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新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University 传感器与检测技术学习情境3 环境量检测 ▲任务1 气敏传感器的酒精浓度检测 ▲任务2 湿敏传感器的环境湿度检测

新疆职业大学 学习情境3 Xinjiang Vocationai University 环境量检测教学目标（1）能了解并掌握气敏传感器的主要特性、原理、组成和使用注意点等。（2）能理解气敏传感器的测量、应用电路。（3）能了解并掌握湿敏传感器的主要特点、原理、组成和使用注意点等。（4）能理解湿敏传感器的测量、应用电路。

任务2 湿敏传感器的环境湿度检测任务导读 ●掌握湿敏传感器的主要特性、基本工作原理。 ●了解它们的组成、使用注意事项等。 ●理解它们的测量、应用电路。新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University

任务提出 新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University 任务2 湿敏传感器的环境湿度检测在工农业生产和人们的日常生活中，湿度有如下影响： • 1．水蒸气的凝结将给仪器设备带来各种危害如在热工设备里会引起受热局部不均 • 2．湿度对电子元件的影响 • 物体表面会附着一层水膜，并渗入材料内部； • 降低绝缘强度，造成漏电、击穿和短路现象； • 加速金属材料的腐蚀并引起有机材料的霉烂。

新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University 3．湿度对人体的影响 • 秋冬季空气干燥，人易上火、皮肤易干燥； • 夏季雷雨前空气潮湿，人会感觉呼吸不畅等。因此，对湿度的检测和控制是非常重要的。人体健康的湿度环境是 45%～65%,在这样的湿度条件下,人体感觉最舒适,各种病菌不易传播。湿度高于65%会使人体呼吸系统和粘膜产生不适,免疫力下降。药品仓库湿度要求45%~75%之间。档案的保管国家有明确规定，并且要符合一定的储存条件，有利于档案的长久保存。如国家档案局关于档案库房温湿度要求：温度14～24℃，夏季不大于24℃；相对湿度45%～60%，夏季不大于60%。在规定范围内，温、湿度每昼夜波动幅度要求温度±2℃，相对湿度±5%。纺织厂要求车间的湿度保持在60－70％RH,在农业生产中的温室育苗、食用菌培养、水果保鲜等都需要对湿度进行检测和控制。因此要检测环境湿度就用湿度传感器。

相关知识 新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University 一.认识湿敏元件 • 湿敏电阻工作过程： • 水分子极易吸附于固 • 体表面→渗透到固体 • 内部→半导体的电阻 • 值降低 • 可以利用多孔陶瓷、 • 三氧化二铝等吸湿材 • 料制作湿敏电阻。

湿敏电阻外形结构示意图 新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University

新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University 封装后的外形

新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University 湿度检测动画演示

新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University 二.湿敏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。应用领域：工业、农业、国防、科技、生活等各个领域。 1.电解质湿度传感器电解质是以离子形式导电的物质，分为固体电解质和液体电解质。若物质溶于水中，在极性水分子作用下，能全部或部分地离解为自由移动的正、负离子，称为液体电解质。电解质溶液的电导率与溶液的浓度有关，而溶液的浓度，在一定的温度下又是环境相对湿度的函数。

新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University 2.陶瓷湿度传感器利用半导体陶瓷材料制成的陶瓷湿度传感器。具有许多优点：测湿范围宽，可实现全湿范围内的湿度测量；工作温度高，常温湿度传感器的工作温度在150℃以下，而高温湿度传感器的工作温度可达800℃，响应时间较短，精度高，抗污染能力强，工艺简单，成本低廉。典型产品是烧结型陶瓷湿敏元件是MgCr2O4－TiO2系。此外，还有TiO2-V2O5系、ZnO－Li2O－V2O5系、ZnCr2O4系、ZrO2－MgO系、Fe3O4系、Ta2O5系等。这类湿度传感器的感湿特征量大多数为电阻。除Fe3O4外，都为负特性湿度传感器，即随着环境相对湿度的增加，阻值下降。也有少数陶瓷湿度传感器，它的感湿特性量为电容。

氧化钌电极 加热器感湿陶瓷基板护圈电极电极引线陶瓷湿敏元件结构图新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University 该湿度传感器的感湿体是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。这种多孔陶瓷的气孔大部分为粒间气孔,气孔直径随TiO2添加量的增加而增大。粒间气孔与颗粒大小无关, 相当于一种开口毛细管,容易吸附水分。材料的主晶相是MgCr2O4相,此外,还有TiO2相等,感湿体是一个多晶多相的混合物。

高分子薄膜 上部电极下部电极新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University 3.高分子湿度传感器用有机高分子材料制成的湿度传感器，主要是利用其吸湿性与胀缩性。某些高分子电介质吸湿后，介电常数明显改变，制成了电容式湿度传感器；某些高分子电解质吸湿后，电阻明显变化，制成了电阻式湿度传感器；利用胀缩性高分子（如树脂）材料和导电粒子，在吸湿之后的开关特性，制成了结露传感器。（1）电容式湿度传感器 ▲结构：高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的基本结构。

新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University ▲感湿机理与性能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。

引线端 感湿膜新疆职业大学基片 Xinjiang Vocationai University （2）电阻式高分子膜湿度传感器聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的结构如下：梳状电极聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的结构

新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University • 湿度测量中湿度传感器的使用注意事项 • 有以下几个问题值得注意： • （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。

新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University （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。对于半导体陶瓷传感器，其电阻与温度的的关系一般为指数函数关系，通常其温度关系属于NTC型。（3）线性化处理一般湿敏元件的特性均为非线性，为准确地获得湿度值，要加入线性化电路，使输出信号正比与湿度的变化。（4）测量湿度范围和测量重量、温度一样，选择湿度传感器首先要确定测量范围。电阻式湿敏元件在湿度超过95%RH时，湿敏膜因湿润溶解，厚度会发生变化，若反复结露与潮解，特性将变差而且不能复原。

电容式湿敏元件在80%RH以上高潮及100%RH以上结露或解电容式湿敏元件在80%RH以上高潮及100%RH以上结露或解除状态下，也难以检测。另外，不能将湿敏电容直接浸入水中或长期用于结露状态，也不能用于手摸或用嘴吹其表面。（5）安装要求湿敏传感器应安装在空气流动的环境中。传感器的延长线应使用屏蔽线，最好不超过1m。（6）加热去污陶瓷元件的加热去污应控制在450℃。它利用元件的温度特性进行温度检测和控制，当温度达到450℃即中断加热。由于未加热前吸附有水分，突然加热会出现相当于450℃时的阻值，而实际温度并未达到450℃。因此，应在通电后延迟2~3S 再检测电阻值。当加热结束后，应冷却至常温再开始检测湿度。

任务实施 新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University 任务1 电阻应变式电子秤的重量检测一.合理选择湿敏传感器的类型由于湿度传感器种类很多，应用环境复杂，因此必须合理选择湿敏传感器。以适用工作环境，满足性能要求。一般在常温洁净环境、连续应用的场合，应选用高分子湿敏传感器，这类传感器精度高，稳定性好。在高温恶劣环境，应选用应选用加热清洗的陶瓷湿敏传感器。这类传感器耐高温，通过定期清洗能除去吸附在敏感体表面的灰尘、气体、油污等杂物，使性能恢复。

新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University • 二.正确使用湿敏传感器 1.湿敏传感器的应用若检测出相对湿度≥65%RH，温度≥55oC时，判断为泄漏状态，通过与门输出。若检测湿度变化率大于设定值时，也可判断为泄漏状态，通过或门输出。或门的输入端只要有一端输入为高电平，即可判断有泄漏，并进行声光报警。

新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University 2.汽车后窗玻璃自动去湿装置施密特触发电路偏置电路嵌入玻璃的加热电阻断开截止导通较大无电流流过湿度传感器汽车后窗玻璃自动去湿电路在常温常湿条件下

新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University 施密特触发电路偏置电路嵌入玻璃的加热电阻闭合导通截止减小有电流流过，加热电阻开始加热，后窗玻璃上的潮气被驱散。湿度传感器汽车后窗玻璃自动去湿电路当室内外温差较大，且湿度过大时

测湿电桥的电源，其振荡频率为250～1000Hz 氯化锂湿度传感器其他案例微安表，指示出由于相对湿度的变化引起电流的改变，经标定并把湿度刻划在微安表盘上. 新疆职业大学直读式湿度计电路 Xinjiang Vocationai University 1.直读式湿度计

新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University 2.湿度检测器将多谐振荡器输出的方波信号变为三角波。当相对湿度变化时，湿度传感器的电容量将随着改变，它将使多谐振荡器输出的频率及三角波的幅度都发生相应的变化。多谐振荡器,输出方波信号仪器调零读出与相对湿度相应的指数来整流和滤波湿度传感器湿度检测器电路

R V 新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University 3.高湿度显示器当环境湿度增大时 SMOI—A型湿敏电阻，当环境的相对湿度在20％～90％RH变化时，它的电阻值在几十千欧到几百欧范围内改变发光导通 9V 截止导通为防止湿敏电阻产生极化现象，采用变压器降压供给检测电路9V交流电压。高湿度显示电路可应用于蔬菜大棚、粮棉仓库、花卉温室、医院等对湿度要求比较严格的场合。高湿显示器电路图

当湿度 V 新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University 4.房间湿度控制器发绿光空气干燥高电平将湿敏电容置于RC振荡电路中，直接将湿敏元件的电容信号转换成电压信号。由双稳态触发器及RC组成双振荡器，其中一支路由固定电阻和湿敏电容组成，另一支路由多圈电位器和固定电容组成。设定在O％RH时，湿敏支路产生一脉冲宽度的方波，调整多圈电位器使其方波与湿敏支路脉宽相同，则两信号差为0，湿度变化引起脉宽变化，两信号差通过RC滤波后经标准化处理得到电压输出，输出电压随相对湿度几乎成线性增加，这是KSC－6V集成相对湿度传感器的原理，其相对湿度0％～100％RH对应的输出为0～100mV。接通超声波加湿器导通吸合湿度控制器原理电路图

当湿度 V 新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University 释放发红光空气潮湿高电平导通接通排气扇排除潮气吸合湿度控制器原理电路图

新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University 5.浴室镜面水汽清除器由电热丝、结露传感器、控制电路等组成，其中电热丝和结露传感器安装在玻璃镜子的背面，用导线将它们和控制电路联接。镜面水汽清除器的整体结构图

新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University 调节其阻值，可使加热丝在确定的某一相对湿度条件下开始加热。结露传感器，感知水汽后的阻值变化截止截止导通如果玻璃镜面周围的湿度变低时，结露传感器阻值变小到2 时。无电流流过浴室镜面水汽清除器电路图

新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University 玻璃镜面加热，随着镜面温度逐步升高，从而使镜面水汽被蒸发恢复清晰。调节其阻值，可使加热丝在确定的某一相对湿度条件下开始加热。结露传感器，感知水汽后的阻值变化导通截止导通如果玻璃镜面周围的湿度增加，使结露传感器阻值增大到50 时。有电流流过浴室镜面水汽清除器电路图

新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University 6.土壤缺水告知器土壤的电阻值与其湿度有关，潮湿的土壤电阻仅有几百欧姆，干燥时土壤电阻可增大到数十千欧姆以上，因此，可以利用土壤电阻值的变化来判断土壤是否缺水。缓冲电路振荡器低电位基准电压其两端电压较低整流当土壤潮湿时，其阻值变小金属极板作为土壤湿度传感器土壤缺水告知器电路原理图

新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University 7.电容式谷物水分测量仪 • 水分测量仪采用筒式电容式水分传感器，谷物装入传感器筒内后，介电常数会随谷物水分含量不同而变化。水分测量仪电路框图

新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University 露点传感器外形

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新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University 机械式湿度计电子式湿度计

新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University 本章小结 • 气敏传感器—能感知环境中某种气体及其浓度的一种器件，它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。 • 电阻型半导体气敏传感器—利用气体在金属氧化物半导体表面的氧化和还原反应，导致敏感元件阻值变化的原理来工作的。 • 非电阻型气敏传感器—主要包括利用MOS二极管的电容—电压特性变化的MOS二极管型气敏传感器和利用MOS场效应管的阈值电压变化的MOS场效应管型气敏传感器。 • 气敏传感器应用：各类易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警都可以用相应的气体传感器及其相关电路来实现，如气体成分检测仪、气体报警器、空气净化器等等已用于工厂、矿山、家庭、娱乐场所等。

新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University • 湿度是表示空气中水蒸气的含量的物理量，常用绝对湿度、相对湿度、露点等表示。 • 湿敏电阻—在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化物湿敏电阻、硅湿敏电阻、碳湿敏电阻、氯化锂湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻、高分子湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。 • 湿敏电容—当环境湿度发生改变时，湿敏电容极间介质的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。按照极间介质的不同，湿敏电容分为有机高分子和陶瓷材料两大类。 • 湿度传感器的选用：对于不同环境的湿度测量应选用不同的湿度传感器。例如，当环境温度在一40～7O ℃时，可采用高分子湿度传感器和陶瓷湿度传感器；在7O～1OO℃范围和超过10O℃时使用陶瓷湿度传感器。在干净的环境通常使用高分子湿度传感器，在污染严重的环境则使用陶瓷湿度传感器。为了使传感器准确稳定地工作，还需附加自动加热清洗装置。

新疆职业大学 Xinjiang Vocationai University 复习思考题 • 1．气敏传感器可以分为哪几种类型？半导体气敏元件是如何分类的？ • 2．简述N型半导体气敏元件的原理。 • 3．Pd-MOSFET的工作原理是什么？ • 4．什么是绝对湿度和相对湿度？ • 5．氯化锂和陶瓷湿敏电阻各有何特点? • 6．简述高分子电阻式湿度传感器的工作原理。 • 7．利用所学知识设计一个测量湿度的电路。

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