏电阻。 8.5 湿度传感器 8.5.1 湿度表示法 8.5.2 电解质湿度传感器 8.5.3 陶瓷湿度传感器 8.5.4 高分子湿度传感器 8.5.5 湿度传感器的测量电路 8.5.1 湿度表示法 空气(或气体)中水水蒸气的量称为湿度。 湿度的表示方法： 质量百分比和体积百分比 相对湿度和绝对湿度 露点（霜点） 1. 质量百分比和体积百分比 质量为M的混合气体中，若含水蒸气的质量为m，则质量百分比为：m／M×100％ 在体积为V的混合气体中，若含水蒸气的体积为v，则体积百分比为： v／V×100％ 这两种方法统称为水蒸气百分含量法。 2. 相对湿度和绝对湿度 水蒸气压是指在一定的温度条件下，混合气体中存在的水蒸气分压(e)。而饱和蒸气压是指在同一温度下，混合气体中所含水蒸气压的最大值(es)。温度越高，饱和水蒸气压越大。 在某一温度下，其水蒸气压同饱和蒸气压的百分比，称为相对湿度： 绝对湿度表示单位体积内，空气里所含水蒸气的质量，其定义为： 2. 相对湿度和绝对湿度 如果把待测空气看作是由水蒸气和干燥空气组成的二元理想混合气体，根据道尔顿分压定律和理想气体状态方程，可得出： e：空气中水蒸气分压； M：水蒸气的摩尔质量 R：理想气体常数； T：空气的绝对温度。 3. 露（霜）点 水的饱和蒸气压随温度的降低而逐渐下降。在同样的空气水蒸气压下，温度越低，则空气的水蒸气压与同温度下水的饱和蒸气压差值越小。 当空气温度下降到某一温度时，空气中的水蒸气压与同温度下水的饱和水蒸气压相等。此时，空气中的水蒸气将向液相转化而凝结成露珠，相对湿度为100％RH。该温度称为空气的露点温度，简称露点。如果这一温度低于0℃时，水蒸气将结霜，又称为霜点温度。 空气中水蒸气压越小，露点越低，因而可用露点表示空气中的湿度。 3. 露（霜）点 8.5.2 电解质湿度传感器 以氯化锂为例，它是在绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。 氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。 它由引线、基片、感湿层与电极组成， 如图2所示。 8.5.2 电解质湿度传感器 氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂（LiCl）溶液中，Li和Cl均以正负离子的形式存在，而Li＋对水分子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。 当溶液置于一定温湿场中，若环境相对湿度高，溶液将吸收水分，使浓度降低，因此，其溶液电阻率增高。反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。 8.5.2 电解质湿度传感器 氯化锂湿敏元件的电阻—湿度特性曲线如图3所示。 8.5.2 电解质湿度传感器 由图可知，在50%~80%相对湿度范围内，电阻与湿度的变化成线性关系。为了扩大湿度测量的线性范围，可以将多个氯化锂（LiCl）含量不同的器件组合使用，如将测量范围分别为（10%～20%）RH、（20%～40%）