第六章濕度傳感器

6.1概述濕度傳感器6.2電阻式濕度傳感器6.3電容式濕度傳感器6.4其它類型濕度傳感器6.5濕度傳感器的應用實例6.1.1濕度表示法6.1.2濕度傳感器的分類一、絕對濕度和相對濕度

空氣的絕對濕度（ρv）----單位體積內空氣里所含水蒸氣的質量。如待測空氣是由水蒸氣和干燥空氣組成的理想混合氣體，得出：ρv=eM/RTe為一定溫度下空氣中水蒸氣的分壓，M為水蒸氣的摩爾質量，R為理想氣體常數飽和蒸氣壓（eS）---指一定溫度下混合氣體中所含水蒸氣壓的最大值溫度越高，飽和水蒸氣壓越大。相對濕度（RelativeHumidity）----指某一溫度下水蒸氣壓同飽和蒸氣壓的百分比，為:RH=e/eS×100%一般用%RH表示二、露（霜）點

其相對濕度為100%RH，----如這一特定溫度低于0℃，水蒸氣將會結霜，可稱為霜點溫度，統稱為露點。空氣中水蒸氣壓越小，露點越低，可用露點表示空氣濕度的大小。露點與相對濕度有對應關系如圖:溫度-相對濕度-露點的對應關系-----隨環境溫度降低，水的es逐漸下降，其e與同溫度下的es差值就越小。當下降到某一溫度時，e=es相等，空氣中的水蒸氣將向液相轉化而凝結為露珠，這一特定的溫度被稱為空氣的露點溫度。6.1.1濕度表示法6.1.2濕度傳感器的分類一、電阻式濕度傳感器

---利用電導率與濕度的關系制成。材料種類：1.多孔陶瓷材料的種類最多，有：TiO2-SnO2系、TiO2-V2O5系、BaTiO3-SrTiO3系、TiO2系、MgCrxO4-TiO2系、SrTiO3系、La2O3-TiO2-V2O5系、ZrO2-Y2O3系等。2.高分子電阻型的主要材料:高分子固體電解質材料，如高氯酸鋰-聚氯化乙烯、Nafion膜、雙二甲胺基甲基乙烯基硅烷和溴甲烷的季銨化物共聚物、四乙基硅烷的等離子共聚膜等等。優點:具有感濕靈敏度高、線性度好、響應時間短、工藝簡單、成本低等。二、電容式濕度傳感器

----利用電極間介質吸附水蒸氣時電容量發生變化制成按照極間介質分為：有機高分子和陶瓷材料兩大類。1.有機高分子電容式：醋酸纖維素及衍生物為介質，目前醋酸丁酸纖維素、聚酰亞胺、硅樹脂為介質。2.陶瓷電容式：用玻璃和陶瓷如BaTiO3-BaSnO2P型半導體多孔陶瓷材料作介質，通過控制陶瓷組分的分散性、孔徑、粒度等，改善了組件的敏感特性。三、其它類型濕度傳感器

新型濕度傳感器有：1.透光量隨濕度而改變的光纖濕度傳感器、2.在H2O-N2氣氛下穩定化ZrO2限界電流型濕度傳感器3.濃差電池式、4.二極管型、5.石英振子式、6.SAW式、7.微波式、8.熱導式等。6.1概述濕度傳感器6.2電阻式濕度傳感器6.3電容式濕度傳感器6.4其它類型濕度傳感器6.5濕度傳感器的應用實例6.2.1陶瓷電阻式濕度傳感器

6.2.2熱敏電阻絕對濕度傳感器

6.2.3高分子電阻式濕度傳感器

一、TiO2—SnO2系復合氧化物半導體陶瓷濕度傳感器

多為厚膜組件

制備方法:TiO2可采用Ti的熱氟化法或TiCl4還原性制作，由于非化學量而存在氧缺陷（表示TiO2-x）。將TiO2、SnO2按一定摩爾比配料，摻入適量的Ta2O5或Sb2O5、V2O5等，經研磨細化、加水懸浮、過濾使氧化物顆粒逐漸沉淀到絕緣陶瓷襯底上，烘干后加熱至950～1200℃在缺氧氣氛中燒結。制作的TiO2濕敏材料為金紅石結構的n型半導體多孔陶瓷，隨著Ta2O5、Sb2O5的增加電阻下降，調整TiO2、SnO2的配比和雜質的量來控制濕阻特性。組件中毒后可加熱清洗來恢復。

特點：具有氣敏性能，可制成多功能傳感器。具有靈敏度高、響應快、穩定性好、工藝過程容易實現等。二、TiO2系陶瓷濕敏元件

水分子吸附在n型TiO2表面會引起表面空間電荷區內空穴濃度增加，電阻率下降，隨濕度增加而顯著下降。TiO2濕敏元件的濕滯特性如圖，顯然，濕滯現象可忽略不計，響應速度快。TiO2濕敏組件的濕滯曲線及濕敏特性工藝：用典型陶瓷工藝在1000～1350℃燒結后自然冷卻，用RuO2或Ag制作電極。其中V2O5添加劑使材料半導化，V5+取代Ti4+改變微孔參數和形狀使電導增大。

濕度特性：測試的濕度環境用過飽和鹽溶液在11%～98%RH間進行。如圖。為避免直流極化的影響，采用交流法測量，電壓為8V，頻率為150Hz。優點：具有成本低、濕度量程寬、靈敏度高、響應時間短、耐熱性能好等，TiO2—V2O5組件的阻-濕曲線三、TiO2—V2O5濕敏元件四、BaTiO3—SrTiO3系多功能陶瓷材料濕度—溫度傳感器

多功能傳感器----能檢測兩種或以上物理或化學參量且互不干擾的。原理：利用BaTiO3—SrTiO3多孔陶瓷的ρ隨周圍濕度變化、ε隨環境T變化來制備濕度—溫度傳感器，測量速度快、靈敏度高。五、MgCr2O4—TiO2系濕敏元件

MgCr2O4陶瓷特點：抗腐蝕性好、多孔質結構，響應快、濕滯小，且能通過加熱清洗附著的油污或在低溫下不可逆的水化物反應，是一種較優良的濕敏材料。工藝：MgCr2O4、TiO2按適當的配比經陶瓷工藝1250～1300℃燒結成半導體陶瓷，涂敷金漿后將鎳引線用摻金的玻璃粉粘住，850℃下燒結成敏感芯，配上加熱器即可。使用時，加熱清洗半分鐘至1分鐘（350-450℃下）。國產SM-1型和日本的松下Ⅱ型MgCr2O4—TiO2濕度傳感器的感濕特性為線性的如圖。相對濕度從1%RH～100%RH的范圍內，電阻為104～108Ω。感濕特性：而MgCr2O4—TiO2半導體陶瓷的電阻率隨T的升高而指數下降，即：

ρ=ρ0eB/T

ρ0為起始電阻率，B是與材料有關的常數。

實驗表明，MgCr2O4和TiO2的摩爾百分比為50%時，αT最小。六、SrTiO3電子型濕度傳感器

---用鈣鈦礦型氧化物（ABO3）研制的。用A位堿土金屬鍶離子較強的親水性的濕敏材料如SrTiO3，高溫（300℃）下有一定的濕敏性能；對SrTiO3非替代的鈣鈦礦型氧化物，雖對濕度有敏感性，但其電阻率太大，沒有多少實際使用價值。七、陶瓷濕度傳感器的應用

由于濕敏電阻隨溫度T變化，具有負溫度系數，關系為：RT0為T0時電阻值，B為常數為消除溫度影響，與同溫度系數的RT串聯，取出分壓。因直流供電利于提高精度便于數字化，但存在靜電容影響，使傳感器特性不佳；應考慮交流或脈沖電源供電。為使檢測濕度的靈敏度最大應使RT=RH，其電壓經跟隨器、整流、濾波再與比較器1的參考U1比較以控制某一濕度。與比較器2的參考U2比較控制加熱電路，以便按一定時間加熱清洗。若要全濕度檢測，應使RT和RH的連接位置互換，且R>>RT，此時信號電壓U經過對數放大器后輸出與濕度成線性關系。測量控制電路圖6.2.1陶瓷電阻式濕度傳感器

6.2.2熱敏電阻絕對濕度傳感器

6.2.3高分子電阻式濕度傳感器

相對濕度（RH）受溫度影響較大，一個有限空間內因空氣的熱傳導率低溫度分布不均，室內濕度會產生較大的誤差；絕對濕度（ρv）隨溫度變化不大，不受水蒸氣分布的影響，測量比較準確。----由兩個熱敏電阻構成，各自加熱到約170～200℃，其中一個封入干燥空氣成為補償組件R2，另一個開放型作為感濕組件RH，構成電橋(如圖)：原理：由于水蒸氣的熱傳導率比空氣的大，空氣的熱傳導率隨濕度變化,使感濕元件阻抗變化。橋路隨阻抗變化輸出與絕對濕度基本成正比。芝浦電子所CNS—1型絕對濕度輸出特性圖熱敏電阻絕對濕度傳感器圖中：RH為開放型熱敏電阻（感濕組件），R2為密封型熱敏電阻（補償組件），R3和R4為溫度系數很小的電阻。AD522是單芯片集成精密測量放大器。管腳1.3接輸出，4、6接10kΩ電位器調零點，其滑動端接負電源。2和14端連調整放大倍數；13端為數據屏蔽網以減少外電場對輸入信號的干擾，參考端11接地。實用絕對濕度計原理圖放大倍數G：當共模抑制比CMRR>>1時，則有：

響應時間約12至13秒。使用時需等加熱穩定使測量結果準確。HS—5型由兩個熱敏電阻對構成，可與電橋組裝在一塊印刷電路板上。CHS-2傳感部直接由輸出電壓讀取絕對濕度。輸入電壓VIN=V1-V2

6.2.1陶瓷電阻式濕度傳感器

6.2.2熱敏電阻絕對濕度傳感器

6.2.3高分子電阻式濕度傳感器

一、高分子結構效應型濕度傳感器1.感濕電阻膜：由含有強極性基的高分子電解質及其鹽類如―NH4+Cl-―、―SO3-H+、―NH2等高分子材料制成。2.工作原理：利用高分子電解質在不同濕度下電離產生不同數量的導電離子使阻值變化，測定環境中的濕度。低濕吸附下，由于沒有荷電離子產生，電阻值很高。相對濕度增加時，凝聚化的吸附水成為導電通道，高分子電解質的成對離子起載流子作用，吸附水自身離解的質子（H+）、水和氫離子（H3O+）也起載流子作用，使電阻急劇下降。

3．元件結構與應用元件結構圖：感濕膜---由PVA（聚乙烯醇）和PSS（聚苯乙烯磺酸銨）組成。基片---厚0.6mm氧化鉛，電極---Au做成叉指型。利用導電性高分子對水蒸汽的物理吸附引起電導率變化；感濕膜濕度特性曲線圖：存在溫度影響，故需溫度補償。

優點：測量濕度范圍大，工作溫度在0～50℃，響應時間短（<30s）。為防直流電壓時產生極化，用50～60Hz交流電源供電，溫度補償的熱敏電阻與濕敏電阻匹配，組件外用發泡體聚丙烯包封構成過濾器以防止灰塵、水和油等直接與感濕膜接觸。濕度檢測控制系統方塊圖二、高分子脹縮型結露傳感器

1.結露傳感器的結構

氧化鋁基板上制作梳狀電極，覆蓋一層具有脹縮物粘合劑的聚合物感濕性高分子為主體、摻入導電性微粉的感濕膜，它吸濕后產生體積變化。通過改變感濕功能聚合物與三維化學材料的比率，調整靈敏度、耐濕性、穩定性及阻值。2、原理：感濕膜的電阻與濕度m變化規律為：RH為感濕膜的體電阻，C為導電微粉濃度，a為由樹脂、導電微粉決定的系數

在低濕時，感濕膜吸附水分較少，親水性樹脂處于收縮狀態，導電微粉濃度相對較高，微粉間距較小，阻值較低。

濕度增加，膜吸收水分增多，微粉間距增大，阻值相應增加。

高濕區出現結露現象時，親水性樹脂吸濕量大大增加，感濕膜急劇膨脹，微粉濃度迅速下降，微粉構成的導電鏈越過“臨界狀態”,微粉間連接極弱，阻值急劇增大，在結露點附近產生了電阻的開關型變化。3.HDP型結露傳感器的特性

濕度-阻值特性曲線：結露時阻值可驟增2～3個數量級，開關特性優異。響應時間—溫度關系：由于體積小，感濕膜很薄，響應速度很快，常濕下僅為1～2s。使用電壓為5.5VDC，遠高于其它品種（0.8V），可在其它高分子濕敏組件難以突破的高濕領域使用，且長期穩定。4.結露傳感器的應用測量電路：把結露組件安裝到需檢測的附近，當出現結露時機器自動進入強制停機狀態。如磁帶錄像機因結露而附著水珠，磁帶和移動機構間的摩擦力發生變化，使磁帶的走速不穩定，磁鼓和磁頭的磁粉會受到損壞。可用于檢測和防止攝像機和VCD結露、轎車風擋和陳列窗玻璃結霧、復印機和建筑材料結露、高壓配電柜結露等等。濕度傳感器6.3電容式濕度傳感器6.3.1多孔Al2O3—陶瓷電容式濕度傳感器

6.3.2高分子電容式濕度傳感器

6.3.3集成電容式濕度傳感器

一、多孔濕敏電容模型基于單元氣孔的平行板電容器效應，結合理想結構模型、吸附模型，建立不同濕度下的濕敏電容模型。在建模時，忽略氣孔底與下面金屬間的電容、水吸附產生兩相界面電容，及毛細管凝聚的修正。該模型只能定性分析一些濕敏現象。1.無濕度條件下的濕敏電容濕度為0時，濕敏電容模型理想結構示意圖：(a)低濕度單層吸附示意圖(b)高濕度多層吸附示意圖r0為孔的半徑；d為薄膜的厚度；dˊ為水的有效厚度，C1為固態Al2O3介質電容，C0為無濕度時細孔的電容值。S2ˊ為有效物理吸附極板面積，a為水的單分子吸附層厚度約為3.0埃器件的電容為：

C=C1+C0

表示為：ε1為Al2O3介質的介電常數約為8.6；ε0為空氣介質電常數約為1。M為孔的個數；2.低濕度條件下的濕敏電容

在低濕度范圍內，隨濕度的增加開始笫一物理吸附層，濕度達40%時笫一物理吸附層接近完成，形成一層連續的水膜。在低濕度水蒸汽吸附屬單分子吸附。Langmuir單分子吸附方程知，表面覆蓋度θ≡N/N∞與水蒸汽的相對蒸氣壓pv的關系為：b為溫度T的函數常數

在壓力甚低時，分母中的bpv相對于1可忽略，θ與pv成正比；

壓力增到一定值時（多孔Al2O3膜的相對濕度為40%時），1相對于bpv可忽略，θ達到飽和值。

低濕度下器件的電容為：設孔底和孔壁的第一物理吸附層同時完成覆蓋，單孔濕敏電容模型低濕度單層吸附

S2ˊ為有效物理吸附極板面積，S3ˊ為無水區極板面積，S4ˊ為單分子吸附層對應極板面積，ε′為水的相對介電常數約為80；a為水的單分子吸附層厚度約為3.0埃。因ε0<<ε′，α<<r0（幾百埃）<<d（幾個μm），簡化為：∴在低濕度的條件下，電容是與相對濕度（ρ相=pv/pw×100%RH）成正比變化3.高濕度條件下的濕敏電容在高濕度內，會形成多層物理吸附層。Vm為飽和吸附分子的體積，H為T的函數常數n為最大的吸附層數，x為相對濕度高濕下濕敏電容模型（單孔）器件的電容為：dx為水分子吸附層的厚度∴高濕范圍內，電容與吸附分子體積V成正比，與相對濕度x之間關系是非線性的。二、電容濕敏感濕特性

當Al2O3氣孔中有一定水汽吸附時，其電特性既不是一個純等效電阻，也不是一個純等效電容，濕度變化膜電阻和膜電容都將改變。圖，對于電容—相對濕度特性的模型分析與實際測量曲線有著非常好的吻合。濕度增加電容值增加。多孔Al2O3濕敏組件的電容-濕度曲線低濕度范圍有好的線性，高濕范圍線性變差，濕度進一步提高曲線漸變平緩。隨著孔的個數M的增加，電容值是增大的。一、工作原理

電極間高分子感濕材料吸附水分子時ε變化，其電容量其中εr為0%RH時高分子介電常數,a、b為常數，Wu為U%RH時高分子單位質量所吸附水分子質量，εH2O為高分子中吸附水的介電常數。ε0為真空介電常數；εu為相對濕度U%RH時高分子的介電常數；S為電極的有效電極面積；d為高分子感濕膜厚。6.3.2高分子電容式濕度傳感器C與環境中水蒸汽相對壓（P/P0）正比另外，交聯劑可封閉多余的吸水基，形成微孔結構，控制微孔尺寸以阻止吸附水分子之間的相互作用。二、感濕電容及其特性

高分子感濕材料設計應符合：1.靈敏度隨相對濕度變化呈線性，濕滯要小，溫度系數小，輸出不受其它氣體影響。2.吸附量小且為物理吸附時，吸附水分子的量與平衡相對壓(P/P0)呈線性關系。3.含有較弱極性基醚鍵（—O—）、羰基（—CO—）、巰基（—SO2—）等疏水性高分子材料，如醋酸丁酸纖維素（CAB）以及聚酰亞胺（PI）等是親水性較弱的聚合物。∵較大偶極矩的極性基與水分子有較強作用形成氫鍵結合，為化學吸附。很難脫附，產生濕滯----防止或減弱水分子的凝聚是減小濕滯的關鍵之一（被吸附的水分子間相互作用產生凝聚（Cluster））

∴可用疏水基分隔極性基防止吸附水分子凝聚，有代表性的疏水基有烷基、苯基等碳氫、碳氟化物。左圖為MSR—1型高分子電容式濕度傳感器結構，右圖為感濕特性曲線。Vaisala濕度傳感器特性高分子濕度傳感器溫度系數α是非線性的，在10～30℃內接近于常數(0.05～0.5%RH/℃)，-5～+20℃內有5%的漂移，-40～-5℃漂移達35%。因某些溫區介電常數ε隨溫度呈上升趨勢，某些溫區ε則下降∵溫度上升，高分子聚合物的平均熱線膨脹，介質膜厚d增加，對C呈負貢獻；但膨脹又使介質對水的吸附量增加，又呈正值貢獻。可見濕敏電容的溫度特性受多種因素支配:不同的濕度溫漂不同，不同的溫區呈不同的溫度系數，不同的感濕材料溫度特性不同。總之，α并非常數。∴高分子介質在吸濕后，多相介質復合ε有加和性，提高了吸水異質層的ε，使濕敏電容的C與相對濕度成正比。三、Humirel相對濕度電容傳感器

第一層為多孔海綿狀電容電極，抗機械及抗侵蝕，并作為環境過濾器能使水汽充分通過而阻止塵埃及化學物質通過。第二層為電容器的多分子聚合物夾層電介質，對水汽有良好的敏感性。第三層為超薄聚合物層，與襯底形成良好接觸。第四層是用高密度材料的金屬襯底電極。

測量環境濕度時，水汽通過多孔海綿狀電極到電介質層被吸收使介電常數改變，導致電容器輸出值升高，測量即可得濕度與電容的關系。多層聚合物結構結構圖：

MHS1100

相對濕度傳感器：有完全互換性、較高的可靠性、長期穩定性、可瞬間恢復。采用固態多聚物使其適用于包括浸在水中的自動裝配過程。如圖，線性關系。濕度傳感器的線性輸出應用電路：運放IC1

、運放IC2、T1都是放大

功能：片內可完成信號的調整、精度高、線性好。

結構圖：兩個熱化聚合體層間形成的平板電容器C可隨濕度變化熱化聚合體層有防御污垢、灰塵、油及其它有害物質的功能。

其引腳圖：IH3605結構示意圖IH3605引腳圖正視圖6.3.3集成電容式濕度傳感器IH3605一、IH3605的電壓輸出特性IH的輸出電壓較高且線性較好，無需放大及信號調整溫度影響原理：實際相對濕度值的兩步計算

1.計算出25℃的相對濕度值RH0

Uout為IH3605的電壓輸出值，UDC為IH3605的供電電壓值

2.

計算出當前溫度下實際相對濕度值RH。

t為當前的溫度值，單位為℃電源電壓升高，輸出電壓將成比例升高

核心器件:AT89C2051單片機，TLC1549十位串行A/D轉換器，R1、R2、R6設定A/D轉換器的最大輸入電壓，R3、R4、R7設置A/D的最小輸入電壓，溫度探頭D2全數字式測溫集成電路DS1820，由P10讀入溫度值單片機將濕度值進行溫度校正，得實際的相對濕度值。

輸出直接接到A/D上完成模數轉換。由于IH3605的輸出信號范圍為0.8～3.9V（25℃），應選擇有設定最小值和最大值功能的A/D轉換器。二、典型應用6.1概述濕度傳感器6.2電阻式濕度傳感器6.3電容式濕度傳感器6.4其它類型濕度傳感器6.5濕度傳感器的應用實例6.4.1半導體結型和MOS型濕度傳感器

6.4.2新型射頻傳感器

6.4.3光纖濕敏傳感器

6.4.4新型界限電流式高溫濕度傳感器

一、濕敏二極管

Sn02濕敏二極管結構:N型硅單晶材料:尺寸2×2mm2、厚200μm、電阻率為5Ω·cmSiO2層:10nm。良好的導電性SnO2:再通入攜帶著二甲基二氯化錫蒸汽的惰性氣體，與通入的氧氣發生熱解和氧化反應為：(CH3)2SnCl2十O2→SnO2+2CH3Cl還可摻入少量的提高導電性，類同于半導體中的N型摻雜。金屬鋁電極:硅片的背面和SnO2層，為使SnO2表面充分裸露空氣中與水蒸汽直接接觸，SnO2上的電極不宜過大。原理：當SnO2濕敏二極管加恒定反偏電壓，使二極管處在雪崩區附近，其反向電流與環境濕度直接相關，隨著相對濕度的增加，反向電流減小。由于濕敏二極管處于濕度環境時，二極管的結區邊緣處吸附有水分子，使耗盡層展寬且主要向硅襯底方面擴展，有利于二極管雪崩電壓的提高。如果保持反向偏置電壓和負載電阻不變，那么隨著相對濕度的增加，致使二極管雪崩擊穿電壓提高，反向電流的減小。響應時間僅為15s，且低濕到高濕范圍內都有比較高的靈敏度。SnO2濕敏二極管感濕特性曲線二、濕敏MOS場效應管

MOS場效應管濕敏器件：在MOS場效應管的柵極上涂覆一層感濕薄膜,增設一電極濕敏器件和熱敏器件都集成在同一襯底上，如圖。在下電極和上電極（厚度10～20μm的多孔金電極）之間沉淀1nm厚的醋酸纖維素作為濕度敏感膜。聚合物濕敏材料具有機械強度高、耐高溫等特點，感濕材料和幾何形狀直接影響器件的靈敏度和響應時間。

左圖：施加一個直流電壓U0和一個交流電壓于上柵電極，上柵極和下柵極用一個足夠大的電阻RB連接起來。其輸出電壓Uout與膜的電容CS關系：濕敏器件的等效電路圖RL為與漏極相連接的負載電阻；gm為FET的跨導；Ci為絕緣層的電容；Cs為取決于環境的相對濕度和其它適當的常數如圖，輸出電壓Uout幾乎同相對濕度呈線性關系。具有良好的精度（濕滯小于3%RH），響應時間小于30s。高濕（90～95%RH）或結露下也長期穩定性。Uout=U0RLgm/(1+Ci/Cs)由于在有色冶煉中重油中的水份對爐內的燃燒和冶金反應過程有很大影響。要對其含水量進行測量。電導法微波法射頻法電容法色譜法蒸餾法水量測量新型6.4.2新型射頻傳感器

一、射頻傳感器原理

多種碳氫化合物混合的純重油屬于非極性介質，其ε約為2.3；而純水是極性分子，ε約為80，所以含水量將顯著地影響重油的ε。含水重油可看作純油和純水兩種介質的混合，有效介電常數εr介于二者之間（若忽略重油中所含雜質），表示：ε1為純水的介電常數，ε2為純油的介電常數，D為介質水的體積百分比當射頻信號傳到以油水混合物介質的電容式射頻傳感器時，其負載阻抗隨著混合介質中不同的油水比而變化，混合介質的射頻阻抗Z為：ω為射頻信號角頻率(f＝10MHz)；C為電容量；K為常數，由電容器的結構、尺寸決定。可見，傳感器的射頻阻抗Z與油中含水量D關系-----射頻式傳感器基本原理。二、傳感器探頭設計射頻阻抗測量電路：測量純水和純油介質的輸出電壓（U）隨射頻信號頻率（f）變化。油和水的阻抗特性隨f的改變而變化曲線：在10MHz頻率點上，油和水的射頻阻抗特性差別最大，∴把傳感器的信號源頻率設計成10MHz。原理：若R0為射頻信號源輸出阻抗，Cx為測量電容器等效電容。當電容介質改變Cx變化，所呈現的阻抗也會改變。為減少射頻信號對其它電路的干擾，將射頻信號源與傳感器為一體。R0應滿足：R0Cxm＜TT為射頻信號源的周期；Cxm為傳感器測量電容器等效電容為最大時的電容量。重油含水率測量系統框圖：測量時，將傳感器探頭插入樣品中，檢測水分電壓值UW和溫度電壓值UT，兩路電壓信號經濾波電路和高精度儀用放大器放大后，送入PCL—711數據采集板進行A/D轉換，再對數據進行處理、溫度補償、顯示和打印。測量系統框圖終端的中間為發射極，探頭外導體上沿軸向均勻分布四根接收電極；射頻電源和轉換電路集成在探頭內;加上屏蔽銅套以減少外界電磁干擾；裝有一個熱敏電阻器測量介質溫度以便進行補償。電容器敏感探頭可將重油的含水率轉換為探頭的電容量相應的電信號，由此測出重油的含水率。射頻傳感器探頭結構圖：優點：可在易燃、易爆、有毒、強化學腐蝕的惡劣環境下進行遠距離測量。一種新型濕敏材料：用溶膠-凝膠法制備的TiO2/V2O5薄膜具有濕敏光學特性。6.4.3光纖濕敏傳感器濕敏—光譜特性曲線圖：濕度越大，透過率越高。對不同的波長，透過率隨著相對濕度的升高而升高。TiO2/V2O5光學薄膜有較好的濕敏效應:

1.當空氣中水分子含量很少時，n型半導體TiO2吸附將表現為金屬離子與水中OH-的吸引，使原來氧俘獲的電子局部釋放載流子濃度增加。環境濕度增加水分子的吸附量增加，表面層處集積更多的電子，n型半導體近表面層處的電阻隨環境濕度的增加而下降。2.對n型半導體，吸收系數α與電導率和折射率n成反比。濕度增加使n型TiO2的電導率增加，則α隨濕度的增加而減小。且對酒精氣體和溫度都很靈敏，有良好的耐磨性，可能發展成為光纖傳感器的多功能薄膜，有較大的實用價值和發展潛力。6.4.4新型界限電流式高溫濕度傳感器

傳統的濕度傳感器難對高溫下濕度測定，新型高溫濕度敏感組件:當給ZrO2固體電解質界限電流氧傳感器施加1.4V以上電壓時，在高溫氣氛下水分子的分解會導致與氧有關的界限電流的改變。一、界限電流式濕度傳感器的結構與工作原理

隨相對濕度變化的電流-電壓特性圖：結構:同界限電流式ZrO2氧敏元件的結構，原理：陰極一側所形成的極小孔洞對流入氣體的限制作用，在氧濃度一定時輸出電流不再隨外加電壓的增加而增大，達界限電流值。置于含水蒸汽的環境中提高的工作電壓，能測量到很顯著的第二界限電流值。按照氣體擴散孔限制Ficks法則，假定氧的擴散系數與水蒸汽的擴散系數相等下，第一界限電流I1值與第二界限電流I2值分別與氧分壓和含有水蒸汽的氧分壓成比例

：I1=[-4FDSP/(RTL)]Ln(1-Po2/P)I2=[-4FDSP/(RTL)][1+PH2O/(2Po2)]Po2=0.21(P-PH2O)F為法拉第常數；D為混合氣體分子的擴散系數；S為氣體擴散孔的面積；P為混合氣體總壓強；Po2是氧分壓強；PH2O是水蒸汽分壓強；R是氣體常數；T是絕對溫度；L是氣體擴散孔的長度；0.21為空氣中氧氣含量。其在陰極與陽極的反應：陰極側：

O2+4e-→2O2-H2O+2e-→H2+O-陽極側：O2-+2e-→H2+O2-

二、界限電流式濕度傳感器的特性

干燥空氣和含水蒸汽空氣中特性曲線圖：

干燥空氣中IL呈現一定的數值，而含水蒸汽的空氣中則出現二段臺階，在區域A，由于水蒸汽存在，使環境氣氛中的氧分壓（濃度）減少，輸出下降；在區域B段，含有水蒸汽的空氣中的IL比在干燥空氣中的IL大。∵環境中的水蒸汽在陰極上發生了前述的電解反應，產生了新的氧離子的緣故。∴通過測量二段IL的差值ΔI，可檢測出相應的濕度值。

優點：在室溫至100℃以上的溫、濕度環境下工作，最高工作溫度為400℃，具有優良的選擇性和較長的使用壽命。

左圖在環境溫度為80℃，大氣中的相對濕度變化時，傳感器的電流與電壓特性。隨相對濕度的變化，A、B兩段的臨界電流值變化增大。右圖水蒸汽分壓PH2O與⊿I的關系，一定范圍幾乎線性關系，測量精度可達滿量程的±1%左右。6.1概述濕度傳感器6.2電阻式濕度傳感器6.3電容式濕度傳感器6.4其它類型濕度傳感器6.5濕度傳感器的應用實例6.5.1濕度傳感器在電路中的接口

6.5.2濕度/電壓轉換電路

6.5.3實用電路

不同環境的濕度測量應選用不同的傳感器。如當溫度在-40℃～70℃時可用高分子濕度傳感器和陶瓷濕度傳感器；在70～100℃和超過100℃時用陶瓷濕度傳感器。為使傳感器準確穩定地工作，需附加自動加熱清洗裝置。下面介紹幾種典型的應用實例。一、連接方式

1.對數變換電路傳感器RS呈指數函數關系，可用二極管的電壓-電流特性進行對數變換。圖為實際變換電路。運放TLC272的輸出端接1kΩ的電阻用于防振。

適用于幅度變化范圍較大的傳感器，例如高分子濕度傳感器，二極管的溫度特性與濕度傳感器的濕度特性相互補償情況。2.電阻非線性校正方式對電阻變化幅度較小的傳感器，可將傳感器與電阻串聯連接（常用熱敏電阻兼作溫度補償）來進行非線性校正，如圖。濕度傳感器電阻Rs輸出電壓Vout變化可用電阻RA、RB和RC使其線性化。用電阻來改善線性3.其它方式用相位檢波方式減少噪聲，擴大動態工作范圍，把濕度電阻值變化轉換為電壓。另外，將濕度傳感器作為振蕩電路中的一個組件，根據有無振蕩與頻率變化可求得相應的濕度。二、信號源與信號處理

1.信號源圖為雙T型振蕩電路，改變電路中R2或C1與C2，就可改變振蕩頻率，R3用于改變振幅。2.交直流變換電路采用交直流變換電路可把濕度變化轉換為相應的直流電壓變化，適用于中等濕度范圍。在較低濕度時其變化率較小，在高濕度時會出現飽和狀態，顯然不是直線關系。3.折線近似電路要采取放大倍數隨輸入值變化的放大電路，使其輸出與輸入關系為線性關系,如圖。A1、A2、A3、A4都是LM324。1、簡單的開關電容網絡電路。濕度/電壓轉換原理電路圖為一反相器，電阻R1、R2、R3用開關電容替代，等效電阻與時鐘頻率f和C乘積的倒數成比例，即為1/fC。如果f1=f2=f3=f，C1=C3，則輸出電壓U0為：若用濕敏電容替代C2檢測濕度，則U0為C2的單值增加函數。適當設定U1值，當濕度為0%RH時可使U0=0。6.5.2濕度/電壓轉換電路

2、濕度/電壓轉換實用電路輸出端可獲得與相對濕度一對應的直流電壓。調整如下：反復調整RP2使5%RH時輸出電壓為0.05V，調整RP1使90%RH時輸出電壓為0.9V。這樣，對于濕度為0%～100%RH時輸出電壓為0～1V。用VD獲得2.5V的基準電壓，用電阻分壓獲得相當于上圖的電壓U1，用A獲得負電壓-U2。當7A與11A，12A與13A腳短接時C2進行充電，而8A與11A，12A與14A腳短接時C2中充電電荷轉移到C3中，可獲得相當于-U0的電壓。7B、8B、11B腳與12B、13B、14B腳以及2B、5B、6B腳的各部分相當于上圖中的R1～R3。相當于上圖中的C1是C5，C3是C7，C2是濕敏電容，f1～f3都為150kHz。C8為隔直電容，R3為放電電阻，C6為積分電容。一、直讀式濕度計

RH為氯化鋰濕度傳感器，濕度增加阻值減小。由VT1、VT2、T1等組成電橋電源（振蕩頻率為250～1000Hz）。電橋的輸出經變壓器T2、C3耦合到VT3，經VT3放大后，通過VDl∽VD4橋式整流，給微安表指示出由于相對濕度的變化引起電流的改變，把濕度刻劃在微安表盤上成為直讀式濕度計。6.5.3實用電路

二、濕度檢測器

圖由555時基電路、濕度傳感器CH等組成多諧振蕩器，輸出端接有C2將輸出的方波信號變為三角波。當相對濕度變化時CH的電容量改變，輸出的頻率及三角波的幅度都發生相應的變化。輸出的信號經VDl、VD2整流和C4濾波后，可從電壓表上直接讀出相對濕度相應的值。RP電位器用于儀器的調零。三、高濕度顯示器

在環境相對濕度過高時作出顯示。用MSOI—A型濕敏電阻，在20％～90％RH時阻值在幾十千到幾百歐內改變。變壓器供給9V交流電壓，當環境濕度增大時RH減小，R1電壓會升高，電壓經D1整流后加到由T1、T2施密特電路中使T1導通、T2止，T3通，發光D4發光顯示。可應用于蔬菜大棚、糧棉