昆明理工大学 课程设计 正文
的准备。
课程设计的主要任务是使学生掌握相关传感器或检测仪表的原理、结构及在工程中的实际应用。
同时，在课程设计的过程中，能够锻炼同学们解决问题和分析问题的能力。在此基础上，能够对所设计的传感器或仪表得到更进一步地认识和了解，为以后学习更深的知识打下扎实的基础。
第二章、湿度传感器的概述
2.1 湿度及其表示方法
在自然界中，凡是有水和生物的地方，在其周围的大气里总是含有或多或少的水汽。
大气中含有水汽的多少，表示大气的干、湿程度，用湿度来表示，也就是说，湿度是表示大气干湿程度的物理量。
大气湿度有三种常用的表示方法，即绝对湿度、相对湿度和含湿量。 2.1.1 绝对湿度
每m3湿空气在标况下（0℃，1大气压）所含湿空气的重量，即水蒸气密度，单位为g/m3。
PnVn?RnT由气体状态方程： 式（2.1.1）
PPPn1???n?n?1000?2.169式VnRnT461T273.15??w（2.1.2）
所以测得被测空气的水蒸气分压力，及干球温度即可求得绝对湿度。 绝对湿度只能说明湿空气中实际所含水蒸汽的质量，而不能说明湿空气干燥或潮湿的程度及吸湿能力的大小。 2.1.2 相对湿度
空气中水蒸气分压力Pn与同温度下饱和水蒸气分压力Pb的比值。
P式??n?100%Pb（2.1.3）
Pn?Pb.s?A(?w??s)B 式
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（2.1.4）
式??f(?w,?s,v,B)（2.1.5）
其中：
Pb.s—相应于湿球温度的饱和水蒸气压力； Pb—干球温度对应的饱和水蒸气压力； B—大气压力；
A—与风速有关的系数。
相对湿度表征湿空气中水蒸气接近饱和含量的程度。φ值小，说明湿空气饱和程度小，吸收水蒸气的能力强；φ值大则说明湿空气饱和程度大，吸收水蒸气的能力弱。 2.1.3 含湿量
空气由干空气和湿空气组成，每kg干空气所含水蒸气的量，称为含湿量。符号d，单位g/kg。
mSd?1000 式mw（2.1.6）
应用理想气体状态方程
水蒸气： 式PnVn?msRnTn（2.1.7）
PwVw?mwRwTw干空气： 式（2.1.8）
因为水蒸气与干空气均匀混合，故Vn=Vw，Tn=Tw，又：Rn=461，Rw=287
mPVR287PnPmmPPVVnRRTTTPP287PPPP??P?PP1000?10001000??wwwwww1000622nn??622622nnn???622bbbdd?1000?1000SSS??1000nnnnn????10001000nn ??622622?622622622mRPVPPB??PB?mmRRTTPVVPw461PwPBB?PPBB?????PbPbPbwwnTnnPwww461wwnnnwwwwwnnn
PnVnRwTwPn287PnPn?Pb??1000 ?622?622?622式RnTnPwVwPw461PwB?PnB??Pb（2.1.9）
所以，当大气压力为定值，含湿量是水蒸气分压力的函数。
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2.2 湿度传感器及其特性参数
湿度传感器是指能将湿度转换为与其成一定比例关系的电量输出的器件式装置。
湿度传感器的特性参数如下： 一、 湿度量程
保证一个湿敏期间能够正常工作所允许环境相对湿度可以变化的最大范围，称为这个湿敏器件的湿度量程。湿度量程越大，其实际使用价值越大。理想的湿敏元件的使用范围应当是0-100%RH的全量程。
二、感湿特征量----相对湿度特性曲线
每一种湿敏元件都有其感湿特征量，如电阻、电容、电压、频率等。湿敏元件的感湿特征量随环境相对湿度变化的关系曲线，称为该元件的感湿特征量——相对湿度特性曲线，简称感湿特性曲线。人们希望特性曲线应当在全量程上是连续的，曲线各处斜率相等，即特性曲线呈直线。斜率应适当，因为斜率过小，灵敏度降低；斜率过大，稳定性降低，这些都会给测量带来困难。
三、 灵敏度
湿敏元件的灵敏度，就其物理含义而言，应当反映相对于环境湿度的变化、元件感湿特征量的变化程度。因此，它应当是湿敏元件的感湿特性曲线斜率。在感湿特性曲线是直线的情况下，用直线的斜率来表示湿敏元件的灵敏度是恰当而可行的。
然而，大多数湿敏元件的感湿特性曲线是非线性的，在不同的相对湿度范围内曲线具有不同的斜率。因此，这就造成用湿敏元件感湿特性曲线的斜率来表示灵敏度的困难。
目前，虽然关于湿敏元件灵敏度的表示方法尚未得到统一，但较为普遍采样的方法使用元件在不同环境湿度下的感湿特征量之比来表示灵敏度。
四、 湿度温度系数
湿敏元件的湿度温度系数是表示感湿特性曲线随环境温度而变化的特性参数，在不同的环境温度下，湿敏元件的感湿特性曲线是不相同的，它直接给测量带来误差。
湿敏元件的湿度温度系数定义为：在湿敏元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。
综上所述，作为理想的湿度传感器希望能满足下列要求： （1） 在各种气体环境下特性稳定，不受尘埃附着的影响，使用寿命长； （2） 受温度的影响小； （3） 线性重复性好，灵敏度高，迟滞回差小，响应速度快； （4） 小型，易于制作和安装，且互换性好。
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2.3 湿度传感器的分类
湿度传感器的种类很多，据不完全统计，湿度传感器系列、类型分为物性型、结构型和其他形式，而物性型有分为电解质系、半导体及陶瓷系和有机高分子聚合物系。所以，其种类繁多可见一斑。
在此处，仅将部分列举如下：
（1）电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小。 （2）陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。
（3）高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极,通过浸渍或涂覆,使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜。有机高分子的材料种类也很多,工作原理也各不相同。
（4）单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成。制成二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。
第三章、湿度传感器的原理及框图
3.1、湿度传感器的原理
湿度传感器测量电路由湿度传感器，差动放大器，同相加法放大器等主电路组成；为了实现温度补偿功能，选择铂电阻温度传感器采集环境温度，通过转换电桥和差动放大，输入同相加法器实现加法运算，补偿环境温度对湿度传感器的影响，其中转换电桥工作电压由差动放大器输出电压通过电压跟随器提供。
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
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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。 电子式湿敏传感器的准确度可达2-3%RH，这比干湿球测湿精度高。 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。这方面没有干湿球测湿方法好。下面对各种湿度传感器进行简单的介绍。 1、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
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