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湿度传感器常识


      湿度传感器在精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所,气象预报、医疗卫生、食品加工等行业都有广泛的应用。

湿度传感器依据使用材料分类:

1.电解质型:以氯化锂为例,它在绝缘基板上制作一对电极,涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解,并产生离子导电,随湿度升高而电阻减小。

2.陶瓷型:一般以金属氧化物为原料,通过陶瓷工艺,制成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。

3.高分子型:先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极,通过浸渍或涂覆,使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜。有机高分子的材料种类也很多,工作原理也各不相同。

4.单晶半导体型:所用材料主要是硅单晶,利用半导体工艺制成。制成二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。

一、湿度表示法

     空气中含有水蒸气的量称为湿度,含有水蒸气的空气是一种混合气体。主要有质量百分比和体积百分比、相对湿度和绝对湿度、露点(霜点)等表示法。

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%

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(p)。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(ps)。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。

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。两者统称为露点。空气中水蒸气压越小,露点越低。

二、湿度传感器的主要参数

1、湿度量程

      指湿度传感器技术规范中所规定的感湿范围。全湿度范围用相对湿度(0~100)%RH表示,它是湿度传感器工作性能的一项重要指标。

2、感湿特征量——相对湿度特性

      每种湿度传感器都有其感湿特征量,如电阻、电容等,通常用电阻比较多。以电阻为例,在规定的工作湿度范围内,湿度传感器的电阻值随环境湿度变化的关系特性曲线,简称阻湿特性。有的湿度传感器的电阻值随湿度的增加而增大,这种为正特性湿敏电阻器,如Fe3O4湿敏电阻器。有的阻值随着湿度的增加而减小,这种为负特性湿敏电阻器,如TiO2-SnO2陶瓷湿敏电阻器。

3、感湿灵敏度

      简称灵敏度,又叫湿度系数。其定义是在某一相对湿度范围内,相对湿度改变1%RH时,湿度传感器电参量的变化值或百分率。

各种不同的湿度传感器,对灵敏度的要求各不相同,对于低湿型或高湿型的湿度传感器,它们的量程较窄,要求灵敏度要很高。但对于全湿型湿度传感器,并非灵敏度越大越好,因为电阻值的动态范围很宽,给配制二次仪表带来不利,所以灵敏度的大小要适当。

4、特征量温度系数

      反映湿度传感器在感湿特征量——相对湿度特性曲线随环境温度而变化的特性。感湿特征量随环境温度的变化越小,环境温度变化所引起的相对湿度的误差就越小。

在环境温度保持恒定时,湿度传感器特征量的相对变化量与对应的温度变化量之比,称为特征量温度系数。

电阻温度系数(%/℃)=100((R2-R1)/(R1△T)

电容温度系数(%/℃)=100((C1-C2)/(C1△T)

ΔT——温度25℃与另一规定环境温度之差;

R1(C1)——温度25℃时湿度传感器的电阻值(或电容值);

R2(C2)——另一规定环境温度时湿度传感器的电阻值(或电容值

5、感湿温度系数

      反映湿度传感器温度特性的一个比较直观、实用的物理量。它表示在两个规定的温度下,湿度传感器的电阻值(或电容值)达到相等时,其对应的相对湿度之差与两个规定的温度变化量之比,称为感湿温度系数。或环境温度每变化1℃时,所引起的湿度传感器的湿度误差。感湿温度系数

(%RH/℃)=(H1-H2)/△T

ΔT——温度25℃与另一规定环境温度之差;

H1——温度25℃时湿度传感器某一电阻值(或电容值)对应的相对湿度值;         

H2——另一规定环境温度下湿度传感器另一电阻值(或电容值)对应的相对湿度。

6、响应时间

      在一定温度下,当相对湿度发生跃变时,湿度传感器的电参量达到稳态变化量的规定比例所需要的时间。一般是以相应的起始和终止这一相对湿度变化区间的63%作为相对湿度变化所需要的时间,也称时间常数,它是反映湿度传感器相对湿度发生变化时,其反应速度的快慢。单位是s。也有规定从起始到终止90%的相对湿度变化作为响应时间的。响应时间又分为吸湿响应时间和脱湿响应时间。大多数湿度传感器都是脱湿响应时间大于吸湿响应时间,一般以脱湿响应时间作为湿度传感器的响应时间。

7、电压特性

     当用湿度传感器测量湿度时,所加的测试电压,不能用直流电压。这是由于加直流电压引起感湿体内水分子的电解,致使电导率随时间的增加而下降,故测试电压采用交流电压。

8、频率特性

      湿度传感器的阻值与外加测试电压频率的关系,在高湿时,频率对阻值的影响很小,当低湿高频时,随着频率的增加,阻值下降。对这种湿度传感器,在各种湿度下,当测试频率小于103Hz时,阻值不随使用频率而变化,故该湿度传感器使用频率的上限为103Hz。湿度传感器的使用频率上限由实验确定。直流电压会引起水分子的电解,因此,测试电压频率也不能太低。

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电容式高分子湿度传感器:其上部多孔质的金电极可使水分子透过,水的介电系数比较大,室温时约为79。感湿高分子材料的介电常数并不大,当水分子被高分子薄膜吸附时,介电常数发生变化。随着环境湿度的提高,高分子薄膜吸附的水分子增多,因而湿度传感器的电容量增加.所以根据电容量的变化可测得相对湿度。

检测电路的选择

1、电源选择

      一切电阻式湿度传感器都必须使用交流电源,否则性能会劣化甚至失效。

      电解质湿度传感器的电导是靠离子的移动实现的,在直流电源作用下,正、负离子必然向电源两极运动,产生电解作用,使感湿层变薄甚至被破坏;在交流电源作用下,正负离子往返运动,不会产生电解作用,感湿膜不会被破坏。

      交流电源的频率选择是,在不产生正、负离子定向积累情况下尽可能低一些。在高频情况下,测试引线的容抗明显下降,会把湿敏电阻短路。另外,湿敏膜在高频下也会产生集肤效应,阻值发生变化,影响到测湿灵敏度和准确性

2.温度补偿

     湿度传感器具有正或负的温度系数,其温度系数大小不一,工作温区有宽有窄。所以要考虑温度补偿问题。

3.线性化

     湿度传感器的感湿特征量与相对湿度之间的关系不是线性的,这给湿度的测量、控制和补偿带来了困难。需要通过一种变换使感湿特征量与相对湿度之间的关系线性化。



 

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