湿度传感器教案
教学部门教学部门*****主讲人主讲人 授课学时授课学时 ********** 学习专题学习专题传感器应用10 课时 班班级级 教学地点教学地点教室***** 教学资源教学资源教案 教学设备教学设备桌椅、黑板、讲台、PPT 1．了解绝对湿度与相对湿度的概念； 2．了解结露现象和露点； 3．掌握湿敏电阻的结构、原理、特点及分类； 4．熟悉湿敏电阻传感器的基本参数； 教学内容教学内容 5．能根据实际应用场合正确选用湿敏电阻； 6．掌握湿敏电容的结构、原理、特点及分类； 7．熟悉湿敏电容传感器的基本参数； 8．能根据实际应用场合正确选用湿敏电阻。 教学重点教学重点 电阻式湿敏电阻的工作原理 电容式湿敏电阻的工作原理 教学难点教学难点电桥测湿电路 教学方法教学方法讲授 通过提问和作业的形式来衡量学生是否理解，通过学生是否理 评价方法评价方法 解来衡量同学的掌握情况 教学内容教学内容 第三章第三章 湿度传感器湿度传感器 3.1 湿度的概念 3.1.13.1.1 相关知识相关知识 1 1．湿度的概念．湿度的概念 湿度：指大气中所含的水蒸气量。最常用的两种表示方法：绝对湿度和相对湿 度。 2 2．绝对湿度．绝对湿度 大气的水汽含量通常用大气中的水汽密度来表示，即每立方米大气中所含水汽 的克数,其表达式为 m VH d V 式中——待测大气中的水汽质量（ɡ） ； V——待测气体的总体积（ m 3 ） 。 3 3．饱和状态．饱和状态 饱和状态：在某一压力、温度下，大气中的水汽含量的最大值。 直接测量大气中的水汽含量是非常困难的，而且许多与大气湿度相关的现象， 如有机物的发霉、人的干湿感觉等都与大气的绝对湿度没有很大关系。 4 4．相对湿度（．相对湿度（RHRH）） 空气的绝对湿度与同温度和气压下的饱和状态空气绝对湿度的比值的百分数。 这是一个无量纲量，常用百分数表示，其表达式为 P V100 % P W 式中——某温度下待测气体的水汽分压； ——与待测气体温度相同时水的饱和水汽压 相对湿度可以准确说明空气干、湿程度。 例：在 20℃、一个大气压下，1m3 的大气中饱和状态时存在 17ɡ的水汽，则绝 对湿度 17ɡ/m3，相对湿度为100%RH；相同条件下，如果绝对湿度为8.5ɡ/m3，则相 对湿度为 50%RH，此时，若温度降至 10℃以下时，相对湿度又可能接近100%RH。 5 5．质量百分比和体积百分比．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 ×100％ V/v 3.1.23.1.2 结露现象和露点结露现象和露点 在一定的大气压下，降低温度可以使原先未饱和的水汽变成饱和水汽，从气态 变成液态而凝结成露珠，这种现象称为结露，此时的温度称为露点。 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，因而可用露点表示空气中的湿度。 危害：危害：结露会严重影响电子仪器的正常工作，甚至还会造成漏电、击穿和短路现象， 必须提高重视。 3.2 湿敏电阻传感器 3.2.13.2.1 湿敏电阻的结构和原理湿敏电阻的结构和原理 以绝缘材料为基片，通过蒸发、涂覆等工艺将金属、半导体、高分子薄膜或粉 末状颗粒制成薄膜作为吸湿性物质，当空气中的水蒸气吸附在感湿层上后，两电极 间的电阻值发生变化，这样直接将相对湿度的变化变换成电阻值的变化。 3.2.2 应变 片结构与类型 湿敏电阻结构示意图 封装后的外形 3.2.23.2.2 湿敏电阻的特点湿敏电阻的特点 （1）湿敏电阻灵敏度高，对温度的依存性小。 （2）工作范围宽，测量精度较高。 （3）湿滞回差小，重现性好。 （4）湿敏元件的线性度及抗污染性较差。 3.2.33.2.3 湿敏电阻的基本参数湿敏电阻的基本参数 1 1））湿度量程：湿度量程：湿度测量的全量程为0％～100％RH，但对一种具体的传感器一般是无 法覆盖全量程的， 如木材干燥可测湿度量程为0%-40%， 空调可测湿度量程为30%-70%。 其中，d11：纵向压电常数；Fx：作用力。 2）湿度灵敏度：湿度灵敏度：湿度传感器的灵敏度即其感湿特性曲线的斜率。 3 3）湿滞特性：）湿滞特性：一个湿度传感器在吸湿和脱湿两种情况下的感湿特性曲线不相重复， 一般可形成为一回线。 4 4）响应时间：）响应时间：表示当环境湿度发生变化时，传感器完成吸湿或脱湿以及动态平衡过 程所需时间的特性参数。。 3.2.33.2.3 湿敏电阻的分类湿敏电阻的分类1 1）电解质式湿敏电阻 ）电解质式湿敏电阻 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。 电解质氯化锂湿度传感器最为典型 优点：滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度达±5%； 缺点：耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能的重复性不理想，使用寿 命短。 将它放在被测气体中，当气体的湿度增大时，则氯化锂吸水量增加，导电性增 强，电阻降低，反之，电阻增加。 2 2）陶瓷式湿敏电阻）陶瓷式湿敏电阻 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。 陶瓷湿敏元件结构图 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。 MgCr2O4－TiO2 系陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特性， 随着相对湿度的增加， 电 阻值急骤下降，基本按指数规律下降。在单对数的坐标中，电阻—湿度特性近似呈 线性关系。当相对湿度由0 变为 100％RH 时，阻值从107Ω 下降到 104Ω ，即变化了 三个数量级。 3
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