教學部門*****主講人學習專題傳感器應用授課學時10課時教學地點教室班級*****教學資源教案教學設備桌椅、黑板、講臺、PPT教學內容.了解絕對濕度與相對濕度的概念；.了解結露現象和露點；.掌握濕敏電阻的結構、原理、特點及分類；.熟悉濕敏電阻傳感器的基本參數；.能根據實際應用場合正確選用濕敏電阻；.掌握濕敏電容的結構、原理、特點及分類；.熟悉濕敏電容傳感器的基本參數；.能根據實際應用場合正確選用濕敏電阻。教學重點電阻式濕敏電阻的工作原理電容式濕敏電阻的工作原理教學難點電橋測濕電路教學方法講授評價方法通過提問和作業的形式來衡量學生是否理解，通過學生是否理解來衡量同學的掌握情況教學內容第三章濕度傳感器3.1濕度的概念3.1.1相關知識.濕度的概念濕度：指大氣中所含的水蒸氣量。最常用的兩種表示方法：絕對濕度和相對濕度。.絕對濕度大氣的水汽含量通常用大氣中的水汽密度來表示，即每立方米大氣中所含水汽的克數，其表達式為中 一一待測大氣中的水汽質量（9）;V——待測氣體的總體積（ ）。.飽和狀態飽和狀態：在某一壓力、溫度下，大氣中的水汽含量的最大值。直接測量大氣中的水汽含量是非常困難的，而且許多與大氣濕度相關的現象，如有機物的發霉、人的干濕感覺等都與大氣的絕對濕度沒有很大關系。.相對濕度（RH）空氣的絕對濕度與同溫度和氣壓下的飽和狀態空氣絕對濕度的比值的百分數。這是一個無量綱量，常用百分數表示，其表達式為P…?①=/X100%W式中 一一某溫度下待測氣體的水汽分壓；——與待測氣體溫度相同時水的飽和水汽壓相對濕度可以準確說明空氣干、濕程度。例：在20℃、一個大氣壓下，1m3的大氣中飽和狀態時存在179的水汽，則絕

對濕度17g/m3,相對濕度為100%RH；相同條件下，如果絕對濕度為8.5g/m3,則相對濕度為50%RH,此時，若溫度降至10℃以下時，相對濕度又可能接近100%RH。.質量百分比和體積百分比質量為M的混合氣體中，若含水蒸氣的質量為m,則質量百分比為m/MX100%在體積為V的混合氣體中，若含水蒸氣的體積為v,則體積百分比為V/vX100%3.1.2結露現象和露點在一定的大氣壓下，降低溫度可以使原先未飽和的水汽變成飽和水汽，從氣態變成液態而凝結成露珠，這種現象稱為結露，此時的溫度稱為露點。水的飽和蒸氣壓隨溫度的降低而逐漸下降。在同樣的空氣水蒸氣壓下，溫度越低，則空氣的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和蒸氣壓差值越小。當空氣溫度下降到某一溫度時，空氣中的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和水蒸氣壓相等。此時，空氣中的水蒸氣將向液相轉化而凝結成露珠，相對濕度為100%RH。該溫度，稱為空氣的露點溫度，簡稱露點。如果這一溫度低于0c時，水蒸氣將結霜，又稱為霜點溫度。兩者統稱為露點。空氣中水蒸氣壓越小，露點越低，因而可用露點表示空氣中的濕度。

危害：結露會嚴重影響電子儀器的正常工作，甚至還會造成漏電、擊穿和短路現象，必須提高重視。3.2濕敏電阻傳感器濕敏電阻的結構和原理以絕緣材料為基片，通過蒸發、涂覆等工藝將金屬、半導體、高分子薄膜或粉末狀顆粒制成薄膜作為吸濕性物質，當空氣中的水蒸氣吸附在感濕層上后，兩電極間的電阻值發生變化，這樣直接將相對濕度的變化變換成電阻值的變化。3.2.2應變片結構與類型濕敏電阻結構示意圖封裝后的外形濕敏電阻的特點（1）濕敏電阻靈敏度高，對溫度的依存性小。（2）工作范圍寬，測量精度較高。（3）濕滯回差小，重現性好。（4）濕敏元件的線性度及抗污染性較差。濕敏電阻的基本參數1）濕度量程：濕度測量的全量程為0%?100%RH,但對一種具體的傳感器一般是無法覆蓋全量程的，如木材干燥可測濕度量程為0%-40%,空調可測濕度量程為30%-70%。其中，d11:縱向壓電常數；//作用力。2）濕度靈敏度：濕度傳感器的靈敏度即其感濕特性曲線的斜率。3）濕滯特性：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。4）響應時間：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。濕敏電阻的分類1）電解質式濕敏電阻

電解質是以離子形式導電的物質，分為固體電解質和液體電解質。若物質溶于水中，在極性水分子作用下，能全部或部分地離解為自由移動的正、負離子，稱為液體電解質。電解質溶液的電導率與溶液的濃度有關，而溶液的濃度，在一定的溫度下又是環境相對濕度的函數。電解質氯化鋰濕度傳感器最為典型72/10sO72/10sO0.25%LQ0.5%LQL0%LQ2.2%LQ0306090相對濕度/%氯化鋰濕度傳感器的阻一濕特性氯化鋰濕度傳感器的結構A涂有聚苯乙烯薄膜的圓筒B耙絲優點：滯后小，不受測試環境風速影響，檢測精度達±5%；缺點：耐熱性差，不能用于露點以下測量，器件性能的重復性不理想，使用壽

命短。命短。人電阻（Q）6.5.5-5-4.5-4-50 60 7080 904050 60 7080 90將它放在被測氣體中，當氣體的濕度增大時，則氯化鋰吸水量增加，導電性增強，電阻降低，反之，電阻增加。2）陶瓷式濕敏電阻利用半導體陶瓷材料制成的陶瓷濕度傳感器。具有許多優點：測濕范圍寬，可實現全濕范圍內的濕度測量;工作溫度高，常溫濕度傳感器的工作溫度在150℃以下，而高溫濕度傳感器的工作溫度可達800℃，響應時間較短，精度高，抗污染能力強，工藝簡單，成本低廉。典型產品是燒結型陶瓷濕敏元件是MgCr2O4-TiO2系。此外，還有TiO2-V2O5系、ZnO-Li2O-V2O5系、ZnCr2O4系、ZrO2-MgO系、Fe3O4系、Ta2O5系等。這類濕度傳感器的感濕特征量大多數為電阻。除Fe3O4外，都為負特性濕度傳感器，即隨著環境相對濕度的增加，阻值下降。也有少數陶瓷濕度傳感器，它的感濕特性量為電容。

陶瓷濕敏元件結構圖該濕度傳感器的感濕體是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。這種多孔陶瓷的氣孔大部分為粒間氣孔,氣孔直徑隨TiO2添加量的增加而增大。粒間氣孔與顆粒大小無關，相當于一種開口毛細管,容易吸附水分。材料的主晶相是MgCr2O4相，此外，還有TiO2相等,感濕體是一個多晶多相的混合物。MgCr2O4-TiO2系陶瓷濕度傳感器的電阻一濕度特性，隨著相對濕度的增加，電阻值急驟下降，基本按指數規律下降。在單對數的坐標中，電阻一濕度特性近似呈線性關系。當相對濕度由0變為100%RH時，阻值從107Q下降到104Q，即變化了三個數量級。3）高分子濕敏電阻用有機高分子材料制成的濕度傳感器，主要是利用其吸濕性與脹縮性。某些高分子電介質吸濕后，介電常數明顯改變，制成了電容式濕度傳感器；某些高分子電解質吸濕后，電阻明顯變化，制成了電阻式濕度傳感器；利用脹縮性高分子（如樹脂）材料和導電粒子，在吸濕之后的開關特性，制成了結露傳感器。高分子薄膜電介質電容式濕度傳感器的基本結構3.2.4濕敏電阻的使用注意事項1）供電電壓要符合要求濕敏傳感器應使用交流電源供電，也采用方波代替正弦波。2）低濕度時阻抗處理低濕度時，須選用場效應管輸入型運算放大器，同時在傳感器信號輸入端周圍制作電路保護環或者用聚四氟乙烯支架來固定輸入端。3）溫度補償陶瓷式濕敏電阻的溫度每升高1℃，電阻下降引起的誤差約為1%RH。實際應用中，通常使用負溫度系數的熱敏電阻作為溫度補償元件。4）傳感器引線安裝在空氣流動的環境中，使其響應速度較快。5）燒結型濕敏電阻的加熱處理當加熱到400c以上時，可使污物揮發或燒掉，陶瓷恢復到初始狀態，所以必須定期給加熱絲通電。3.2.5濕敏電阻傳感器的應用舉例

電橋測濕電路振蕩器對電路提供交流電源。電橋的一臂為濕度電阻傳感器，由于濕度變化使濕度傳感器的阻值發生變化，于是電橋失去平衡，產生信號輸出，放大器把不平衡信號加以放大，整流器將交流信號變成直流信號，由直流毫安表顯示。振蕩器和放大器都由9V直流電源供給。電橋法適合于氯化鋰濕度傳感器。陶瓷式濕敏電阻可以承受較大電流，因此歐姆定律電路選擇陶瓷式濕敏電阻傳感器。由于測濕電路可以獲得較強信號，故可以省去電橋和放大器，可以用市電作為電源，只要用降壓變壓器即可。3.3濕敏電容傳感器濕敏電容的結構、原理及特點由物理學可知，由平行板組成的平行板電容器，如果忽略邊緣效應，其電容量為C_8A_808A0dr式中A——兩極板相互對應的面積（成）；d——兩極板的距離（m）；——兩極板間介質的介電常數；——真空的介電常數，=8.85X10-12F/m；——兩極板間介質的相對介電常數。由上式可知，在A、d、 三個參量中，改變其中任意一個量，均可使電容量C改變。因此，當相對濕度增大時，濕敏電容中的吸濕性介質吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊電極之間的介質相對介質常數大為增加，電容量增大。優點：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。缺點：精度一般比濕敏電阻低一些，不宜用于含有機溶媒氣體的環境中。以Humirel公司生產的HS1100型濕敏電阻為例，其測量范圍為（1?99）%RH,在55%RH時的電容量為180pF（典型值）。當相對濕度從0變化到100%時，電容量的變化范圍為163?202pF。溫度系數為0.04pF/℃,濕度滯后量為±1.5%,響應時間為5s。濕敏電容的分類及應用場合根據吸濕性介質的不同，成品濕敏電容分為兩種：一種是多孔性氧化鋁濕敏電容，另一種是高分子稀釋膜濕敏電容。1）多孔性氧化鋁濕敏電容由于多孔性氧化鋁可以吸附及釋放水分子，所以其電容量將隨空氣相對濕度變大而變大，與此同時，其漏電電阻隨濕度的增大而降低，形成介質損耗很大的電容器。2I 6多孔性MOS濕敏電容結構示意圖1-鋁電極2-單晶硅基底3-絕緣膜4-多孔Au電極5-稀釋層6-引線優點：具有良好的低濕度感濕特性、獨特的形成機制和感濕機理，在工業中應用比較廣泛；缺點：在塵埃環境下，細孔容易被封堵導致元件失效，一般采用通電除塵的方法處理，但效果不夠理想，且在易燃易爆環境下不能使用，且感濕材料具有表面結構天然老化的缺點，阻抗不穩定。2）高分子吸濕膜濕敏電容高分子吸濕膜濕敏電容傳感