第13章 湿度传感器

√ 13.2.1 湿度传感器的分类 13.2.2 湿度传感器的特性参数
13.2.2
湿度传感器的特性参数
1.湿度量程 能保证一个湿敏器件正常工作的环境湿度最 大变化范围称为湿度量程，用相对湿度表示。 由于不同的湿度传感器所使用的功能材料不 同，以及工作时所依据的物理效应或化学反应的 不同，致使湿度传感器的量程不同。
大气中含有水分的多少直接影响大气的干、 湿程度。在物理学和气象学中，对大气(空气)湿 度的表征通常使用绝对湿度、相对湿度和露(霜) 点湿度。 1.绝对湿度 表示在一定温度和压力条件下，单位体积的 混合气体中所含水蒸气的质量，其定义为：
13.1.1 湿度的表示方法
mv rv V
(13.1)
式中， mv 为待测混合气体中的水蒸气质量； V为 待测混合气体的总体积； rv 为待测混合气体的绝 对湿度，其单位为g/m3。以AH表示绝对湿度。
13.3.2
氯化锂湿敏电阻的感湿特性
氯化锂湿敏电阻具有 负感湿特性，湿度—电阻 特性曲线如图所示。由图 可知，若采用单片湿度传 感器，其测量范围一般只 有30 %RH左右。
13.3.2
氯化锂湿敏电阻的感湿特性
为扩大测量范围，可将多个氯化锂含量不同 的元件组合使用，如将测量范围分别为10～20、 20～40、40～70、70～90和80～99 %RH的五种 元件配合使用，就可实现10～99 %RH的湿度测 量范围，如图所示。
13.2.2
湿度传感器的特性参数
8.电源频率特性 湿度传感器的阻值与外加测试电压的频率有 关。在各种湿度下，当测试频率小于一定值时， 阻值不随测试频率而变化，该频率被确定为湿度 传感器的使用频率上限。当然，为防止水分子的 电解，测试电压频率也不能太低。 其他还有工作温度范围、稳定性、寿命等。
13.2
标定湿度传感器的饱和盐水溶液法
下表是几种饱和盐水溶液平衡时的相对湿度值。
13.1.2
标定湿度传感器的饱和盐水溶液法
如图所示是饱和盐水溶液湿度发生装置。
13.1 概
述
√ 13.1.1 湿度的表示方法 √ 13.1.2 标定湿度传感器的饱和盐水溶液法
第13章
√ 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6 13.7 13.8
氯化锂湿敏电阻的工作原理与结构
1.工作原理 氯化锂是一种电解质，由于极性水分子的作 用，氯化锂可离解出能够自由移动的Li＋、Cl－离 子。离子的多少决定了其电导率的大小。而离子 的多少又取决于给定温度下环境的相对湿度。因 此，通过测量电阻即可确定环境的相对湿度。
13.3.1
氯化锂湿敏电阻的工作原理与结构
13.1.1 湿度的表示方法
2.相对湿度 相对湿度为待测空气的水蒸气分压 p 与相同 温度下饱和水蒸气压pW的比值，用百分数表示。 这是一个无量纲量，常表示为 %RH(RH 为相对 湿度的缩写)，亦即：
p H 100 %RH pW (13.2)
13.1.1 湿度的表示方法
绝对湿度—相对湿度—温度的关系如图所示。
13.2.2
湿度传感器的特性参数
5.响应时间 在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿 度传感器感湿特征量之值达到稳态值的63 % (也 有规定90 %的)所需要的时间称为响应时间，也 称为时间常数。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。
( R2 R1 ) / R1 100 % T 式中，T为两个规定温度之差； R2和 R1为这两个 规定温度下湿度传感器的阻值。
13.2.2
湿度传感器的特性参数
感湿温度系数定义为：在环境湿度保持恒定 的条件下，环境温度每变化1 ℃时所引起的湿度 误差。即： H 2 H1 H 2 H1 (13.3) T2 T1 T 式中， T为环境温度与规定温度之差； H2 、 H1 分别为环境温度下和规定温度下湿度传感器的感 湿特征量所对应的相对湿度。
13.1 概
述
它们的主要缺点是灵敏度和分辨率都不够高， 而且输出是非电信号，难以同电子电路或自动控 制系统及仪器相连接。直到1938年才研制出输出 电信号的LiCl电解质湿度传感器。
13.1 概
述
13.1.1 湿度的表示方法 13.1.2 标定湿度传感器的饱和盐水溶液法
13.1.1 湿度的表示方法
传感器原理与应用
第13章
湿度传感器
第13章
湿度传感器
霍尼韦尔生产HIH3600系列湿度传感器
第13章
湿度传感器
日本神荣相对湿度传感器
第13章
湿度传感器
湿敏电容
湿敏电阻
第13章
湿度传感器
湿敏模块
湿敏传感器
第13章
湿度传感器
芬兰生产的露点仪
第13章
湿度传感器
超高精度湿度传感器
第13章
湿度传感器
13.1.1 湿度的表示方法
3.露点湿度 保持压力一定而降温，使混合气体中的水蒸 气达到饱和而开始结露时的温度称为露点(℃)。
只要能测出露点，就可 以通过一些数据表查得绝对 湿度。温度—相对湿度—露 点的对应关系如图所示。用 这种方法测得的相对湿度称 为露点湿度。
13.1 概
述
√ 13.1.1 湿度的表示方法 13.1.2 标定湿度传感器的饱和盐水溶液法
13.2.2
湿度传感器的特性参数
2.感湿特征量—相对湿度特性曲线 每种湿度传感器都有其感湿特征量，例如电 阻、电容、电压、频率等。在规定的工作温度范 围内，湿度传感器的感湿特征量随环境相对湿度 变化的关系曲线，称为相对湿度特性曲线，简称 感湿特性曲线。
13.2.2
湿度传感器的特性参数
有的湿度传感器的感 湿特征量随湿度的增加而 增大，这称为正特性湿敏 传感器；有的感湿特征量 随湿度的增加而减小，称 为负特性湿敏传感器。某 种湿度传感器的感湿特性 曲线如图所示。
B
2.传感器的结构 氯化锂湿敏电阻元 件的结构如图所示。
A
用圆筒形支架作为基体，表面先浸涂一层聚 苯乙烯憎水层，然后在聚苯乙烯薄膜上并行地绕 钯丝电极，再把碱化后的聚乙烯醋酸脂和氯化锂 水溶液 (0.5～ 1.0 %) 的混合液均匀地涂在圆筒表 面。当被涂溶液的溶剂挥发干后，即凝聚成一层 阻值随环境相对湿度变化的感湿薄膜。
13.2.1 湿度传感器的分类
湿度传感器分类如图所示。
13.2.1 湿度传感器的分类
若按照材料分类，又可分为陶瓷湿度传感 器、有机高分子湿度传感器、半导体湿度传感 器、电解质湿度传感器等，如表13.2所示。
13.2.1 湿度传感器的分类
热敏电阻式湿度传感器如图所示，图(a)是 测量电路，图(b)是传感器结构。
13.2.2
湿度传感器的特性Βιβλιοθήκη Baidu数
6.湿滞回线和湿滞回差 湿度传感器在吸湿和脱湿往返 变化时的吸湿和脱湿特性曲线不重 合，所构成的曲线叫湿滞回线。由 于吸湿和脱湿特性曲线不重合，对 应同一感湿特征量的相对湿度之差 称为湿滞量。湿滞量的最大值称为 湿滞回差。
13.2.2
湿度传感器的特性参数
7.电压特性 测量湿度时，加直流测试电压将引起感湿体 内水分子的电解，致使电导率随时间的增加而下 降，故测试电压应采用交流电压。湿度传感器感 湿特征量之值与外加交流电压之间的关系称为电 压特性。当交流电压较大时，由于产生焦耳热， 对湿度传感器的特性会带来较大影响。
13.1.2
标定湿度传感器的饱和盐水溶液法
饱和盐水溶液法又称湿度固定点法，属于静 态标定法。虽然相对准确度较低，并且只能提供 固定的湿度点，却具有简易和价廉的优点。 方法：将饱和盐水溶液置于封闭的容器中， 根据拉乌尔定律和亨利定律，在定温和平衡的条 件下，溶液的组分固定，则水蒸气分压为常量， 可使饱和盐水溶液上方的空间保持恒定的相对湿 度。改变溶液的组分可获得不同的平衡水蒸气分 压，即可得到不同的相对湿度。
13.3.1
氯化锂湿敏电阻的工作原理与结构
浸渍式LiCl湿 度传感器的结构如 图所示。
13.3 氯化锂湿度传感器
√ 13.3.1 氯化锂湿敏电阻的工作原理与结构 13.3.2 氯化锂湿敏电阻的感湿特性
13.3.2
氯化锂湿敏电阻的感湿特性
氯化锂在固态下导电能力很差，但在氯化锂 水溶液中，Li＋和Cl－以游离离子的形式存在，导 电能力很强。氯化锂中的 Li ＋ 对水蒸气有很强的 吸附能力。当传感器置于湿度场中时，若环境相 对湿度高，氯化锂将吸收水分，使游离的 Li ＋ 和 Cl － 的数量增加，电阻率降低。反之，电阻率上 升。从而实现对湿度的测量。
13.2.1 湿度传感器的分类
微波式湿度传感器的结构及特性如图所示。
13.2.1 湿度传感器的分类
石英振子式湿度传感器的结构及特性如图所示。
13.2.1 湿度传感器的分类
湿敏二极管及其感湿特性曲线如图所示。
13.2.1 湿度传感器的分类
湿敏MOS晶体管如图所示。
13.2
湿度传感器的分类与特性参数
13.1.2
标定湿度传感器的饱和盐水溶液法
在选择饱和盐水溶液时，应使其对应的相对 湿度有合适的间隔。在配制饱和盐水溶液时一定 要用纯净水(如蒸馏水或去离子水)以及较纯净的 盐，并保持水溶液与其上方的气温一致。各种饱 和盐水溶液对应的相对湿度值一般采用美国国家 标准局1976年提供的数据。
13.1.2
湿度传感器
概 述 湿度传感器的分类与特性参数 氯化锂湿度传感器 半导体陶瓷湿敏电阻 多孔硅湿敏元件 高分子湿度传感器 测量电路 湿敏传感器的应用
13.2
湿度传感器的分类与特性参数
13.2.1 湿度传感器的分类 13.2.2 湿度传感器的特性参数
13.2.1 湿度传感器的分类
湿度传感器可分为水分子亲合力型和非水分 子亲合力型两类。水分子有较大的偶极矩故易于 吸附在固体表面并渗透到固体内部。水分子的这 种吸附和渗透特性称为水分子的亲合力。利用水 分子这一特性制作的湿度传感器称为水分子亲合 力型传感器。反之，与水分子亲合力无关的称为 非水分子亲合力型传感器。
13.2.2
湿度传感器的特性参数
3.感湿灵敏度 在某一相对湿度范围内，相对湿度改变1 % RH 时，湿度传感器感湿特征量的变化值或变化 的百分率称为感湿灵敏度，简称灵敏度，又称为 湿度系数。由于湿度传感器的感湿特性曲线一般 是非线性的，这样表示灵敏度存在困难。
13.2.2
湿度传感器的特性参数
目前，关于湿度传感器灵敏度的表示方法尚 未得到统一，较为普遍采用的方法是，用不同相 对湿度下感湿特征量之比来表示灵敏度。 例如，日本生产的 MgCr2O4-TiO2 湿度传感 器的灵敏度用R1 %与R20 %，R40 %，R60 %，R80 %及 R100 %的比值表示。
13.3 氯化锂湿度传感器
氯化锂湿度传感器的优点是滞后小, 不受测 试环境风速影响，检测精度可达±5 %，但其耐 热性差，不能用于露点下测量，元件性能的重 复性不理想，使用寿命短。
13.3 氯化锂湿度传感器
13.3.1 氯化锂湿敏电阻的工作原理与结构 13.3.2 氯化锂湿敏电阻的感湿特性
13.3.1
13.2.2
湿度传感器的特性参数
4.温度系数 温度系数是反映湿度传感器感湿特征量—相 对湿度特性曲线随环境温度而变化的特性参数。 显然越小越好。温度系数分为特征量温度系数和 感湿温度系数。
13.2.2
湿度传感器的特性参数
在环境湿度保持恒定的情况下，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。如感湿特征量是电阻，则 电阻温度系数为：
湿度传感器的分类与特性参数
√ 13.2.1 湿度传感器的分类 √ 13.2.2 湿度传感器的特性参数
第13章
√ √ 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6 13.7 13.8
湿度传感器
概 述 湿度传感器的分类与特性参数 氯化锂湿度传感器 半导体陶瓷湿敏电阻 多孔硅湿敏元件 高分子湿度传感器 测量电路 湿敏传感器的应用
土壤水分湿度传感器
第13章
湿度传感器
第13章
13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6 13.7 13.8
湿度传感器
概 述 湿度传感器的分类与特性参数 氯化锂湿度传感器 半导体陶瓷湿敏电阻 多孔硅湿敏元件 高分子湿度传感器 测量电路 湿敏传感器的应用
13.1 概
述
人们对湿度测量与控制之重要性的认识，与 温度相比要晚得多。17世纪才制成了毛发湿度计， 18世纪制成了干湿球湿度计。