气体分析与湿度检测技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第10章 气体分析与湿度检测技术,第10章 气体分析与湿度检测技术,10.1,气体检测及其成分分析,10.2,湿度检测技术,思考与练习,10.1,气体检测及其成分分析,10.1.1 可检测气体的种类与性质,1.,可检测气体的种类,目前，,已开发的气体传感器能够检测气体的种类和主要检测场所见表,10-1,。,表,10-1,气敏传感器能够检测气体的种类及主要检测场所,2.可燃性气体的爆炸极限及允许浓度,为了便于气体传感器的应用，,表,10-2,列出了部分可燃性气体的爆炸极限及允许浓度等综合参数。,可燃性气体是指在空气中达到一定浓度、,触及火种可引起燃烧的气体。,当可燃性气体达到爆炸浓度时，,触及火种会引起爆炸。,可引起爆炸的浓度范围的最小值称为爆炸下限；,最大值称为爆炸上限。,表,10-2,部分可燃性气体的爆炸极限及允许浓度等综合参数表,10.1.2,气敏传感器,1.表面电阻控制型气体传感器,1）,表面控制型气体传感器的结构,表面控制型气体传感器有三种结构类型：烧结型、薄膜型及厚膜型。其中，烧结型最为成熟，薄膜型及厚膜型特性一致性较差。这里仅介绍烧结型。,烧结型,SnO,2,气体传感器是用粒度在,1,m,以下的,SnO,2,粉末，,加入少量,Pd,或,Pt,等触媒剂及添加剂，,经研磨后使其均匀混合，然后将已均匀混合的膏状物滴入模具内，,再埋入加热丝及电极，,经,600,800,数小时烧结后，可得多孔状的气敏元件芯体，,将其引线焊接在管座上，,并罩上不锈钢网制成。,按加热方式分为直热式和间热式两种,其结构与符号如图,10-1,所示。,图10-1 烧结型气体传感器的结构与符号,（,a,）,直热式；,（,b,）,间热式,2）烧结型气体传感器的工作特性,（1）气敏特性：遇,H,2,、CO、,碳氢化合物等(还原性即可燃性)气体，材料表面层电阻率减小；遇,O,2,等氧化性气体时，材料表面层电阻率增大。在检测前，材料表面已经吸着氧，所以对可燃性气体更敏感。最佳工作温度一般多在200500范围内。为使传感器能在这样高的温度范围内稳定工作，具有高温稳定性的半导体材料只有金属氧化物，常见的是,SnO,2,和,ZnO,。,直热式的加热丝兼作电极。,其结构简单、,成本低、,功耗小；,但热容量小，,易受环境气流影响；,因加热丝热胀冷缩，,易使之与材料接触不良；,在测量电路中，,信号电路和加热电路相互干扰。,国产直热式气敏传感器有,QN,型和,MQ,型，其外形如图,10-2,所示。,图10-2 部分国产半导体气敏元件的外形图,（,a,）,HQ,系列；,（,b,）,QN,系列；,（,c,）,MQ,系列,（,2,）,温湿度特性：,SnO,2,传感器的阻值随温度、,湿度上升而有规律地减小。,因此除尽量保持恒温、,恒湿外，,其有效措施是选用温湿度特性好的气敏元件及在电路中进行温湿度补偿。,（3）初期恢复特性及初期稳定特性：经短期存放再通电时，传感器电阻值有短暂的急剧变化（减小），这一特性称为初期恢复特性，它与元件种类、存放时间及存放环境有关。存放时间愈长，初期恢复时间亦愈长，存放715天后的初期恢复时间一般约在25,min,之内。,当长期存放后再通电时，在一段时间内传感器阻值一般高出正常值20%左右，而以后慢慢恢复至正常稳定值，这一特性称作初期稳定特性。初期稳定时间与传感器种类及工作温度有关，直热式较长，傍热式较短。,为缩短初期恢复时间和初期稳定时间，在开始使用时，要进行一段时间的高温处理，同时在构成控制电路时应加延时电路。,若将气体敏感膜、加热器和温度测量探头集成在一块硅片上，,则构成集成气敏传感器。,3）主要检测对象,烧结型气体传感器主要用来检测甲烷、丙烷、一氧化碳、,氢气、,酒精、,硫化氢等。,2.体电阻控制型气敏传感器,1）,Fe,2,O,3,系列,Fe,2,O,3,系列现有,-Fe,2,O,3,和,-Fe,2,O,3,主要用来检测液化石油气、煤气和天然气。,-Fe,2,O,3,对水蒸汽和乙醇不灵敏，特别适合做家庭可燃气报警器。,2）氧气传感器,Nb,2,O,5,对氧气比较敏感。用,Nb,2,O,5,制成的氧传感器可用于检测汽车发动机和锅炉等所排废气中的氧气分压强,P,O,2,以控制其最佳燃烧状态。,氧化物半导体传感器电导率,与氧气分压强的关系曲线如图10-3所示。当氧气分压强很低时，氧化物中氧原子逸出参与氧化还原反应形成氧空位，构成施主能极，具有,N,型导电性，氧气分压强越小，导电性越强。反之，氧气分压强很高时，氧化物中氧原子过剩形成受主能极，具有,P,型导电性，氧气分压强越大导电性越强。氧气分压强处在中间值范围，氧气传感器属离子导电（实际上工作在,N,型导电的情况下），其电阻值只与氧气分压强成正比关系，,n,为取决于材料性质的常数，约为1/61/4。,图,10-3,-,P,O,2,关系曲线,氧气传感器已用于各种水质中氧溶解量的检测和汽车引擎等各种燃烧过剩物中空燃比的控制。,如图,10-4,所示为空气过剩率,与氧气传感器阻值,R,的关系曲线，,为实际空燃比与理论最佳空燃比的比值。,在,=1,附近，,氧气分压强值急剧变化，,使,Nb,2,O,5,等半导体阻值突变。,通过适当电路检测和调整，可使之保持在,=1,的最佳工作状态。,图,10-4,-,R,关系曲线,3.表面电流变化型气敏传感器,1）,MOS,场效应气敏传感器,利用晶体管特性受外界气体的影响，制成了各种气敏器件。,Pd-MOSFET,是把,N,沟道增强型,MOSFET,的铝栅换成极簿（约为,10,nm,）,的钯栅而构成的氢敏传感器。,当把钯栅暴露在含有氢气的环境中时，由于,Pd,的催化作用，,H,2,与,Pd,栅外表面分解成原子态氢,Ha,。,Ha,通过,Pd,栅扩散到绝缘层,SiO,2,界面上，形成极化氢原子,Hai,偶极层，,产生偶极层压降，,使,FET,的伏,-,安特性左移,U,T,，,如图,10-5,所示。,取栅极电压,U,G,与漏极电压,U,DS,相等，则饱和漏源电流,I,DS,=,（,U,G,-,U,T,）,2,。,当钯栅吸附一定浓度的,H,2,气体时，,U,T,产生,U,T,的变化，若保持,I,DS,为零或恒定值，须调,U,G,值使之改变-,U,T,。,记录,U,T,值即得氢气浓度。据,U,T,-,H,2,浓度的线性特性可估计其灵敏度约为10,mV/1,ppm,。,3DOH,是一种新颖氢敏传感器集成电路，,如图,10-6,所示。,3,DOH,由三部分组成：,Pd-MOSFET,、,测温二极管和加热电阻。,温度升高,1,，,二极管的正向压降降低,2,mV,，,因此它反映了,Pd-MOSFET,的实际工作温度。,增大加热电阻的电流可提高,Pd-MOSFET,的工作温度，,从而提高灵敏度。,但温度过高会缩短使用寿命，,温度过低，,灵敏度也较低，根据经验，加热电阻的电流一般控制在,100,mA,左右为宜。,图,10-5,Pd-MOSFET,的,I,D,-,U,DS,曲线,图10-6 3,DOH,氢敏传感器,（,a,）,外部管脚排列；（,b,）,内部结构示意图,2二极管气敏传感器,图,10-7,为,Pd-TiO,2,二极管的结构和整流特性，可见在正向偏置时，,电流随空气中氢含量的增大而增加。可通过测量一定偏置电压下的电流或一定电流下的偏置电压来测量氢气的浓度。,图10-7,Pd-TiO,2,氢敏二极管的结构与整流特性,（,a,）,结构示意图；,（,b,）,伏安特性与氢气浓度关系,4.固体电解质气敏传感器,具有离子导电性而无电子导电性的固体材料称为固体电解质。用适当的固体电解质作隔膜，,Pt,多孔薄膜作电极，制成电化学电池，即构成对气体有选择性的气敏传感器。,如图10-8（,a）,所示，用掺杂有,CaO,、Y,2,O,3,等的,ZrO,2,作固体电解质两侧为多孔质,Pt,电极，即成为固体电解质气体传感器。当传感器接触氧时，氧透过,Pt,电极吸附于,ZrO,2,经电子交换成为负离子。当两侧氧分压不同时，两电极间便形成与两侧氧分压强的对数成正比的电动势。该电化学电池称为氧浓淡电池。,图,10-8,（,b,）,为用于测量汽车引擎空燃比的,ZrO,2,-Y,2,O,3,氧浓淡电池结构。,图10-8 氧浓淡电池的原理及典型结构,（,a,）,工作原理图；,（,b,）,汽车用氧浓淡电池结构,10.1.3 气体检测电路,1.,高灵敏度氢气(煤气泄漏)报警器电路,应用3,DOH,氢敏传感器制作的高灵敏度的氢气报警器电路如图10-9所示。由于家用管道煤气中的氢气含量大约为40%，所以本电路也可以用来作为家用管道煤气的泄漏报警器。,图10-9中，场效应管,V,1,(3DJ6D),接成恒流源形式，作为3,DOH,氢敏传感器内部钯栅,MOS,场效应管的漏极负载，使流过3,DOH,漏极,D,的电流恒定不变，约为几百微安。,V,2,(3DJ6D),也接成恒流源形式，为3,DOH,内部测温二极管提供几百微安的恒定电流。,图10-9 高灵敏度氢气报警器电路,内部测温二极管的取样电压,(,N,端电压,),通过运算放大器,A,1,放大,10,倍，,再通过运算放大器,A,2,构成的跟随器输出给加热电阻,R,H,提供加热电压,(,约为,5,V),。,当,3,DOH,工作温度降低时，,N,端电压升高，,从而使流过加热电阻的电流增加，迫使,3,DOH,的工作温度升高。,反之，迫使,3,DOH,的工作温度降低，使,3,DOH,工作在某一恒定温度下。运算放大器,A,3,构成反相比较器，,参考电压,U,R,大约为传感器内部钯栅场效应管在未吸收氢气时的静态漏源电压,(,D,端电压,),减去,200,mV,左右。在传感器,3,DOH,未吸收到氢气时，,A,3,输出低电平。,当,3,DOH,吸收到一定浓度的氢气后，,漏极,(,D,端,),的输出电压下降，,当变化量大于,200,mV,时，,A,3,输出高电平，控制声或光报警。,2.一氧化碳检测报警器电路,一氧化碳检测报警器的电路如图10-10所示。图中检测一氧化碳的传感器采用,UL-281,型，它对一氧化碳有很高的灵敏度，对其他气体则不敏感，对环境温度及湿度的变（39化具有良好的稳定性。,UL-281,型一氧化碳传感器对一氧化碳浓度的测量范围为(0300)10,-6,，电路相应的输出电压变化范围为03.0,V。,该报警器电路可以输出测量及报警控制信号，并且具有开机自动热清洗及传感器加热器损坏指示电路，平时可按一下按钮开关,K,进行自动热清洗。电路可连续工作48,h,不用热清洗，工作电压为直流12,V，,功耗为1.5,W，,热清洗时功耗为2.5,W。,图,10-10,一氧化碳检测报警器电路,3.可燃性气体泄漏报警器电路,可燃性气体泄漏报警器的电路如图,10-11,所示。图中所用气敏器件为,TGS813,，,它对一般可燃性气体,(,如氢气、一氧化碳、,丙烷、,乙醇等,),均具有较高的灵敏度，,能用来检测煤气、,液化石油气、,天然气等的泄漏，,也可用来检测如冬季取暖时煤炭燃烧不完全而产生的过量一氧化碳等，以防意外事故的发生。,图,10-11,可燃性气体泄漏报警器电路,4.火灾烟雾报警器电路,图,10-12,为火灾烟雾报警器的电路图。,109,为烧结型,SnO,2,气敏器件，,它对烟雾也很敏感，,因此用它做成的火灾烟雾报警器可用于在火灾酿成之前或之初进行报警。,电路有双重报警装置，,当烟雾或可燃性气体达到预定报警浓度时，气敏器件的电阻减小到使,V,3,触发导通，,蜂鸣器鸣响报警；,另外，,在火灾发生初期，,因环境温度异常升高，,将使热传感器动作，,使蜂鸣器鸣响报警。,图,10-12,火灾烟雾报警器电路,5.便携式缺氧监控器电路,图,10-13,为便携式缺氧监控器电路。图中用来检测氧气浓度的传感器为原电池式氧气传感器,(,也称为伽伐尼电池式氧传感器,),，其结构如图,10-14,所示。原电池式氧气传感器的负极采用金、铂等贵金属制成，,正极采用铅等普通易氧化金属制成，隔膜采用氧气穿透性良好的聚乙烯或氟烯脂制成厚度为,10,20,m,的薄膜，电解液为酸性电解液。,其工作原理是：氧气穿过隔膜时起化学反应从而形成电流，电流的大小与氧气的浓度成比例，,通过对电流的检测可以知道氧气的浓度。,这种传感器在,0,100%,氧气浓度范围内有线性输出，,在检测空气中的氧气浓度时可输出电压约,50,mV,。,调节电位器,RP,4,可设定氧气浓度小于,18%,时比较器,IC2,输出高电压，通过,VD,2,和,R,6,驱动晶体管,V,1,导通，使接于,V,1,集电极的蜂鸣器鸣响报警。,由于采用液晶显示，,故用,4,节,450,mA,/h,的充电电池可连续工作约,100,h,。,图,10-13,便携式缺氧监控器电路,图,10-14,原电池氧气传感器结构图,6.矿灯瓦斯报警器电路,矿灯瓦斯报警器的电路如图,10-15,所示。,它可以直接放置在矿工的工作帽内，,以矿灯蓄电池为电源（,4,V,），,气体传感器为,QM-N5,型，,R,1,为传感器加热线圈的限流电阻。为了避免传感器在每次使用前都要预热十多分钟，并且避免在传感器预热期间会造成的误报警，,所以传感器电路不接于矿灯开关回路内。,矿工每天下班后将矿灯蓄电池交给电房充电，充电时传感器处于预热状态。当工人们下井前到充电房领取后可不再进行预热。,图,10-15,矿灯瓦斯报警器电路,7.防止酒后驾车控制器,防止酒后驾车控制器原理电路如图,10-16,所示。,图中,QM-J,1,为酒敏元件。,若司机没喝酒，,在驾驶室内合上开关,S,，,此时气敏器件的阻值很高U,a,为高电平，,U,1,为低电平，,U,3,为高电平，,继电器,K,2,线圈失电，其常闭触点,K,2-2,闭合，发光二极管,VD,1,通，发绿光，,能点火启动发动机。,图,10-16,防止酒后驾车控制器原理,10.1.4 气体成分分析,1.,氧化锆式氧量分析器,在炉内或烟道内直接测量混合气体中氧气的百分含量一直是实现燃烧过程控制以达到节能目的的重要途径。氧化锆式氧量分析器具有能直接测量、结构简单、稳定性好、灵敏度高、响应快、造价低等优点，是一种有发展前途的分析仪器。,氧化锆氧量分析器利用氧浓淡电池的原理做成探头的形式，,因此又称为氧探头。,1）应用举例,目前，,用氧化锆式氧量计来测量烟气中含氧量的测量系统形式很多，大致可分为抽出式和直插式两类。,抽出式带有抽气和净化系统，能除去杂质和,SO,2,等有害气体，对保护氧化锆管有利。,氧化锆管处于,800,的定温电炉中工作，准确性较高，,但系统复杂，,并失去了反应快的特点。,直插式是将氧化锆管直接插入烟道高温部分，,如图,10-17,所示。,图,10-17,直插定温抽气式氧化锆氧量计,2）使用氧化锆氧量计时必须注意以下几点,（,1,）,因为氧浓差电势与氧化锆管工作的绝对温度成正比，,因此，,氧化锆管应处于恒定温度下工作或在仪表电路中附加温度补偿措施，,以使输出不受温度影响。另外，,当工作温度过低时，,氧化锆内阻很高，,正确测量其电势比较困难，故要求氧化锆管的工作温度在,600,以上，但不得超过,1200,，因为温度过高时烟气中的可燃物质就会与氧迅速化合而形成燃料电池，,使输出增大。,目前常用的工作温度为,800,左右，,但这时可燃物仍会与氧反应，因此，本仪器只适用于在燃烧较完全的烟气中进行含氧量的测定。,（2）使用中应保持被测气体和参比气体的压力相等，只有这样，两种气体中氧分压之比才能代表两种气体中氧的百分容积容量(即氧浓度)之比。因为当压力不同时，即使氧浓度相同，氧分压也是不同的。,（3）由于氧浓淡电池有使两侧氧浓度趋于一致的倾向，因此，必须保证被测气体和参比气体都有一定的流速，以便不断更新。,（,4,）,氧化锆材料的阻抗很高，,并且随工作温度降低按指数曲线上升。,因此，,二次仪表必须具有很高的输入阻抗。,另外，,如将输出的氧浓淡电势用作调节信号时，,还应使用线性化电路把氧含量与电势之间的对数关系转换成线性关系。,2.红外分析仪,红外分析仪是根据物质的吸收特性来进行工作的。许多化合物的分子在红外波段都有吸收带，而且因物质的分子不同，吸收带所在的波长和吸收的强弱也不相同。根据吸收带分布的情况与吸收的强弱，可以识别物质分子的类型，从而得出物质的组成及百分比。,根据不同的目的与要求，,红外分析仪可设计成多种不同的形式，,如红外气体分析仪、,红外分光光度计、,红外光谱仪等。,下面以,Y-1,型医用二氧化碳分析仪来说明红外分析仪的工作原理。,医用二氧化碳气体分析仪是利用二氧化碳气体对波长为,4.3,m,的红外辐射有强烈的吸收特性而进行测量分析的。,它主要用来测量、,分析二氧化碳气体的浓度。,分析仪包括采气和测量两大部分。,采气装置收集二氧化碳气体后，,将它送入测量气室。,测量部分对气体进行测量分析，,并显示其测量结果。,医用二氧化碳分析仪的光学系统如图,10-18,所示。,图,10-18,二氧化碳分析仪的光学系统图,图,10-19,二氧化碳化析仪的电路框图,10.1.5 部分半导体气敏元件的特性,下面介绍部分半导体气敏元件的特性。,1）3,DOH,氢敏传感器的特性参数,3,DOH,氢敏传感器的特性参数见表,10-3,。,表,10-3 3,DOH,氢敏传感器的特性参数,2）,QM-N5,型气敏传感器特性参数,QM-N5,型气敏器件适用于对可燃性气体,(,如天然气、煤气、,液化石油气、,氢气、一氧化碳、,烷烃类、烯烃类、炔烃类等气体,),、,汽油、,煤油、,柴油、氨类、醇类、醚类等可燃液体蒸汽及烟雾等的检测。表,10-4,为,QM-N5,气敏器件的主要参数。,表,10-4,QM-N5,气敏器件的主要参数,在使用,QM-N5,型气敏传感器时还应注意以下几点：,(1)气敏器件开始工作没有遇到可燃性气体时，其电阻值也会下降，经过10,min,左右，电阻值又会上升至一个稳定值，这时才可以正常工作。,(2)表10-4中给出最佳工作状态时的加热电压5,V，,它是检测丁烷气体时选择的最佳加热电压。在检测其他气体时，为了在,R,L,上获得最大电压，加热电压可以重新选择。,(3)要避免油浸和油垢污染，长期使用时要防止灰尘堵住防爆不锈钢网。,(4)不要长期在腐蚀性气体中工作。,(5),长期不用时要放置在干燥无腐蚀性气体的环境中。,3）几种常用的半导体气敏器件,UL-281,、,UL-282,、,UL-206,和,QM-N10,是几种常用的半导体气敏器件，,它们分别用于一氧化碳、酒精、烟雾和可燃性气体的检测与报警。表,10-5,中列出了它们的基本参数。,表,10-5,几种常用半导体气敏器件的基本参数,表,10-6,QM-J3,、,N7,、,N8,型气敏器件的用途、特点和主要参数,10.2,湿度检测技术,10.2.1 湿度的概念和检测方法,1.,气体的湿度,气体的湿度是指大气中水蒸气的含量。,常用的几种湿度量和单位见表,10-7,，,其中相对湿度是最常用的。,表,10-7,常用湿度量的种类,2.固体的湿度,固体的湿度是物质中所含水分的百分数。,物质中所含水分的质量与干物质质量之比，,称为含水量。,物质中所含水分的质量与其总质量之比，,称为湿度。,3.湿度检测方法分类,湿度检测的方法可分为四类：,毛发湿度计法、,干湿球湿度计法、,露点计法、,阻容式湿度计法。,其中干湿球湿度计与露点计的时效小，,可用于高精度测量，,但其体积大，,响应速度低，,无电信号，不能用于遥测及湿度自动控制。阻容式湿度传感器体积小，,响应速度快，,便于把湿度转换为电信号，,但稳定性差，,不耐,SO,2,的腐蚀。,10.2.2 湿敏传感器,1.,湿度传感器的概念,1）,湿度传感器的特性参数,湿度传感器的特性参数主要有：湿度量程、灵敏度、温度系数、响应时间、湿滞回差、感湿特征量-相对湿度特性曲线等。,（1）湿度量程：它是指湿度传感器能够较精确测量的环境湿度的最大范围。由于各种湿度传感器所使用的材料及依据的工作原理不同，其特性并不都能适用于0100%,RH,的整个相对湿度范围。,图,10-20,TiO,2,-V,2,O,5,的感湿特性曲线,（,2,）,感湿特征量,-,相对湿度特性曲线：,湿度传感器的输出变量称为其感湿特征量，,如电阻、电容、击穿电压、,沟道电阻等。,湿度传感器的感湿特征量随环境相对湿度,(,或绝对湿度,),的变化曲线，,称为传感器的感湿特征量,-,环境湿度特性曲线，,简称为感湿特性曲线。,性能良好的湿度敏感器件的感湿特性曲线，,应有宽的线性范围和适中的灵敏度。如图,10-20,所示是一种二氧化钛,-,五氧化二钒（,TiO,2,-V,2,O,5,）,湿度敏感器件的感湿特性曲线。,（3）灵敏度：湿度传感器的灵敏度即其感湿特性曲线的斜率。大多数湿度敏感器件的感湿特性曲线是非线性的，因此尚无统一的表示方法。较普遍采用的方法是用器件在不同环境湿度下的感湿特征量之比来表示。例如，日本生产的,MgCr,2,O,4,-TiO,2,湿度传感器的灵敏度是用一组器件电阻比表示的：,R,1%,/,R,20%,、,R,1%,/,R,40%,、,R,1%,/,R,60%,、,R,1%,/,R,80%,及,R,1%,/,R,100%,。,角标表示该阻值所对应的相对湿度。如,R,1%,表示相对湿度在1时器件的电阻值。,（,4,）,湿度温度系数：,它定义为在器件感湿特征量恒定的条件下，该感湿特征量值所表示的环境相对湿度随环境温度的变化率，,即,(10-1),因此，环境温度将造成测湿误差。例如，,=0.3RH/,时，环境的温度变化20，将引起6,RH,的测湿误差。,（5）响应时间：它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。响应时间用时间常数,来定义，即感湿特征量由起始值变化到终止值的0.632倍所需的时间。可见，响应时间是与环境相对湿度的起、止值密切相关。由于器件的吸湿和脱湿响应时间是不一样的，因此，在标明器件的响应时间时，除指明起始和终止相对湿度外，最好分别注明吸湿和脱湿情况。在二者差别甚微时，方可统一表示。,图,10-21,Mn,3,O,4,-TiO,2,在,80,时的湿滞回线,（6）湿滞回线和湿滞回差：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，这种特性称为湿滞特性；其曲线称为湿滞回线。如图10-21所示是,Mn,3,O,4,-TiO,2,湿度传感器在80时的湿滞回线。,（7）电压与频率特性：湿度传感器加热清洗的激励电压不能用直流，必须用交流。加热使温度升高，因此电压不能过高。传感器的感湿特征值与交流电压频率有关，因此电压的频率应有上限和下限。,除此之外，还应有使用条件、可靠性指标、稳定性、测湿精度、分辨率、使用寿命及加热清洗参数等。,2,）,湿度传感器的分类,表,10-10,湿度传感器的分类,3）湿敏传感器的图形符号,湿敏传感器的图形符号如图10-22所示。对于,半导体陶瓷湿敏传感器，,其图形符号代表电阻元件对于多孔,Al,2,O,3,湿敏传感器，其图形符号代表电阻,R,P,和电容,C,P,的并联。图中，,A-A,端为测量电极，,B-B,端为加热清洗电极。加热清洗电极通电后，,内部电加热丝产生热量可排除传感器感湿层中的水分子。,图10-22 图形符号,2.电解质湿度传感器,1）,无机电解质湿度传感器,典型的无机电解质湿度传感器是氯化锂湿敏元件。其感湿原理为：不挥发性盐（加氯化锂）溶解于水，结果降低了水的蒸汽压，同时盐的浓度降低，电阻率增加。氯化锂湿敏元件灵敏、准确、可靠。其主要缺点是在高湿的环境中，潮解性盐的浓度会被稀释，因此，使用寿命短，当灰尘附着时，潮解性盐的吸湿功能降低，重复性变坏。目前，氯化锂湿敏元件有三类典型产品：登莫(,Dunmore),式、浸渍式和光硬化树脂电解质湿敏元件。,典型氯化锂湿敏元件主要特性如表,10-11,所示。,表,10-11,典型氯化锂湿敏元件主要技术特性,2）高分子电解质湿度传感器,（1）聚苯乙烯磺酸锂湿敏元件：此类元件是用聚苯乙烯作为基片，其表面用硫酸进行磺化处理，引入磺酸基团（-,SO,2,-H,+,)，,形成具有共价键结合的磺化聚苯乙烯亲水层。为了提高湿敏元件的感湿特性，再放入氯化锂溶液中，通过离子交换,Li,+,置换出磺酸基团中的氢离子,H,+,，,形成磺酸锂感湿层，最后，在感湿层表面再印刷上多孔性电极。,聚苯乙烯磺酸锂湿敏元件在整个相对湿度范围内均有感湿特性，最大湿滞回差为3%,RH4RH，,抗水浸，稳定性较好（最大变化不超过2,RH/,年），其阻值具有温度负特性。,国产聚苯乙烯磺酸锂湿敏元件的优点是使用的温湿度范围宽，,并且具有良好的耐水性；,其缺点是湿滞略大。,典型产品是,SP-1,及,SP-2,两种元件，,其主要技术特性如表,10-12,所示。,表,10-12,磺酸锂湿敏元件主要技术特性,（2）有机季铵盐高分子电解质湿敏元件：该类高分子湿度传感器的感湿材料即是含有氯化季铵盐的高分子聚合物,丙烯酸酯，该材料是一种离子导电的高分子材料。其感湿原理为：大气中增加的湿度越大，则感湿膜被电离的程度就越大，电极间的电阻值也就越小，电阻值的变化与相对湿度的变化成指数关系。,该元件在高温高湿条件下，有极好的稳定性，,湿度检测范围宽，湿滞后小，响应速度快，并且具有较强的耐油性，,耐有机溶剂及耐烟草等特性。,其主要技术指标如表,10-13,所示。,表,10-13,HRP-MQ,高分子湿度传感器主要技术特性,（3）聚苯乙烯磺酸铵湿敏元件：聚苯乙烯磺酸铵元件是在氧化铝基片上印刷梳状金电极，然后涂覆加有交联剂的苯乙烯磺酸铵溶液，之后，用紫外线光照射，苯乙烯横酸铵交联、聚合，形成体形高分子，再加保护膜，形成具有复膜结构的感湿元件。,该元件的测湿范围为30,RH100RH，,温度系数为-0.6,RH/，,具有优良的耐水性、耐烟草性，一致性好。3.半导体陶瓷湿度传感器,这是湿度传感器中最大的一类，,品种繁多。,按其制作工艺可分为：,涂覆膜型、,烧结体型、,厚膜型、,薄膜型及,MOS,型等。,金属氧化物半导体陶瓷为多孔结构材料，,其优点是：,吸附水蒸气能力强且灵敏度高；,物理化学性能稳定；,响应速度快；,可加热清洗，,有利于在恶劣环境下工作；,工作范围宽且兼有热敏和气敏特性，,可制成多功能敏感元件；,生产工艺简单，,成本低，,是制作湿度传感器的理想材料。,其主要缺点是：,材料固有电阻大，,高温性能不够稳定，难以集成化等。,一般金属半导体氧化物陶瓷具有感湿负特性，,湿度增大，,电阻减小。,1）涂覆膜型湿敏传感器,涂覆膜型湿度敏感元件是把感湿粉料（金属氧化物）调浆，涂覆在已制好的梳状电极或平行电极的滑石瓷、氧化铝或玻璃等基板上制成的。四氧化三铁、五氧化二钒及三氧化二铝等湿敏元件均属此类。其中比较典型且性能较好的是四氧化三铁(,Fe,3,O,4,),湿敏元件。,涂覆膜型,Fe,3,O,4,湿敏元件，一般采用滑石瓷作为元件的基片。在基片上用丝网印刷工艺印刷梳状金电极。将纯净的黑色,Fe,3,O,4,胶粒，用水调制成适当粘度的浆料，然后用笔涂或喷雾在已有金电极的基片上，经低温烘干后，引出电极即可使用。,Fe,3,O,4,湿敏元件是能在全湿度范围内进行测量的元件，,并且具有一定的抗污染能力，,体积小。但主要的缺点是响应时间长，吸湿过程,(60,RH,98,RH),需要,2,min,，,脱湿过程,(98,RH,12,RH),需,5,7,min,，,同时在工程应用中长期稳定性不够理想。,2）烧结体型湿敏传感器,烧结体型湿敏元件的感湿体是通过典型的陶瓷工艺制成的。即将颗粒大小处于一定范围的陶瓷粉料外加利于成型的结合剂和增塑剂等，用压力轧膜、流延或注浆等方法成型，然后在适合的烧成条件下，在规定的温度和气氛下烧成，待冷却清洗，检选合格产品被覆电极，装好引线而成。这类元件的可靠性、重现性等均比涂覆元件好，而且是体积导电，不存在表面漏电流，元件结构也简单。这类元件中较为成熟，且具有代表性的是：铬酸镁-二氧化钛（,MgCr,2,O,4,TiO,2,）,陶瓷湿敏元件、五氧化二钒-二氧化钛（,V,2,O,5,-TiO,2,）,陶瓷湿敏元件、羟基磷灰石（,Ca,10,(PO,4,),6,(OH),2,）,陶瓷湿敏元件及氧化锌-三氧化二铬（,ZnO,-Cr,2,O,3,）,陶瓷湿敏元件等。,（1）铬酸镁-二氧化钛陶瓷湿敏元件（,MCT,型）：用,P,型半导体,MgCr,2,O,4,及,N,型半导体,TiO,2,粉粒为原料，配比混合，烧结成复合型半导体陶瓷。如图10-23（,a）,所示，将烧结成的复合型半导体陶瓷割成4,mm5 mm0.3 mm,的小片；在陶瓷片的两面设置高孔金电极，并用掺金玻璃粉将引出线与金电极烧结在一起；在半导体陶瓷片的外面，安放一个由镍铬丝烧制而成的加热清洗圈（又称,Kathal,加热器）；元件固定于一种高度致密的、疏水性的绝缘陶瓷底片上；为消除底座上测量电极之间由于吸湿和沾污而引起的漏电，在电极的四周设置了金短路环。每次使用前，通电加热清洗线圈，将湿敏陶瓷片加热至350400，保持1060,s，,即可清除污染，停数分钟后，元件电阻方能恢复原值。,图10-23,MgCr,2,O,4,-TiO,2,湿敏传感器结构与湿度特性,（,a,）,结构；,（,b,）,特性,表,10-14,SM-1,型湿敏传感器的特性参数,（,2,）,五氧化二钒,-,二氧化钛陶瓷湿敏元件：,V,2,O,5,-TiO,2,系陶瓷多孔质烧结体，,可整体吸附水汽。,元件内部的两根白金丝电极包埋在线卷内，,通过测定电极间的电阻检测湿度。,其特点是：,测湿范围宽，,能够耐高温，,响应时间短；,缺点是易发生漂移，,漂移量与相对湿度成比例。,（,3,）,羟基磷灰石陶瓷湿敏元件：,该元件是目前国外研究得比较多的磷灰石系陶瓷湿敏元件。,羟基的存在有利于提高元件的长期稳定性，,当在,54,RH,和,100,RH,湿度下，以每,5,min,加热,30,s(450,),的周期进行,4000,次热循环试验后，其误差仅为,3.5,RH,。,该元件的主要技术特性如表,10-15,所示。,表,10-15,羟基磷灰石陶瓷湿敏元件的主要技术特性,（,4)氧化锌,-,三氧化二铬陶瓷湿敏元件：,以上几种烧结型陶瓷湿敏元件均需要加热清洗去污，,因此不能连续测量。,国外已研制出不用电热清洗的陶瓷湿敏元件（如,ZnO,-Cr,2,O,3,）。,该湿敏元件的电阻温度系数和老化现象很小。,元件的响应速度快，,0,RH,100,RH,时约为,10,s,，,湿度变化为,20,时，,响应时间仅为,2,s,，,吸湿和脱湿时几乎没有湿滞现象。,（5）,ZnO,-ZnCr,2,O,4,陶瓷湿度传感器：,MgCr,2,O,4,陶瓷湿度传感器虽有抗污力强、寿命长等优点，但因阻值过高，难以实现高精度检测。,ZnO,-ZnCr,2,O,湿度传感器的阻值远小于,MgCr,2,O,4,传感器。,ZnO,-ZnCr,2,O,4,陶瓷湿度传感器的构造如图10-24所示。在片状多孔陶瓷的两表面烧结多孔金属电极模，焊接铂铑引线，封装于带筛网孔的方形塑料外壳内。这种传感器不需用加热器，只需0.5,mW,的微小功率即可使用。它已广泛应用于轻纺、食品加工、仓库管理、环境保护、家用电器等许多领域。,图,10-24,ZnO,-ZnCr,2,O,4,陶瓷湿度传感器结构,（,6,）,Mn,3,O,4,-TiO,2,半导体陶瓷温湿敏传感器：在氧化铝管上涂敷添加有热固性合成树脂有机溶剂的（,Mn,3,O,4,）,0.7,TiO,2,）,0.3,，,经高温烧结，,即形成具有温湿敏的坚固电阻膜，其阻值较前几种烧结型陶瓷传感器都小（,R,max,10,6,）。,在膜上等间隔烧结三条银电极环，,分别引出引线，,再用耐热憎水性树脂覆盖其中一个敏感膜，,即构成温湿敏传感器。,裸露的膜感湿，,覆盖的膜感温。,元件具有感湿、,感温负特性，,感温一般不高于,400,。,表,10-16,部分国产湿敏元件和湿敏传感器的特性参数,3）薄膜型湿敏传感器 ,（1）氧化铝薄膜电容式湿敏元件：由三氧化二铝做电介质构成的电容器，利用多孔的三氧化二铝薄膜易于吸收空气中的水蒸气，改变其本身的介电常数，从而使电容值随空气中水蒸气分压而变化。测量电容值，即可得出空气的相对湿度。,氧化铝薄膜湿敏元件的结构如图,10-25所示，,多孔导电层,A,是用蒸发金膜制成的对面电极，,它能使水蒸汽浸透氧化铝层；,B,为湿敏部分；,C,为绝缘层,(,高分子绝缘膜,),；,D,为导线。,图,10-25,氧化铝薄膜湿敏元件结构,氧化铝薄膜电容式湿敏元件的优点是体积小；,温度范围宽，,从,-111,20,及从,20,60,；,元件响应快；,在低湿下灵敏度高，,没有“冲蚀”。,其缺点是对污染敏感而影响精度，,高湿时精度较差，,工艺复杂，,老化严重，,稳定性较差。,采用等离子法制作的元件，,稳定性有所提高，,但尚需进一步在应用中考核。,（,2,）,钽电容湿敏元件：,目前以铝为基础的湿敏元件在有腐蚀剂和氧化剂的环境中使用时，,都不能保证长期稳定性。,但以钽作为基片，,利用阳极氧化法形成氧化钽多孔薄膜是一种介电常数高、,电特性和化学特性较稳定的薄膜。,用这种薄膜制成电容式湿敏元件可大大提高元件的长期稳定性。,它是采用氧化钽为感湿材料，,在钽丝阳极上氧化一层氧化钽薄膜，,膜上敷一层含防水剂的二氧化锰层，,作为一对电极的导电层；,考虑到对油烟、,灰尘等应用环境的适应性，,还装有活性炭纸过滤器，,使之适于测量腐蚀性气体的湿度。,4.有机物及高分子聚合物湿度传感器,1）,胀缩性有机物湿敏元件,有机纤维素具有吸湿溶胀、脱湿收缩的特性。利用这种特性，将导电的微粒或离子掺入其中作为导电材料，就可将其体积随环境湿度的变化转换为感湿材料电阻的变化。这一类湿敏元件主要有：碳湿敏元件及结露敏感元件等。,（,1,）,碳湿敏元件：,它采用的感湿材料是溶胀性能较好的羟乙基纤维素（,HEC,）。,羟乙基纤维素碳湿敏元件多采用丙烯酸塑料作为基片，,采用涂刷导银漆或真空镀金、,化学淀积等方法，,在基片两长边的边缘上形成金属电极，,然后在其上面浸涂一层由羟乙基纤维素、,导电碳黑和润湿性分散剂组成的浸涂液，,待溶剂蒸发后即可获得一层具有胀缩特性的感湿膜。,经老化、,标定后即可使用，,其结构如图,10-26,（,a,）,所示。,图10-26 羟乙基纤维素碳湿敏元件的结构与感湿特性曲线,（,a,）,结构；,（,b,）,感湿特性曲线及湿滞回线；,（,c,感湿特性曲线“隆起”现象,（2）结露敏感元件：它是在印制梳状电极的氧化铝基片上涂以电阻式感湿膜制成的。感湿膜由新型树脂和碳粒组成。该元件呈现开关式阻值变化特性：在低湿时几乎没有感湿灵敏度，而在94,RH,以上高湿时，其阻值剧增。该元件具有以下特点：,灰尘和其他气体产生的表面污染对元件的湿度特性影响很小。,能够检测并区别结露、水分等高湿状态。,由于具有急剧的开关特性，尽管滞后等因素会引起特性变化，但其工作点变动较小。,因为是导电无极化现象，因此能使用直流电压设计电路。,表,10-17,结露敏感元件的主要技术特性,2）高分子聚合物薄膜湿敏元件,（,1,）,等离子聚合法聚苯乙烯薄膜湿敏元件：,用等离子聚合法聚合的聚苯乙烯因有亲水的极性基团，随环境湿度大小而吸湿或脱湿，从而引起介电常数的改变。一般的制作方法是在玻璃基片上镀上一层铝薄膜作为下电极，用等离子聚合法在铝膜上镀一层,0.05,m,厚的聚苯乙烯作为电容器的电介质，,再在上面镀一层多孔金膜作为上电极。,该类元件具有以下特点：,测湿范围宽，有的可覆盖全湿范围。,使用温度范围宽，有的可达-40150。,响应速度快，有的小于1,s。,尺寸小，可用于狭小空间的测湿。,温度系数小，有的可忽略不计。,（2）醋酸纤维有机膜湿敏元件：电容式湿敏元件的感湿材料即是醋酸纤维。它是在玻璃基片上蒸发梳状全电极，作为下电极；将醋酸纤维按一定比例溶解于丙酮、