傳感器的論文

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　　摘要：

　　如今濕度傳感器已經(jīng)深入到生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，濕度檢測在國民生產(chǎn)中起到重要的作用。本文介紹濕度傳感器的種類及其原理、與傳統(tǒng)測濕方法的關(guān)系、發(fā)展趨勢和應(yīng)用領(lǐng)域，總結(jié)出濕敏傳感器的發(fā)展趨勢，為傳感器的深入發(fā)展提供一定的參考價值。

　　關(guān)鍵詞：

　　濕度；濕敏傳感器；濕度檢測

　　引言：

　　濕敏傳感器是由濕敏元件和轉(zhuǎn)換電路等組成，利用物質(zhì)的物理效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)對氣體中的水分進(jìn)行檢測的器件。隨著工農(nóng)業(yè)等部門對產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高，也就越來越需要對濕度進(jìn)行嚴(yán)格檢測及控制，所以以有必要開發(fā)優(yōu)質(zhì)的濕度傳感器。

　　濕度測量和控制廣泛應(yīng)用于航空航天、微電子、原子能、石油化工、電力、氣象、倉儲等領(lǐng)域，鑒于濕度測量的重要性，各國都在不斷更新改造其濕度標(biāo)準(zhǔn)。濕度的標(biāo)準(zhǔn)是確保產(chǎn)品質(zhì)量好壞的一個重要指標(biāo)之一。

　　近年來，國內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長足進(jìn)步。濕度傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向發(fā)展，為開發(fā)新一代濕度/溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測量技術(shù)提高到新的水平。

　　一、濕度傳感器的種類及其原理

　　濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類。濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測量濕度。

　　濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。

　　濕敏元件的線性度及抗污染性差，在檢測環(huán)境濕度時，濕敏元件要長期暴露在待測環(huán)境中，很容易被污染而影響其測量精度及長期穩(wěn)定性。下面對各種濕度傳感器進(jìn)行簡單的介紹。

　�。ㄒ唬┞然�鋰濕度傳感器

　　（1）電阻式氯化鋰濕度計

　　第一個基于電阻-濕度特性原理的氯化鋰電濕敏元件是美國標(biāo)準(zhǔn)局的

　　F.W.Dunmore研制出來的。這種元件具有較高的精度，同時結(jié)構(gòu)簡單、價廉，適用于常溫常濕的測控等一系列優(yōu)點。

　　氯化鋰元件的測量范圍與濕敏層的氯化鋰濃度及其它成分有關(guān)。單個元件的有效感濕范圍一般在20%RH以內(nèi)。例如0.05%的濃度對應(yīng)的感濕范圍約為（80～100）%RH，0.2%的濃度對應(yīng)范圍是（60～80）%RH等。由此可見，要測量較寬的濕度范圍時，必須把不同濃度的元件組合在一起使用。可用于全量程測量的濕度計組合的元件數(shù)一般為5個，采用元件組合法的氯化鋰濕度計可測范圍通常為（15～100）%RH，國外有些產(chǎn)品聲稱其測量范圍可達(dá)（2～100）%RH。

　�。�2）露點式氯化鋰濕度計

　　露點式氯化鋰濕度計是由美國的Forboro公司首先研制出來的，其后我國和許多國家都做了大量的研究工作。這種濕度計和上述電阻式氯化鋰濕度計形式相似，但工作原理卻完全不同。簡而言之，它是利用氯化鋰飽和水溶液的飽和水汽壓隨溫度變化而進(jìn)行工作的。

　�。ǘ�）碳濕敏元件

　　碳濕敏元件是美國的E.K.Carver和C.W.Breasefield于1942年首先提出來的，與常用的毛發(fā)、腸衣和氯化鋰等探空元件相比，碳濕敏元件具有響應(yīng)速度快、重復(fù)性好、無沖蝕效應(yīng)和滯后環(huán)窄等優(yōu)點，因之令人矚目。我國氣象部門于70年代初開展碳濕敏元件的研制，并取得了積極的成果，其測量不確定度不超過±5%RH，時間常數(shù)在正溫時為2～3s，滯差一般在7%左右，比阻穩(wěn)定性亦較好。

　�。ㄈ�）氧化鋁濕度計

　　氧化鋁傳感器的突出優(yōu)點是，體積可以非常�。ɡ�如用于探空儀的濕敏元件僅90μm厚、12mg重），靈敏度高（測量下限達(dá)-110℃露點），響應(yīng)速度快（一般在0.3s到3s之間），測量信號直接以電參量的形式輸出，大大簡化了數(shù)據(jù)處理程序，等等。另外，它還適用于測量液體中的水分。如上特點正是工業(yè)和氣象中的某些測量領(lǐng)域所希望的。因此它被認(rèn)為是進(jìn)行高空大氣探測可供選擇的幾種合乎要求的傳感器之一。也正是因為這些特點使人們對這種方法產(chǎn)生濃厚的興趣。然而，遺憾的是盡管許多國家的專業(yè)人員為改進(jìn)傳感器的性能進(jìn)行了不懈的努力，但是在探索生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品的工藝條件，以及提高性能穩(wěn)定性等與實用有關(guān)的重要問題。

　　（四）陶器濕度傳感器

　　在濕度測量領(lǐng)域中，對于低濕和高濕及其在低溫和高溫條件下的測量，到目前為止仍然是一個薄弱環(huán)節(jié)，而其中又以高溫條件下的濕度測量技術(shù)最為落后。以往，通風(fēng)干濕球濕度計幾乎是在這個溫度條件下可以使用的唯一方法，而該法在實際使用中亦存在種種問題，無法令人滿意。另一方面，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展，要求在高溫下測量濕度的場合越來越多，例如水泥、金屬冶煉、食品加工等涉及工藝條件和質(zhì)量控制的許多工業(yè)過程的濕度測量與控制。因此，自60年代起，許多國家開始竟相研制適用于高溫條件下進(jìn)行測量的濕度傳感器�？紤]到傳感器的使用條件，人們很自然地把探索方向著眼于既具有吸水性又能耐高溫的某些無機(jī)物上。實踐已經(jīng)證明，陶瓷元件不僅具有濕敏特性，而且還可以作為感溫元件和氣敏元件。這些特性使它極有可能成為一種有發(fā)展前途的多功能傳感器。寺日、福島、新田等人在這方面已經(jīng)邁出了頗為成功的一步。他們于1980年研制成稱之為“濕瓷-Ⅱ型”和“濕瓷-Ⅲ型”的多功能傳感器。前者可測控溫度和濕度，主要用于空調(diào)，后者可用來測量濕度和諸如酒精等多種有機(jī)蒸氣，主要用于食品加工方面

　　二、與傳統(tǒng)測濕方法的關(guān)系

　　早在18世紀(jì)人類就發(fā)明了干濕球和毛發(fā)濕度計，而電子式濕度傳感器是近幾十年．特別是近20年才迅速發(fā)展起來的。新舊事物的交替與人們的觀念轉(zhuǎn)變很有關(guān)系。由于干濕球、毛發(fā)濕度計的價格仍明顯低于濕度傳感器，造成一部分人對電子濕度傳感器價格的不認(rèn)可。正好像用慣了掃帚的人改用吸塵器時，總覺得花幾百元錢買一臺吸塵器有些不上算，不如花幾元錢買把掃帚那樣心理容易平衡。

　　由于傳統(tǒng)測濕方法在人們的腦海中印象太深了，一些人形成了只有干濕球濕度計才是準(zhǔn)確的固有概念。有些用戶拿干濕球濕度計來對比剛購得的濕度傳感器，如發(fā)現(xiàn)示值不同，馬上認(rèn)為濕度傳感器不準(zhǔn)。須知干濕球的準(zhǔn)確度只有5％一7％RH，不但低于電子濕度傳感器，而且還取決于干球、濕球兩支溫度計本身的精度；濕度計必須處于通風(fēng)狀態(tài)：只有紗布水套、水質(zhì)、風(fēng)速都滿足一定要求時，才能達(dá)到規(guī)定的準(zhǔn)確度。濕度傳感器生產(chǎn)廠在產(chǎn)品出廠前都要采用標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器來逐支標(biāo)定，最常用分流式標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器來進(jìn)行標(biāo)定。所以希望用戶在需要校準(zhǔn)時也采用相同的方法，避免用準(zhǔn)確度低的器具去校準(zhǔn)或比對精度高的傳感器。

　　三、濕度傳感器的發(fā)展?fàn)顩r

　　目前，國際上濕度傳感器的發(fā)展有兩個方向：一個是濕敏元件及制造工藝的發(fā)展，另一個是向集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化及微型化方向發(fā)展。

　　新型傳感器的發(fā)展有賴于利用新型敏感材料開發(fā)敏感軟件。敏感軟件作為基礎(chǔ)元器件，在國內(nèi)外一直得到了高度重視，很多發(fā)達(dá)國家投入了大量的人力、物力、和財力來發(fā)展，如美國的納米技術(shù)等。

　　濕度傳感器已不局限于簡單的濕敏元件，而是采用系統(tǒng)集成技術(shù)向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。許多公司生產(chǎn)的新型濕度傳感器，不僅采用了智能測試技術(shù)，還發(fā)揮數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的特點，定義了通訊協(xié)議，并得到了廣泛的應(yīng)用。

　　美國DALLAS公司的一線總線（1-wire-bus），最初是針對溫度傳感器，對于濕度的測量，公司并未提供相應(yīng)的傳感器。但受其啟發(fā)，一些公司定義了類似總線，如長英科技的ITU總線，并提供相應(yīng)的溫濕度ITU模塊，與1-wire-bus兼容，不僅輸出為數(shù)字信號，而且具有精度高體積小互換性好、使用壽命長等優(yōu)點，由于每個模塊都有一個獨立地址，僅使用單片機(jī)一條口線與ITU通信，所以可以方便地實現(xiàn)智能單元擴(kuò)展，組成多點多種傳感器信號采集系統(tǒng)。這些新型現(xiàn)場總線所配置的相應(yīng)總線模塊具有極強(qiáng)的聯(lián)網(wǎng)特性，在溫濕度測控網(wǎng)絡(luò)化方面得到了快速的發(fā)展。

　　四、濕度傳感器在當(dāng)前的主要應(yīng)用領(lǐng)域

　�。ㄒ唬�濕度計

　　濕度計是測量各種介質(zhì)中含濕度量的儀器�；�于陶瓷濕度傳感器，以制成一系列不同的濕度計，以Chichidu濕度計CH-1的數(shù)字式濕度計為例，它具有下列工作特征：

　　1、濕度測量范圍15%～100%RH

　　2、測量精度±4%RH

　　3、濕度計的工作溫度范圍0～40℃

　　4、傳感器的輸出信號幅度變化為0～10V

　　5、最大電源消耗22W（包括加熱器功率15W）

　　濕度計顯示出有很高的靈敏度和可靠性。采用了熱敏電阻對陶瓷傳感器的特性補(bǔ)償。

　�。ǘ�）微波爐

　　在微波爐中，陶瓷濕敏傳感器用于檢測食品烹制成熟程度。食品原料或多、或少水分，加熱時他們將蒸發(fā)成水汽，因此通過測定爐中的濕度可以監(jiān)控食品的加熱過程，微波爐中的濕度變化范圍很大，約從百分之幾的相對濕度一直到百分之百。同時，加熱很快，在幾分鐘之內(nèi)到100℃，此外，除水蒸汽，還有大量不同的有機(jī)食品原料中發(fā)散到微波爐中。在這種條件下，大多數(shù)濕度傳感器無法正常工作。只有一定類型的陶瓷傳感器才能克服這些難點。

　　用于微波爐的陶瓷濕度傳感器安裝在食品加工過程散發(fā)的水蒸汽流經(jīng)的通風(fēng)區(qū)域，空氣中的雜質(zhì)、油蒸汽、顆粒物等會粘附在陶瓷傳感器上，使它的靈敏度下降。因此，為了使它能保持原有的性能，在開始前和結(jié)束后，對傳感器進(jìn)行熱清潔處理，把傳感器表面上的沾污物清除掉。

　　微波爐開關(guān)接通后，就會有一個信號執(zhí)行熱清潔處理，傳感器性能得以復(fù)原，微波爐烹調(diào)過程可以分為兩個階段。第一個階段（初始加熱過程）中，磁控管啟動后食品加熱。相對濕度開始時增大，但然后開始減少，并達(dá)到某個最低值。進(jìn)入第二階段加熱重又產(chǎn)生更多的水蒸汽，相對濕度增大，一直到食品烹調(diào)的完成。包括的時間是從相對濕度的最低谷開始，一直到烹調(diào)的完成。顯然，這個時間的原料有關(guān)，因此它的設(shè)定應(yīng)與初始加熱時間成比例，并按不同食品原料性質(zhì)調(diào)制。

　�。ㄈ�）空氣增濕器和除濕器

　　陶瓷濕敏傳感器可以用于空氣增濕器和除濕器的相對濕度監(jiān)控。用于這方面的目的時，傳感器要么安裝在風(fēng)扇產(chǎn)生的空氣流中，要么安裝在控制單元上。在第一種安置方式時，為了延長傳感器的工作壽命，應(yīng)該在空氣進(jìn)入傳感器的前方增設(shè)一個空氣過濾器。

　�。ㄋ模┛照{(diào)器

　　空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)需要多種傳感器，例如溫度、濕度和空氣成分等的監(jiān)控�？照{(diào)器中裝備了帶有微處理器的傳感器之后，可以大幅度降低能源消耗，提高系統(tǒng)的效率，并且能提供最合適的生活條件。

　　陶瓷濕敏傳感器在空調(diào)器中的安裝有二種方式。第一種方式是將傳感器安置在進(jìn)氣流中，這種方式的主要優(yōu)點是傳感器的響應(yīng)較快，但缺點是進(jìn)氣的濕度已經(jīng)經(jīng)調(diào)控了的，它可能與房間中空氣的濕度不一樣，而且它可能因與污染氣體相接觸，比較容易損壞。第二種方式是將傳感器安置在進(jìn)氣通道的外面，例如安裝在控制電路板上。這時，傳感器的響應(yīng)能力可能有一定的下降，不過，由于塵粒碰撞傳感器表面，從而引起它失效的可能性較小，因而采用這種方式的較多。

　　五、展望

　　綜上所述，可知市場潛力很大。無論在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、能源交通、倉儲運輸、保鮮防霉方面，還是在建筑，輕紡化工、氣象預(yù)報等方面都有很大的市場，而且隨著傳統(tǒng)工業(yè)改造的步伐加快，將會愈來愈顯示出應(yīng)用的重要性。

　　文物、檔案、古字畫保管儲藏，濕度的影響很大，并需要長期測控。

　　在紡織和化纖工業(yè)中，濕度會影響經(jīng)緯線的伸縮率和張力。目前國內(nèi)各廠家多用濕球和毛發(fā)濕度計，無法進(jìn)行自動測控。如果采用陶瓷濕度傳感器，就可以做到以電信號輸出的濕度儀表，進(jìn)行閉環(huán)濕度控制。

　　糧食水果，特別是優(yōu)良種子倉儲運輸，要防止霉變，關(guān)鍵的是控制溫度。目前北京農(nóng)科院已經(jīng)將適度傳感器用于兩種儲藏。

　　但是我國生產(chǎn)傳感器的技術(shù)比較落后，目前所能生產(chǎn)的品種及質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了用戶的需要，據(jù)市場的反應(yīng)，傳感器只要提高質(zhì)量，擴(kuò)大品種，降低售價，并加強(qiáng)推廣應(yīng)用宣傳，市場需求量將大有增加，從1991年國民經(jīng)濟(jì)進(jìn)入振興時期，可以預(yù)料傳感器必將進(jìn)入廣泛應(yīng)用階段，其前景甚為廣闊。

　　參考文獻(xiàn)

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