3.1 湿度传感器的分类及特性（课件）-《传感器检测技术》同步教学（电子工业版）

模块三 湿度传感器及其应用 课题一 湿度传感器的分类及特性 任务：土壤湿度测量仪的设计 任务目标 ★熟悉湿度的表示方法和湿度传感器的主要特性； ★熟悉半导体陶瓷湿度传感器、有机高分子湿度传感器的基本结构，掌握其感湿特性。 一、湿度传感器概述 湿度是指物质中所含水分的量，可通过湿度传感器进行测量。湿度传感器是将环境湿度转换为电信号的装置 ，现代化的工农业生产及科学实验对空气湿度的重视程度日益提高，要求也越来越高，如果湿度不能满足要求，将会造成不同程度的不良后果。 1．湿度的表示方法 狭义的湿度是指空气中水汽的含量，常用绝对湿度、相对湿度和露点（或露点温度）等来表示。 （1）绝对湿度 绝对湿度是指在一定温度及压力条件下，单位体积待测气体中含水蒸气的质量，即水蒸气的密度，其数学表达式为 （3-1） 式中Mv——待测气体中水蒸气的质量； V ——待测气体的总体积； Ha——待测气体的绝对湿度，单位为g/m3。 （2）相对湿度 相对湿度为待测气体中的水蒸气压与同温度下水的饱和蒸气压的比值的百分数，其数学表达式为 （3-2） 式中 PV——某温度下待测气体的水蒸气压； PW——与待测气体温度相同时水的饱和蒸气压； RH——相对湿度，单位为%RH。 饱和水蒸气压与气体的温度和气体的压力有关。当温度和压力变化时，因饱和水蒸气压变化，所以气体中的水蒸气压即使相同，其相对湿度也会发生变化，温度越高，饱和水蒸气压越大。日常生活中所说的空气湿度，实际上就是指相对湿度而言。凡谈到相对湿度，必须同时说明环境温度，否则，所说的相对湿度就失去确定的意义。 （3）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。 2．湿度传感器的主要特性 （1）感湿特性 感湿特性为湿度传感器的感湿特征量（如电阻、电容、频率等）随环境湿度变化的规律，常用感湿特征量和相对湿度的关系曲线来表示，如图3-1所示。 图3-1 湿敏元件的感湿特性曲线 按曲线的变化规律，感湿特性曲线可分为正特性曲线和负特性曲线 。性能良好的湿度传感器，要求在所测相对湿度范围内，感湿特征量的变化为线性变化，其斜率大小要适中。 （2）湿度量程 湿度传感器能够比较精确测量相对湿度的最大范围称为湿度量程。一般来说，使用时不得超过湿度量程规定值。所以在应用中，希望湿度传感器的湿度量程越大越好，以0%~100%RH为最佳。 湿度传感器按其湿度量程可分为高湿型、低湿型及全湿型三大类。高湿型适用于相对湿度大于70%RH的场合；低湿型适用于相对湿度小于40%RH场合；而全湿型则适用于0%~100%RH的场合。 （3）灵敏度 灵敏度为湿度传感器的感湿特征量随相对湿度变化的程度，即在某一相对湿度范围内，相对湿度改变1%RH时，湿度传感器的感湿特征量的变化值，也就是该湿度传感器感湿特性曲线的斜率。 由于大多数 湿度传感器的感湿特性曲线是非线性的，在不同的湿度范围内具有不同的斜率，因此常用湿度传感器在不同环境湿度下的感湿特征量之比来表示其灵敏度。如R1%/R10%表示器件在1%RH下的电阻值与在10%RH下的电阻值之比。 （4）响应时间 当环境湿度增大时，湿敏器件有一吸湿过程，并产生感湿特征量的变化。而当环境湿度减小时，为检测当前湿度，湿敏器件原先所吸的湿度要消除，这一过程称为脱湿。所以用湿敏器件检测湿度时，湿敏器件将随之发生吸湿和脱湿过程。 在一定环境温度下，当环境湿度改变时，湿敏传感器完成吸湿过程或脱湿过程（感湿特征量达到稳定值的规定比例）过程所需要的时间，称为响应时间。感湿特征量的变化滞后于环境湿度的变化，所以实际多采用感湿特征量的改变量达到总改变量的90%所需要的时间，即以相应的起始湿度和终止湿度这一变化区间90%的相对湿度变化所需的时间来计算。 （5）感湿温度系数 湿度传感器除对环境湿度敏感外，对温度也十分敏感。湿度传感器的温度系数是表示湿度传感器的感湿特性曲线随环境温度而变化的特性参数。在不同环境温度下，湿度传感器的感湿特性曲线是不同的，如图3-2所示。 图3-2 湿敏元件的温度特性 湿度传感器的感湿温度系数定义为：湿度传感器在感湿特征量恒定的条件下，当温度变化时，其对应相对湿度将发生变化，这两个变化量之