



下载本文档
版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领
文档简介
高温下湿敏传感器的研究进展
0湿度测量的应用在许多行业,如发电、纺织、食品、制药、仓储、农业等,对温度和湿度的参与都有严格的要求。现在,在低温条件下(通常为100以下),湿度测量相对成熟,具有商业化产品,广泛应用于各种行业。另有许多行业需要在高温环境下测量湿度,如航空航天、机车舰船、发电变电、冶金矿山、计量科研、电厂、陶瓷、工业管道、发酵环境实验箱、高温实验箱、高炉等场合.这时,湿度测量结果往往不如低温环境下的测量结果理想.另外,在恶劣条件下工作,例如气流速度、温度、湿度变化非常剧烈或测量污染严重的工业气体时,将使精度大大降低1.1湿度传感器的原理空气的干湿程度叫做湿度,常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、混合比、饱和差以及露点等物理量来表示.通常空气的温度越高,最大湿度就越大.1.1空气中的绝对湿度计算绝对湿度是一定体积的空气中含有的水蒸气的质量,单位是g/m3,它的极限是饱和状态下的最高湿度.绝对湿度只有与温度联系起来才有意义,因为空气中湿度随温度而变化.计算绝对湿度的公式为式中e-蒸汽压,单位Pa;Rw-水的气体常数为461.52J/kgK);T-温度,单位K;m-空气中溶解的水的质量,单位g;V-空气的体积,单位m3.1.2湿度的测量相对湿度是绝对湿度与最高湿度的比值,表示水蒸气的饱和度.相对湿度为100%的空气就是水蒸气饱和的空气.相对湿度同样也与温度联系起来才有意义.通过相对湿度和温度也可以换算出表示温度的其他参数.相对湿度计算如下:式中ρw-绝对湿度,单位g/m3;ρw,max-最高湿度,单位g/m3;E-饱和蒸气压,单位Pa;s-比湿,单位g/kg;S-最高比湿,单位g/kg.其他同上.早期的湿度测量通常用干湿球湿度计和毛发湿度计.前者原理是水蒸发要吸热降温,而蒸发的快慢(即降温的多少)和当时空气的相对湿度有关,这样浸在干湿球内的两支温度计就表示出与湿度相关的温度差.后者原理是脱脂毛发的伸缩随相对湿度值变化,与毛发相连的指针便可在刻度盘上指示空气相对湿度值.2湿度传感器的种类现代意义上的湿度传感器的种类很多,按所用湿敏材料,主要可以分为3类:电解质湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器和有机高分子聚合物湿度传感器25.2.1聚苯乙烯管的碱化锂传感器如LiCl湿度传感器.LiCl是典型的离子晶体,当其溶液置于一定湿度环境中,若环境相对湿度高,氯化锂溶液的导电能力将受到水蒸气在空气中的分压作用而加强,即氯化锂湿敏组件电阻降低;反之,环境相对湿度变低,氯化锂溶液的导电能力将下降,其电阻上升.因此用氯化锂湿敏组件可实现对相对湿度的测量.这种传感器将湿度信息转化为容易测量的电信号,使得湿度的测量变得十分简便.其典型结构为登莫(Dunmore)式6,如图1所示.在聚苯乙烯圆管上做出两条相互平行的铝引线作为电极,在该聚苯乙烯管上涂覆一层经过适当碱化处理的聚乙烯醋酸盐和氯化锂水溶液的混合液,以形成均匀薄膜.若只采用一个传感器件,则其检测范围狭窄.因此常将氯化锂含量不同的几种传感器组合使用,其检测范围能达到20%~90%RH.图1中A为用聚苯乙烯包封的铝管;B为用聚乙烯醋酸盐覆盖在A上的铝电极.另一种典型结构为浸渍式.浸渍式传感器是在基片材料上直接浸渍LiCl溶液构成的.这类传感器的浸渍基片材料为天然树皮.在基片上浸渍LiCl溶液.这种结构部分地减少了高湿度下所产生的湿敏膜的误差.由于采用了表面积大的基片材料,并直接在基片上浸渍LiCl溶液,这种传感器具有小型化的特点,它适用于微小空间的湿度检测.与登莫式传感器一样,若仅用一个这种传感器,所检测的湿度范围狭窄.为了扩大到20%~90%RH,就必须使用多个不同LiCl溶液浓度的传感器.经过优化,这类传感器的阻值的对数能与相对湿度在20%~85%RH范围内成线性关系.LiCl电解质传感器原理简单,灵敏度高,但在高湿环境中容易产生潮解,从而影响精度,缩短其使用寿命.一种改进的办法是将其制成胶体形式而不是溶液.将树脂、氯化理、感光剂和水按一定比例配成胶体溶液,浸涂在蒸镀有电极的塑料基片上,干燥后放置在紫外线下曝光并热处理,即可形成耐温耐湿的感湿膜.它可在80℃环境下使用,并且有较好的耐水性.为了进一步提高测量精度和范围,LiCl常与多孔SiO2或其他无机氧化物组成复合材料传感器78.2.2非导电高分子材料的传感器如聚乙烯醇、醋酸纤维素、聚酸胺等材料制成的传感器2,9,10.由于制作传感器的敏感高分子薄膜的材料结构和物理、化学现象非常丰富,对其敏感机理作出恰当的分类是非常困难的.但总体来说,高分子材料的敏感作用都是将材料的物化特性转化为传感器阻抗特性,然后再加以测量.对于非导电性高分子材料,在某些特定条件下,带负电荷的引力中心可以被改变.其绝缘性可以用介电常数描述.由于具有高偶极矩的分子吸附作用,或者由于膨胀,许多高分子材料介电常数会产生可探测的变化.膨胀是一种纯几何效应,它可以由电容值的变化探测到.聚酰亚胺湿度传感器应用的就是这种原理.还可将非导电性高分子材料与导电型材料一起构成复合材料应用在传感器上.复合材料电阻的变化是填充物浓度的函数.所有可改变填充物容量(密度)的环境效应,例如由于湿度增加而导致的材料膨胀,会引起电荷通道的减少,相应引起电阻系数的变化.通常使用的填充材料是金属和半导体金属氧化物(V2O3,TiO2等).可用的高分子材料有聚乙烯、聚酰亚胺、聚酯类、PVAC、PTFE、聚亚胺脂、PVA、环氧树脂类、丙烯酸类、PMMA.其中聚乙烯醇、醋酸纤维素、聚酸胺等材料都被成功地用于湿度和气体传感器.还有一类导电的高分子电解质及聚合高分子电解质,若它们含有离子单体或无机盐,可以表现出导电性,并且其导电性可以通过包括湿度在内的环境参数调节,这样就可以像电解质材料一样用于制作传感器.碱性的盐-聚醚混合物,如PPO和PEO与LiClO4、LiSCN、聚苯乙烯酯和季铵化PVPY已被成功地用于湿度传感器.这类传感器响应速度快、精度高,但是耐老化和抗污染能力不如陶瓷传感器.2.3半导体陶瓷片的制备如Mg2CrO4-TiO2湿敏传感器以及TiO2-V2O5湿敏传感器.它们主要利用陶瓷烧结体微结晶表面在吸湿和脱湿过程中电极之间电阻的变化来检测相对湿度1113.以MgCr2O4-TiO2为例说明其典型结构.如图2所示,在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的两面,设置高金电极,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,安放一个由镍铅丝烧制而成的加热清洗圈,以便对元件进行经常加热清洗,排除有害气氛对元件的污染.元件安放在一种高度致密的、疏水性的陶瓷底片上.为消除底座上测量电极2和3之间由于吸湿和污染而引起漏电.在电极2和3的四周设置金短路环.陶瓷烧结体微结晶表面对水分子进行吸湿或脱湿时,引起电极间电阻值随相对湿度成指数变化,从而湿度信息转化为电信号.这类元件的可靠性比涂覆元件好,且由于体导电,不存在表面漏电流,元件结构也简单.测湿范围宽,一片即可测1%~100%RH,并可用于较高温环境(150℃),最高承受温度可达600℃;能用电热进行反复清洗,除掉吸附在陶瓷上的油雾、灰尘、盐、酸、气溶胶或其他污染物,以保持精度不变;响应速度快(一般不超过20ns);稳定性好.类似产品还有V2O5-TiO2陶瓷湿敏元件、羟基磷灰石陶瓷湿敏元件等.使用过程中多需要清洗,并加有补偿电路.国外已研制出不用电热清洗的陶瓷湿敏元件,ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件就是其中的一种.显然,这类传感器适合于高温和高湿环境中使用,也是目前在高温环境中测湿的少数有效传感器之一.2.4湿度传感器.基于光纤光栅的传感器.一种典型结构叫做电稳定自组织锥形光纤湿度传感器14,其结构是将一段单模光纤从中间拉成锥形,但将锥形腰处一段距离保持均匀的直径,并用对湿度敏感的复合材料做成均匀包层,这样实际上将光纤做成了哑铃型,如图3.如将一定功率的光通过锥形光纤,则光能在此处的损失将与包层厚度、湿度相关,包层用紫外胶固化后,则只与湿度相关.用功率检测的方法即可测量湿度的大小.这种光纤传感器应用在1550nm波长时,灵敏度为0.03dB/%RH,在26~65℃范围内有1dB的漂移,测量范围0~90%RH.实验结果在100℃内测得.光纤光栅型的湿度传感器,与其材料相同,测量原理是环境湿度变化引起光纤光栅材料的形变,相应引起特征波长的变化,检测此波长的变化即可知环境湿度的变化.测量精度与范围也相近.3客级反应电路理想的湿敏传感器的性能要求是适于在宽温、湿范围内使用,测量精度要高;使用寿命长,稳定性好;响应速度快,湿滞回差小;灵敏度高,线性好,温度系数小;制造工艺简单,易于批量生产、转换电路简单,成本低;抗腐蚀,耐低温和高温等.湿敏传感器正从简单
温馨提示
- 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
- 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
- 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
- 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
- 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
- 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
最新文档
- 教育技术为特殊儿童创造更好的学习环境
- 商业场景下教育培训品牌的营销全案
- 教育机器人赋能未来职场
- 教育法律与教育公平保障
- 智慧医疗体系中的在线医疗服务平台评估研究
- 探讨教育政策与教师职业满意度之间的关系
- 教育大数据挖掘打开学生智能成长的密码
- 2025届山东省滨州市邹平县黄山中学高二物理第二学期期末教学质量检测试题含解析
- 2025届平煤高级中学物理高一下期末质量检测试题含解析
- 中职剪纸说课课件
- 专题:任务型阅读30篇 中考英语高分提升之最 新题速递第三辑(答案+解析)
- 中国隐身材料行业发展分析及发展前景与投资研究报告2025-2028版
- 2025年浙江省中考数学试卷真题(含官方标准答案及解析)
- 译林版(2024)七年级下册英语期末复习综合练习试卷(含答案)
- 汽车构造试题及答案
- 2025至2030中国摩擦材料及制动产品行业市场现状分析及竞争格局与投资发展报告
- 11人制足球竞赛规则
- 放射职业卫生培训课件
- 小学数学教学中如何培养学生数感
- 亲子消防演练活动方案
- 地理●广东卷丨2024年广东省普通高中学业水平选择性考试地理试卷及答案
评论
0/150
提交评论