传感器的论文

湿敏传感器的发展综述摘要：如今湿度传感器已经深入到生产的各个领域，湿度检测在国民生产中起到重要的作用。本文介绍湿度传感器的种类及其原理、与传统测湿方法的关系、发展趋势和应用领域，总结出湿敏传感器的发展趋势，为传感器的深入发展提供一定的参考价值。关键词：湿度；湿敏传感器；湿度检测引言：湿敏传感器是由湿敏元件和转换电路等组成，利用物质的物理效应和化学效应对气体中的水分进行检测的器件。随着工农业等部门对产品质量的要求越来越高，也就越来越需要对湿度进行严格检测及控制，所以以有必要开发优质的湿度传感器。湿度测量和控制广泛应用于航空航天、微电子、原子能、石油化工、电力、气象、仓储等领域，鉴于湿度测量的重要性，各国都在不断更新改造其湿度标准。湿度的标准是确保产品质量好坏的一个重要指标之一。近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿度传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向发展，为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。一、湿度传感器的种类及其原理湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。下面对各种湿度传感器进行简单的介绍。（一）氯化锂湿度传感器（1）电阻式氯化锂湿度计第一个基于电阻-湿度特性原理的氯化锂电湿敏元件是美国标准局的F.W.Dunmore研制出来的。这种元件具有较高的精度，同时结构简单、价廉，适用于常温常湿的测控等一系列优点。氯化锂元件的测量范围与湿敏层的氯化锂浓度及其它成分有关。单个元件的有效感湿范围一般在20%RH以内。例如0.05%的浓度对应的感湿范围约为（80～100）%RH，0.2%的浓度对应范围是（60～80）%RH等。由此可见，要测量较宽的湿度范围时，必须把不同浓度的元件组合在一起使用。可用于全量程测量的湿度计组合的元件数一般为5个，采用元件组合法的氯化锂湿度计可测范围通常为（15～100）%RH，国外有些产品声称其测量范围可达（2～100）%RH。（2）露点式氯化锂湿度计露点式氯化锂湿度计是由美国的Forboro公司首先研制出来的，其后我国和许多国家都做了大量的研究工作。这种湿度计和上述电阻式氯化锂湿度计形式相似，但工作原理却完全不同。简而言之，它是利用氯化锂饱和水溶液的饱和水汽压随温度变化而进行工作的。（二）碳湿敏元件碳湿敏元件是美国的E.K.Carver和C.W.Breasefield于1942年首先提出来的，与常用的毛发、肠衣和氯化锂等探空元件相比，碳湿敏元件具有响应速度快、重复性好、无冲蚀效应和滞后环窄等优点，因之令人瞩目。我国气象部门于70年代初开展碳湿敏元件的研制，并取得了积极的成果，其测量不确定度不超过±5%RH，时间常数在正温时为2～3s，滞差一般在7%左右，比阻稳定性亦较好。（三）氧化铝湿度计氧化铝传感器的突出优点是，体积可以非常小（例如用于探空仪的湿敏元件仅90μm厚、12mg重），灵敏度高（测量下限达-110℃露点），响应速度快（一般在0.3s到3s之间），测量信号直接以电参量的形式输出，大大简化了数据处理程序，等等。另外，它还适用于测量液体中的水分。如上特点正是工业和气象中的某些测量领域所希望的。因此它被认为是进行高空大气探测可供选择的几种合乎要求的传感器之一。也正是因为这些特点使人们对这种方法产生浓厚的兴趣。然而，遗憾的是尽管许多国家的专业人员为改进传感器的性能进行了不懈的努力，但是在探索生产质量稳定的产品的工艺条件，以及提高性能稳定性等与实用有关的重要问题。（四）陶器湿度传感器在湿度测量领域中，对于低湿和高湿及其在低温和高温条件下的测量，到目前为止仍然是一个薄弱环节，而其中又以高温条件下的湿度测量技术最为落后。以往，通风干湿球湿度计几乎是在这个温度条件下可以使用的唯一方法，而该法在实际使用中亦存在种种问题，无法令人满意。另一方面，科学技术的进展，要求在高温下测量湿度的场合越来越多，例如水泥、金属冶炼、食品加工等涉及工艺条件和质量控制的许多工业过程的湿度测量与控制。因此，自60年代起，许多国家开始竟相研制适用于高温条件下进行测量的湿度传感器。考虑到传感器的使用条件，人们很自然地把探索方向着眼于既具有吸水性又能耐高温的某些无机物上。实践已经证明，陶瓷元件不仅具有湿敏特性，而且还可以作为感温元件和气敏元件。这些特性使它极有可能成为一种有发展前途的多功能传感器。寺日、福岛、新田等人在这方面已经迈出了颇为成功的一步。他们于1980年研制成称之为“湿瓷-Ⅱ型”和“湿瓷-Ⅲ型”的多功能传感器。前者可测控温度和湿度，主要用于空调，后者可用来测量湿度和诸如酒精等多种有机蒸气，主要用于食品加工方面二、与传统测湿方法的关系早在18世纪人类就发明了干湿球和毛发湿度计，而电子式湿度传感器是近几十年．特别是近20年才迅速发展起来的。新旧事物的交替与人们的观念转变很有关系。由于干湿球、毛发湿度计的价格仍明显低于湿度传感器，造成一部分人对电子湿度传感器价格的不认可。正好像用惯了扫帚的人改用吸尘器时，总觉得花几百元钱买一台吸尘器有些不上算，不如花几元钱买把扫帚那样心理容易平衡。由于传统测湿方法在人们的脑海中印象太深了，一些人形成了只有干湿球湿度计才是准确的固有概念。有些用户拿干湿球湿度计来对比刚购得的湿度传感器，如发现示值不同，马上认为湿度传感器不准。须知干湿球的准确度只有5％一7％RH，不但低于电子湿度传感器，而且还取决于干球、湿球两支温度计本身的精度；湿度计必须处于通风状态：只有纱布水套、水质、风速都满足一定要求时，才能达到规定的准确度。湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发生器来逐支标定，最常用分流式标准湿度发生器来进行标定。所以希望用户在需要校准时也采用相同的方法，避免用准确度低的器具去校准或比对精度高的传感器。三、湿度传感器的发展状况目前，国际上湿度传感器的发展有两个方向：一个是湿敏元件及制造工艺的发展，另一个是向集成化、智能化、网络化及微型化方向发展。新型传感器的发展有赖于利用新型敏感材料开发敏感软件。敏感软件作为基础元器件，在国内外一直得到了高度重视，很多发达国家投入了大量的人力、物力、和财力来发展，如美国的纳米技术等。湿度传感器已不局限于简单的湿敏元件，而是采用系统集成技术向智能化、网络化方向发展。许多公司生产的新型湿度传感器，不仅采用了智能测试技术，还发挥数字化、网络化的特点，定义了通讯协议，并得到了广泛的应用。美国DALLAS公司的一线总线（1-wire-bus），最初是针对温度传感器，对于湿度的测量，公司并未提供相应的传感器。但受其启发，一些公司定义了类似总线，如长英科技的ITU总线，并提供相应的温湿度ITU模块，与1-wire-bus兼容，不仅输出为数字信号，而且具有精度高体积小互换性好、使用寿命长等优点，由于每个模块都有一个独立地址，仅使用单片机一条口线与ITU通信，所以可以方便地实现智能单元扩展，组成多点多种传感器信号采集系统。这些新型现场总线所配置的相应总线模块具有极强的联网特性，在温湿度测控网络化方面得到了快速的发展。四、湿度传感器在当前的主要应用领域（一）湿度计湿度计是测量各种介质中含湿度量的仪器。基于陶瓷湿度传感器，以制成一系列不同的湿度计，以Chichidu湿度计CH-1的数字式湿度计为例，它具有下列工作特征：1、湿度测量范围15%～100%RH2、测量精度±4%RH3、湿度计的工作温度范围0～40℃4、传感器的输出信号幅度变化为0～10V5最大电源消耗22W（包括加热器功率15W）湿度计显示出有很高的灵敏度和可靠性。采用了热敏电阻对陶瓷传感器的特性补偿。（二）微波炉在微波炉中，陶瓷湿敏传感器用于检测食品烹制成熟程度。食品原料或多、或少水分，加热时他们将蒸发成水汽，因此通过测定炉中的湿度可以监控食品的加热过程，微波炉中的湿度变化范围很大，约从百分之几的相对湿度一直到百分之百。同时，加热很快，在几分钟之内到100℃，此外，除水蒸汽，还有大量不同的有机食品原料中发散到微波炉中。在这种条件下，大多数湿度传感器无法正常工作。只有一定类型的陶瓷传感器才能克服这些难点。用于微波炉的陶瓷湿度传感器安装在食品加工过程散发的水蒸汽流经的通风区域，空气中的杂质、油蒸汽、颗粒物等会粘附在陶瓷传感器上，使它的灵敏度下降。因此，为了使它能保持原有的性能，在开始前和结束后，对传感器进行热清洁处理，把传感器表面上的沾污物清除掉。微波炉开关接通后，就会有一个信号执行热清洁处理，传感器性能得以复原，微波炉烹调过程可以分为两个阶段。第一个阶段（初始加热过程）中，磁控管启动后食品加热。相对湿度开始时增大，但然后开始减少，并达到某个最低值。进入第二阶段加热重又产生更多的水蒸汽，相对湿度增大，一直到食品烹调的完成。包括的时间是从相对湿度的最低谷开始，一直到烹调的完成。显然，这个时间的原料有关，因此它的设定应与初始加热时间成比例，并按不同食品原料性质调制。（三）空气增湿器和除湿器陶瓷湿敏传感器可以用于空气增湿器和除湿器的相对湿度监控。用于这方面的目的时，传感器要么安装在风扇产生的空气流中，要么安装在控制单元上。在第一种安置方式时，为了延长传感器的工作寿命，应该在空气进入传感器的前方增设一个空气过滤器。（四）空调器空气调节系统需要多种传感器，例如温度、湿度和空气成分等的监控。空调器中装备了带有微处理器的传感器之后，可以大幅度降低能源消耗，提高系统的效率，并且能提供最合适的生活条件。陶瓷湿敏传感器在空调器中的安装有二种方式。第一种方式是将传感器安置在进气流中，这种方式的主要优点是传感器的响应较快，但缺点是进气的湿度已经经调控了的，它可能与房间中空气的湿度不一样，而且它可能因与污染气体相接触，比较容易损坏。第二种方式是将传感器安置在进气通道的外面，例如安装在控制电路板上。这时，传感器的响应能力可能有一定的下降，不过，由于尘粒碰撞传感器表面，从而引起它失效的可能性较小，因而采用这种方式的较多。五、展望综上所述，可知市场潜力很大。无论在工农业生产、能源交通、仓储运输、保鲜防霉方面，还是在建筑，轻纺化工、气象预报等方面都有很大的市场，而且随着传统工业改造的步伐加快，将会愈来愈显示出应用的重要性。文物、档案、古字画保管储藏，湿度的影响很大，并需要长期测控。在纺织和化纤工业中，湿度会影响经纬线的伸缩率和张力。目前国内各厂家多用湿球和毛发湿度计，无法进行自动测控。如果采用陶瓷湿度传感器，就可以做到以电信号输出的湿度仪表，进行闭环湿度控制。粮食水果，特别是优良种子仓储运输，要防止霉变，关键的是控制温度。目前北京农科院已经将适度传感器用于两种储藏。但是我国生产传感器的技术比较落后，目前所能生产的品种及质量远远满足不了用户的需要，据市场的反应，传感器只要提高质量，扩大品种，降低售价，并加强推广应用宣传，市场需求量将大有增加，从1991年国民经济进入振兴时期，可以预料传感器必将进入广泛应用阶段，其前景甚为广阔。参考文献[1]喻晓莉,杨健,倪彦.湿度传感器的选用及发展趋势.自动化技术与应用,2009,第28卷（第2期）:107~109[2]沙占友,薛树琦,格架怡.温度传感器的发展趋势.电子技术应用,2003,第7期.[3]郭秀芬.陶瓷传感器及应用.压电与声光,1993,第15卷（第3期）:48~59[4]易洪.湿度测量的新进展及发展趋势.计量论坛,2007，管理篇:9~11