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        濕度傳感器的應用、原理、分類、及性能參數

        發布時間:2019-10-22??????發布人:澤天公司??????點擊:

        一、濕度傳感器的應用

        濕度與人類的生活密切相關,任何行業的都離不開空氣,而空氣的濕度又與工作、生活、生產有直接聯系,使濕度的監測與控制越來越顯得重要。應用領域不同,對濕度傳感器的技術要求也不同。從制造角度看,同是濕度傳感器,但是原理、材料、結構,工藝各不相同.其性能和技術指標有很大差異,因而價格也相差甚遠。濕度傳感器的應用主要有以下幾個方面:

        1)氣候監測天氣測量和預報對工農業生產、軍事及人民生活和科學實驗等方面都有重要意義,因而濕度傳感器是必不可少的測濕設備。

        2)溫室養殖現代農林畜牧各產業都有相當數量的溫室,溫室的濕度控制與溫度控制同樣重要,把濕度控制在農作物、樹木、畜禽等生長適宜的范圍,是減少病蟲害、提高產量的條件之一。

        3)工業生產 在紡織、電子、精密機器、陶瓷工業等部門,空氣濕度直接影響產品的質量和產量,必須有效地進行監測調控。

        4)物品儲藏 各種物品對環境均有一定的適應性。濕度過高過低均會使物品喪失原有性能。如在高濕度地區,電子產品在倉庫的損害嚴重,非金屬零件會發霉變質,金屬零件會腐蝕生銹。

        5)精密儀器的使用保護 許多精密儀器、設備對工作環境要求較高,環境濕度必須控制在一定范圍內,以保證它們的正常工作,提高工作效率及可靠性。如電話程控交換機工作濕度在55 %-10 %較好。溫度過高會影響絕緣性能,過低又易產生靜電,影響正常工作。

        二、濕度傳感器的原理

        濕度包括氣體的濕度和固體的濕度。氣體的濕度是指大氣中水蒸氣的含量,度量方法有絕對濕度,即每立方米氣體在標況下(0℃,1大氣壓)所含有的水蒸氣的重量,即水蒸氣密度;相對濕度,即一定體積氣體中實際含有的水蒸氣分壓與相同溫度下該氣體所能包含的最大水蒸氣分壓之比;或含濕量,即每㎏干空氣中所含水蒸氣的質量。其中相對濕度是最常用的。固體的濕度是物質中所含水分的百分數,即物質中所含水分的質量與其總質量之比。

        利用水分子有較大的偶極矩,因而易于吸附在固體表面并滲透到固體內部的特性制成的澤天濕度傳感器稱為水分子親和力型濕度傳感器,其測量原理在于感濕材料吸濕或脫濕過程改變其自身的性能從而構成不同類型的澤天濕度傳感器;把與水分子親和力無關的濕度傳感器稱為非水分子親和力型傳感器,其主要的測量原理有:利用潮濕空氣和干燥空氣的熱傳導之差來測定濕度;利用微波在含水蒸汽的空氣中傳播,水蒸汽吸收微波使其產生一定的能量損耗,傳輸損耗的能量與環境空氣中的濕度有關以此來測定濕度;利用水蒸汽能吸收特定波長的紅外線來測定空氣中的濕度。

        氯化鋰是一種在大氣中不分解、不揮發,也不變質而具有穩定的離子型無機鹽類。其吸濕量與空氣相對濕度成一定函數關系,隨著空氣相對濕度的增減變化,氯化鋰吸濕量也隨之變化。當氯化鋰溶液吸收水汽后,使導電的離子數增加,因此導致電阻的降低;反之,則使電阻增加。這種將空氣相對濕度轉換為其電阻值的測量方法稱為吸濕法濕度測量。氯化鋰電阻濕度計的傳感器就是根據這一原理工作的。

        三、濕度傳感器的分類

        濕度傳感器從測量的濕度范圍可以分為高濕型(大于70%RH)、低濕型(小于40%RH)、全濕型(0~100%RH);根據敏感方案是否基于水分子的極性吸附特性,可以把濕度傳感器分為水分子親和力型和非水分子親和力型。根據濕敏材料的不同可以對水分子親和力型濕度傳感器進一步分類;根據測量原理的不同可以對非水分子親和力型濕度傳感器進一步分類。

        1、水分子親和力型濕度傳感器

        根據使用材料的不同,水分子親和力型濕度傳感器分為以下四類

        1)電解質型:以氯化鋰為例,它在絕緣基板上制作一對電極,涂上氯化鋰鹽膠膜。氯化鋰極易潮解,并產生離子導電,隨濕度升高而電阻減小。

        2)陶瓷型:一般以金屬氧化物為原料,通過陶瓷工藝,制成一種多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值對空氣中水蒸氣的敏感特性而制成。

        3)高分子型:在絕緣基板上通過涂覆或者旋轉涂膜儀附上一層有機高分子感濕膜制備成濕敏元件。其基本特點是材料來源廣泛、制作工藝簡單、無需加熱清洗、適于批量生產,應用范圍廣,實用性強。另外,其性能優異,可用于較寬濕度范圍的測量,濕滯回差小、響應速度快、溫度系數小、使用壽命長。在高分子型濕度傳感器的研究領域,聚合物電解質由于其特殊的一些優點比如:容易加工、價格低廉、響應快而且靈敏度高而被研究者在過去的幾年中廣泛關注。然而其不足之處是由于其在水中的可溶性而使其在應用時在高濕度下會影響其濕敏性質。

        4)單晶半導體型:所用材料主要是硅單晶,利用半導體工藝制成。制成二極管濕敏器件和MOSFET濕度敏感器件等。其特點是易于和半導體電路集成在一起。

        2、非水分子親和力型濕度傳感器

        利用潮濕空氣和干燥空氣的熱傳導之差來測定濕度,可以制成熱敏電阻式濕度傳感器;利用微波或超聲波在含水蒸汽的空氣中傳播時,傳輸損耗的能量與環境空氣中的濕度的相關性來測定濕度,可以制成微波或超聲波濕度傳感器;利用水蒸汽能吸收特定波長的紅外線來測定空氣中的濕度,可以制成紅外吸收式濕度傳感器。

        從濕度的敏感材料的不同可分為:半導體氧化物、高分子材料、多孔的有機或無機材料等。濕敏元件是最簡單的濕度傳感器,主要有電阻式和電容式兩大類:

        1)電阻式濕敏傳感器

        濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜,當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時,元件的電阻率和電阻值都發生變化,利用這一特性即可測量濕度。濕敏電阻的優點是靈敏度高,缺點則是線性度和產品的互換性差。濕敏電阻的種類很多,例如金屬氧化物濕敏電阻、硅濕敏電阻、陶瓷濕敏電阻等。其濕敏材料以多孔陶瓷種類最多。

        2)電容式濕敏傳感器

        濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的,常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酞亞胺、酪酸醋酸纖維等。當環境濕度發生改變時,濕敏電容的介電常數發生變化,使其電容量也發生變化,其電容變化量與相對濕度成正比。濕敏電容的主要優點是靈敏度高、產品互換性好、響應速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實現小型化和集成化,其精度一般比濕敏電阻要低一些。

        除電阻式、電容式濕敏傳感器之外,還有電解質離子型濕敏傳感器、重量型濕敏傳感器(利用感濕膜重量的變化來改變振蕩頻率)、石英振子式濕敏傳感器、光強型濕敏傳感器、聲表面波濕敏傳感器等。

        無論哪種形式的濕敏傳感器,其產品的基本形式都是在基片上涂覆感濕材料形成感濕膜??諝庵械乃魵馕接诟袧癫牧虾?,引起元件的質量、阻抗、介電常數等參數發生變化,從而制成濕敏元件。因此,傳統的濕敏傳感器還存在著以下一些問題:

        1)長期穩定性差。在檢測環境濕度時,濕敏元件要長期暴露在待測環境中,很容易被污染而影響其測量精度及長期穩定性。

        2)傳感器的互換性差,對氣體的選擇性也較差。

        3)校準和標定的時間長而復雜。因為此類傳感器的輸出信號通常是非線性的,這使得定標有一定困難。

        四、濕度傳感器的性能參數

        濕度傳感器的特性參數主要有:濕度量程、靈敏度、溫度系數、響應時間、濕滯回差、感濕特征量-相對濕度特性曲線等。

        1)濕度量程:它是指濕度傳感器能夠較精確測量的環境濕度的最大范圍。由于各種濕度傳感器所使用的材料及依據的工作原理不同,其特性并不都能適用于0~100%RH的整個相對濕度范圍。

        2)感濕特征量-相對濕度特性曲線:濕度傳感器的輸出變量稱為其感濕特征量,如電阻、電容等。濕度傳感器的感濕特征量隨環境濕度的變化曲線,稱為傳感器的感濕特征量-環境濕度特性曲線,簡稱為感濕特性曲線。性能良好的濕度敏感器件的感濕特性曲線,應有寬的線性范圍和適中的靈敏度。

        3)靈敏度:濕度傳感器的靈敏度即其感濕特性曲線的斜率。大多數濕度敏感器件的感濕特性曲線是非線性的,因此尚無統一的表示方法。較普遍采用的方法是用器件在不同環境濕度下的感濕特征量之比來表示。

        4)濕度溫度系數:它定義為在器件感濕特征量恒定的條件下,該感濕特征量值所表示的環境相對濕度隨環境溫度的變化率因此,環境溫度將造成測濕誤差。例如,濕度為0.3%RH/℃時,環境的溫度變化20℃,將引起6%RH的測濕誤差。

        5)響應時間:它表示當環境濕度發生變化時,傳感器完成吸濕或脫濕以及動態平衡過程所需時間的特性參數。響應時間用時間常數來定義,即感濕特征量由起始值變化到終止值的0.632倍所需的時間??梢?,響應時間是與環境相對濕度的起止值密切相關。

        6)濕滯回線和濕滯回差:一個濕度傳感器在吸濕和脫濕兩種情況下的感濕特性曲線不相重復,一般可形成為一回線,這種特性稱為濕滯特性;其曲線稱為濕滯回線。

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