传感器应用技术（上篇共上中下3篇）

传感器应用技术北京出版社目录CONTNETS1初识传感器2温度传感器3湿度传感器4力敏传感器5光敏传感器目录CONTNETS6气敏传感器7磁敏传感器8超声波传感器9无线传感器网络项目一初识传感器01传感器的认知一、传感器的定义与作用在国家标准GB/T7665—2005《传感器通用术语》中，传感器被定义为“能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。这一定义包含以下几方面含义。（1）传感器是测量装置，能完成检测任务。（2）输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。（3）输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电信号。（4）输出和输入存在对应关系，且应有一定的精确程度。（一）传感器的定义一、传感器的定义与作用日常生活中，人们通过感觉器官接收外界信息，经过大脑的思维，做出相应的动作。在工业生产和自动化检测与控制系统中，通常由传感器取代人的感觉器官，用计算机取代人的大脑对传感器感知、变换来的信号进行处理，并控制执行机构对外界对象实现自动化控制。人与机器系统的对比如图1-1所示。（二）传感器的作用二、传感器的组成与分类按照传感器的定义，传感器实际上是一种功能模块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号，实现非电量与电量的转换。（一）传感器的组成（3）上述电路参量接入基本转换电路，便可转换成电量输出，如电压值、电流值等。（1）敏感元件作为传感器的核心部件，直接感受被测量，如水的温度、氧气的浓度等，并输出与被测量成确定关系的物理量，通常是非电量，如位移、应变等。（2）转换元件把敏感元件的输出作为它的输入，转换成电路参量，如电容、电阻变化等。二、传感器的组成与分类传感器的分类方法多种多样，可按被测量、功能原理、敏感材料、加工工艺、传感对象、应用领域等进行分类。同时，传感器的种类繁多，同一种被测量，可以用不同原理的传感器来测量；而基于同一种传感器原理或同一类技术，又可以制作多种被测量传感器。（二）传感器的分类二、传感器的组成与分类（二）传感器的分类1.按被测量分类物理量传感器生物量传感器化学量传感器二、传感器的组成与分类（二）传感器的分类按工作机理分类按能量种类分类按有无电源供电分类按对检测对象是否激励分类按信号处理的形式或功能分类2.按功能原理分类二、传感器的组成与分类（二）传感器的分类按所使用的敏感材料，传感器可分为陶瓷传感器、半导体传感器、高分子材料或电子聚合物传感器、金属材料传感器、光纤传感器、复合材料传感器等。3.按敏感材料分类按传感对象，传感器可分为图像传感器、心电传感器、呼吸传感器、脉搏传感器、烟雾传感器、气体传感器、水质传感器、血糖传感器和轮胎传感器等。5.按传感对象分类按加工工艺，传感器可分为厚薄膜传感器、MEMS传感器和纳米传感器等。4.按加工工艺分类按应用领域，传感器可分为汽车传感器、机器人传感器、家电传感器、环境传感器、气象传感器和海洋传感器等。6.按应用领域分类03040605三、传感器的基本特性（一）静态特性1.线性度2.灵敏度3.重复性4.迟滞5.分辨力6.稳定性7.漂移三、传感器的基本特性（一）静态特性1.线性度线性度是传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，也称非线性误差，如图1-7所示。三、传感器的基本特性（一）静态特性2.灵敏度灵敏度是传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值。对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率，如图1-9（a）所示，其灵敏度为非线性传感器的灵敏度是一个随工作点而变的变量，如图1-9（b）所示，其灵敏度为三、传感器的基本特性（一）静态特性3.重复性重复性是传感器在输入量按同一方向做全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度，如图1-10所示。传感器输出特性的不重复性主要由传感器机械部分的磨损、间隙、松动，部件的内摩擦、积尘，电路元件老化、工作点漂移等原因造成。三、传感器的基本特性（一）静态特性4.迟滞迟滞是传感器在正向行程（输入量增大）和反向行程（输入量减小）期间，输出/输入特性曲线不一致的程度，如图1-11所示。在行程环中同一输入量xi对应的不同输出量yi和yd的差值称为滞环误差，最大滞环误差与满量程输出值的比值称为最大滞环率Emax，即三、传感器的基本特性（一）静态特性5.分辨力传感器的分辨力是在规定测量范围内所能检测的输入量的最小变化量。有时也用该值相对满量程输入值的百分数表示。6.稳定性稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。传感器常用长期稳定性，是指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，如一天、一月或一年，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。通常又用其不稳定度来表征稳定程度。三、传感器的基本特性（一）静态特性7.漂移传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。零点漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化。温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的变化。三、传感器的基本特性（二）动态特性所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，其输出特性。在实际工作中，传感器的动态特性常借助其对某些标准输入信号的响应来体现。这是因为传感器对标准输入信号的响应能够通过实验方法获得，并且它对标准输入信号的响应与对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，通常了解了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。四、传感器的发展历程与发展趋势（一）传感器的发展历程第二代传感器是20世纪70年代开始发展起来的固体传感器，由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，利用材料的某些特性制成。第一代是结构型传感器，它利用结构参量的变化来感受和转化信号。第三代传感器是20世纪80年代发展起来的智能传感器。四、传感器的发展历程与发展趋势（二）传感器的发展趋势材料是传感器技术的重要基础和前提，是传感器技术升级的重要支撑，因而传感器技术的发展必然要求加大新材料的研制力度。1.利用新材料开发新型传感器集成化是指传感器同一功能的多元件并列，以及功能上的一体化。多功能是指“一器多能”。在智能化传感技术方面，以微处理器为核心单元，具有检测、判断和信息处理等功能。2.开发集成化、多功能、智能化的传感器利用集成电路微型化的经验，从传感技术硬件系统的微小型化中提高其可靠性、质量、处理速度和生产率，降低成本，节约资源与能源，减少对环境的污染。3.实现传感技术硬件系统与元器件的微小型化无线传感器网络是由大量具有无线通信与计算机能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统，利用微传感器与微机械、通信自动控制、人工智能等多学科的综合技术，实现传感器的无线网络化，使其能根据环境自主完成指定任务。4.通过传感器与其他交叉学科的交叉整合，推动无线传感器网络的发展五、传感器的应用（一）传感器在工业领域的应用（二）传感器在机器人中的应用（三）传感器在可穿戴智能设备中的应用智能可穿戴设备是未来传感器应用的主要领域之一。智能可穿戴设备中传感器的应用主要包括以下几个方面。1.生物型传感器2.运动型传感器3.环境传感器传感器在工业领域的应用非常广泛，是当今科技产业新技术革命和信息社会的重要技术基础，也是当今世界极其重要的高科技之一，几乎所有现代化仪器、设备都离不开传感器。根据传感器在机器人中应用的不同可分为机器人内部检测传感器和机器人外部探测传感器。五、传感器的应用（四）传感器在（无人驾驶）汽车中的应用汽车的电子化和智能化离不开各种传感器的应用。在普通的汽车上一般都安装有几十至几百只不同功能的传感器。例如，在汽车发动机控制系统中，分别安装有温度传感器、压力传感器、冷却水传感器、燃油温度传感器、机油温度传感器、转速传感器、车速传感器、氧传感器、流量传感器等。（五）传感器在物联网中的应用物联网就是物物相连的互联网，是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，因此也被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。02测量误差与分析处理一、测量误差及表达方法（一）测量误差在一定条件下，被测物理量客观存在的实际值称为真值。真值是一个理想状态下的值，一般来说，是无法精确得到的。在实际测量时，由于实验方法和实验设备的不完善、周围环境的影响以及人们认知能力的限制等因素，使得测量值与真值之间不可避免地存在着差异。测量值与真值之间的差值称为测量误差。一、测量误差及表达方法（二）测量误差的表示方法

一、测量误差及表达方法（二）测量误差的表示方法测量误差的表示方法主要有绝对误差、相对误差、引用误差和基本误差四种。3.引用误差在使用仪器仪表测量的过程中，由于仪器本身精度不同，测量误差也有一定的差别。引用误差用来表示仪器仪表示值的相对误差。引用误差是指仪器仪表某一刻度点的示值误差（绝对误差）与仪表满量程之比，即式中，xm表示仪表满量程或量程上限；|Δx|表示示值误差即刻度点的绝对误差；γm表示引用误差，也称为满度相对误差。4.基本误差基本误差是指传感器或仪表在规定的标准条件下所具有的误差。例如，某传感器是在电源电压（220±5）V、电网频率（50±2）Hz、环境温度（20±5）℃、湿度65%±5%的条件下标定的。如果传感器在这个条件下工作，则传感器所具有的误差为基本误差。二、测量误差产生的来源理论误差是指因测量时所依据的理论不够严密或者用近似值、近似公式计算的测量结果所产生的误差。方法误差是指当测量方法不合理时，所产生的误差。（三）理论误差和方法误差仪器误差是指测量仪器在长期使用过程中因磨损、疲劳、老化等因素，使测量结果产生误差。（一）仪器误差人员误差是指因测量人员感官反应速度、分辨能力、固有习惯、视觉疲劳和缺乏责任心等因素，在测量过程中，出现观察判断错误、仪器操作不当或识读错误等情况引起的误差。（四）人员误差影响误差是指因各种环境因素，如湿度、温度、振动、电磁场、电源电压等，与设计测量要求的条件不一致而引起的误差。（二）影响误差三、测量误差的分类系统误差一般由仪器本身设计制造上的缺陷导致，也可能是由周围的环境与测量仪器需求的条件不一致等造成的。（一）系统误差对同一被测量进行多次重复测量时，若误差的大小随机变化，没有规律，不可预料，那么这种误差称为随机误差，也称为偶然误差。（二）随机误差在一定条件下，当测量结果明显偏离其实际值时所对应的误差，称为过失误差或粗大误差。这类误差是由于测量者疏忽大意或环境条件的突然变化而引起的。（三）过失误差四、测量误差的分析与处理（一）系统误差的分析与处理查找系统误差的根源，需要对测量设备、测量对象和测量系统做全面分析，明确其中有无产生明显系统误差的因素，并采取相应措施予以修正或消除。一般主要从以下几个方面进行分析考虑。（1）所用传感器、测量仪表或组成元件是否准确可靠。（2）测量方法是否完善。（3）传感器或仪表安装、调整或放置是否正确合理。（4）传感器或仪表工作场所的环境条件是否符合规定条件。（5）测量者的操作是否正确。四、测量误差的分析与处理（一）系统误差的分析与处理消除系统误差的方法主要有如下几点。（3）在测量系统中采用补偿措施。（1）在测量结果中进行修正。（2）消除系统误差的根源。（4）实时反馈修正。四、测量误差的分析与处理（二）随机误差的分析与处理在测量中，当系统误差已设法消除或减小到可以忽略的程度时，如果测量数据仍有不稳定的现象，则说明存在随机误差。在等精度测量的情况下，得到n个测量值x1，x2，…，xn，如这些数据只含有随机误差，则它们服从一定的统计规律，如对称性、单峰性、有界性和相消性等特点，多数情况下服从正态分布。它们的算术平均值可作为等精度多次测量的结果。（三）过失误差的分析与处理在对重复测量所得的一组测量值进行数据处理之前，首先应将具有过失误差的可疑数据找出来加以剔除，其原则是要看这个可疑值误差是否仍处于随机误差的范围之内，是则留，不是则弃。五、传感器的选用原则（三）根据频率响应特性选择（一）根据测量对象与测量环境确定类型（二）根据灵敏度选择（四）根据传感器的线性范围选择五、传感器的选用原则05（五）根据传感器的稳定性选择06（六）传感器的精度不可忽视感谢观看传感器应用技术北京出版社目录CONTNETS1初识传感器2温度传感器3湿度传感器4力敏传感器5光敏传感器目录CONTNETS6气敏传感器7磁敏传感器8超声波传感器9无线传感器网络项目二温度传感器01认识温度传感器一、温度与温标温度是表征物体冷热程度的物理量，它是国际单位制7个基本量之一。温度以热平衡为基础，如果两个相接触物体的温度不同，它们之间就会产生热交换，热量将从温度高的物体向温度低的物体传递，直到两个物体达到相同的温度为止。（一）温度用来度量物体温度数值的标尺称为温标。它规定了温度读数的起点（零点）和测量温度的基本单位。目前，国际上规定的温标有摄氏温标（℃)、华氏温标（℉)、热力学温标（K）和国际实用温标。1.摄氏温标2.华氏温标3.热力学温标4.国际实用温标（二）温标0102为什么温度计可以测量温度？二、温度传感器的定义及原理温度传感器的物理原理为随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化；蒸气压的温度变化；电极的温度变化；热电偶产生的电动势；光电效应；热电效应；介电常数、磁导率的温度变化；物质的变色、溶解；强性振动温度变化；热放射和热噪声。（二）温度传感器的原理温度传感器是将温度变化转换为电量变化的材料、器件或装置，利用敏感元件的电参数随温度变化而变化的特征达到测量目的。（一）温度传感器的定义三、温度传感器的分类（一）按敏感元件是否与被测量接触分类1.接触式温度传感器2.非接触式温度传感器接触式温度传感器直接与被测物体接触进行温度测量，其具有体积小、准确度高、复现性和稳定性好等优点，但测量上限受感温元件耐温程度的限制，测温范围一般为-270～1800℃，如热电偶、热电阻及集成温度传感器。非接触式温度传感器主要利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其优点是：测量上限不受感温元件耐温程度的限制，理论上可测温度没有上限；同时，这类传感器不会从被测物体上吸收热量，不会干扰被测对象的温度场，连续测量不会产生消耗，反应快。但是其制造成本较高，测量精度却较低。三、温度传感器的分类（二）按物理现象分类按照物理现象，温度传感器可以细分为多种，具体如表2-1所示。三、温度传感器的分类（三）按测量温度范围分类按照测量温度范围，温度传感器可分为超高温用传感器、高温用传感器、中高温用传感器、中温用传感器、低温用传感器、极低温用传感器等，如表2-2所示。三、温度传感器的分类（四）按测温特性分类按照不同的测温特性，温度传感器可分为线性型传感器、指数型传感器和开关型传感器三大类，如表2-3所示。02常见的温度传感器一、热电阻式温度传感器（一）热电阻1.常用热电阻热电阻大多用纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜。（1）铂热电阻。铂热电阻是以铂作为感温材料制成的感温元件、内引线和保护管组成的一种温度检测器，通常还带有与外部测量、控制装置及机械装置连接的部件。（2）铜热电阻。铜热电阻是根据金属在温度变化时本身电阻也随之发生变化的原理来测量温度的仪器。2.热电阻的测量电路热电阻的测量电路有二线式、三线式和四线式。其中，二线式适用于印制电路板上，测量回路与传感器不太远的情况。在距离较远时，为消除引线电阻受环境温度影响造成的测量误差，需要采用三线式或四线式接法。热电阻式温度传感器工作原理一、热电阻式温度传感器（二）热敏电阻热敏电阻是敏感元件的一类，大部分热敏电阻是由各种氧化物按一定比例混合而成的。1.热敏电阻的外形结构及图形符号（1）灵敏度较高。（2）工作温度范围宽。（3）体积小。（4）使用方便。（5）易加工成复杂的形状。（6）稳定性好、过载能力强。2.热敏电阻的主要特点标称电阻值（R25）：热敏电阻在25℃时的电阻值。4.热敏电阻的主要技术指标热敏电阻作为一种新型的半导体测温元件，其典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻（PTC）和负温度系数热敏电阻（NTC）。3.热敏电阻的热电特性01040302单击此处添加大标题二、热电偶式温度传感器（一）热电偶的结构热电偶的结构形式通常有普通热电偶、铠装热电偶和薄膜热电偶等。普通热电偶在工业上使用最多，它是由金属热电极、绝缘管、保护管及接线盒等部分组成。1.普通热电偶铠装热电偶是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管等经拉伸加工而成的坚实组合体。2.铠装热电偶用真空蒸镀、化学涂层等工艺，将热电极材料沉积在绝缘基板上形成的一层金属薄膜。3.薄膜热电偶二、热电偶式温度传感器（二）常用热电偶常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差，并有统一的标准分度表的热电偶，有与其配套的显示仪表可供选用。非标准热电偶在使用范围或数量级上均不及标准热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。自1988年1月1日起，我国的热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准热电偶为我国统一设计型热电偶。常用的热电偶的主要性能和特点如表2-7所示。二、热电偶式温度传感器（二）常用热电偶1.热电偶分度表在使用没有温度指示的热电偶温度传感器时，要根据传感器输出电压值推算出相应的温度值。2.热电偶冷端补偿（1）冷端恒温法。0℃恒温器：将热电偶的冷端置于温度为0℃的恒温器内。其他恒温器：将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使之保持温度恒定。这类恒温器的温度并非0℃，需对热电偶进行冷端温度修正。（2）计算修正法。根据中间温度定律公式，可以利用公式计算并修正测量误差，即（四）热电偶的使用热电效应于1821年由SeeBeck（塞贝克）发现，故又称为塞贝克效应。由两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热电势”。热电势由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势两部分组成。（三）热电偶的工作原理三、集成温度传感器（一）模拟集成温度传感器（二）数字集成温度传感器模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一片芯片上，可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成温度传感器的主要特点：数字集成温度传感器是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部都包含功能单一（仅测量温度）、测温误差小价格低、响应速度快传输距离远、体积小、微功耗等温度传感器、A/D转换器信号处理器存储器（或寄存器）接口电路四、PN结温度传感器（一）PN结的温度特性采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体基片上，在它们的交界面形成的空间电荷区称为PN结。PN结的主要特性是具有单向导电性，即PN结加正向电压时导通，加反向电压时截止。但二极管或三极管PN结的结电压也具有随温度变化而变化的特性。例如，硅二极管PN结的结电压在温度每升高1℃时，下降大约-2mV。典型的硅材料PN结的温度特性曲线如图2-13所示。利用这种温度特性，一般可以直接采用二极管（如玻璃封装的硅开关二极管IN4148）或采用硅三极管（可将集电极和基极短接）接成二极的形式来做PN结温度传感器。四、PN结温度传感器（二）PN结温度传感器的特点与应用PN结温度传感器具有较小的线性度，尺寸小，热时间常数小，灵敏度高（约-2mV/℃），测温范围为-50～+150℃。但同一型号的二极管或三极管相应的特性也不同，互换性较差。另外，通过PN结的电流不能过大，否则会因为电流过大引起自身温升而影响测量精度。PN结温度传感器可用于温度报警电路，也可与数字显示表头组合构成数字显示温度测量仪表，还可与单片机组合（需接入A/D转换电路）构成温度自动测量与控制系统。03温度传感器的应用一、铂热电阻测温图2-14为采用EL-700（1002）铂热电阻的测温电路，测温范围为20～120℃。小贴士相应的输出电压为0～2V，输出电压可直接输入单片机作为显示及控制信号[若单片机无A/D转换器，则需经双积分型单片CMOS3（1/2）位A/D转换器5G14433后再输入]。铂热电阻接在测量电桥中，为减少因连接线过长而引起的测量误差，应该采用三线制。由A1进行信号放大，放大后的信号经A2组成的低通滤波器滤去无用杂波。调整时采用标准电阻箱来代替传感器。当t=20℃时，调节RP1，使输出Uo=0V；当t=120℃时，调节RP2，使Uo=2.0V。二、热敏电阻温度报警图2-15为一开水壶自动报警电路，由与非门集成电路块及热敏电阻为核心。在水温未达到预设值之前，热敏电阻RT的阻值较小，IC输入的与非门IC的输入电压低于阈值电压，蜂鸣片B不会报警。当水温上升到沸点时，RT的阻值迅速增大，并超过阈值电压，约30s后，IC输出音频信号，B发出水开报警声。调整RP1阻值能改变这一电路的报警温度，RP1阻值大，报警温度高，反之则低。三、热电偶温度检测图2-16为热电偶温度检测系统。该系统采用镍铬-镍硅（K分度）热电偶作为温度传感器。冷端处于室温，热端为加热炉温度，单片机的A/D通道可以直接采集热电偶信号，经冷端温度补偿后，再查K型热电偶分度表（表2-8），则可以得到热端温度值。室温的测量可以通过AD590将室温变化为电压信号，经放大后直接送给单片机的A/D通道，单片机程序自动完成热电偶信号和冷端信号的采集，计算出实际的温度测量值。四、集成温度传感器温度监控利用MAX6654可对PC、笔记本计算机和服务器中CPU的温度进行监控，图2-17是应用MAX6654对CPU温度进行监控的典型应用电路。远程传感器采用2N3904型低噪声晶体管，并贴于CPU芯片上，C1为消噪电容，R1和C2构成高频干扰滤波器，R2～R4为上拉电阻。单片机通过总线与MAX6654相连，为其提供串行时钟，并进行数据读/写操作。当CPU温度超限时，ALERT端有低电平报警信号输出，使单片机产生中断，再由单片机控制驱动散热风扇给CPU降温。而环境温度可由MAX6654中内置温度传感器进行检测。感谢观看传感器应用技术北京出版社目录CONTNETS1初识传感器2温度传感器3湿度传感器4力敏传感器5光敏传感器目录CONTNETS6气敏传感器7磁敏传感器8超声波传感器9无线传感器网络项目三湿度传感器01认识湿度传感器一、湿度湿度是指空气中水蒸气含量的物理量，常用绝对湿度、相对湿度、露点等表示。绝对湿度是指单位体积空气内所含水蒸气的质量，也就是指空气中水蒸气的密度，一般用1m3空气中所含水蒸气的克数表示，即Ha=mv/V。其中，mv为待测空气中水蒸气的质量；V为待测空气的总体积，单位为g/m3。相对湿度是指空气中实际所含水蒸气的分压(PW)和同温度下饱和水蒸气的分压(PN)的百分比，即HT=(PW/PN)×100%。通常，用RH（%）表示相对湿度。当温度和压力变化时，因饱和水蒸气变化，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。日常生活中所说的空气湿度，实际上是指相对湿度。二、湿度传感器的定义（3）使用范围广，测量精度高。（1）使用寿命长，稳定性好。（4）响应迅速。（2）灵敏度高，线性度好，温度系数小。二、湿度传感器的定义（5）湿滞回差小，重现性好。（7）器件的一致性和互换性良好，易于批量生产，成本低。（6）能在恶劣环境中使用，具备抗腐蚀、耐低温和高温等特性。（8）器件感湿特征量（如电阻、电容、频率等）应在易测范围内。三、湿度传感器的分类根据使用材料的不同，水分子亲和力型湿度传感器可分为以下四类。（1）电解质型。（2）陶瓷型。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。（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。（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二极管湿敏器件和MOSFET湿敏器件等。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。四、湿度传感器的特性参数湿度传感器的特性参数主要有：湿度量程、灵敏度、温度系数、响应时间等。（1）湿度量程。它是指湿度传感器能够较精确测量的环境湿度的最大范围。（2）灵敏度。湿度传感器的灵敏度即其感湿特性曲线的斜率。（4）响应时间。它表示当环境湿度发生变化时，传感器完成吸湿或脱湿以及动态平衡过程所需时间的特性参数。（3）温度系数。它的定义为在器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。0104030202常见的湿度传感器一、电阻式湿度传感器氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。该元件的结构如图3-1所示，由感湿层、电极和基片等组成。氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂（LiCl）溶液中，Li和Cl均以正负离子的形式存在，而Li离子对水分子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。当溶液置于一定的温湿场中，若环境相对湿度高，溶液将吸收水分，使浓度降低，其溶液电阻率随之增高；反之，环境相对湿度变低时，溶液浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。氯化锂湿敏电阻的特性曲线如图3-2所示。由图3-2可知，在50%～80%相对湿度范围内，电阻与湿度的变化成线性关系。为了扩大湿度测量的线性范围，可以将多个氯化锂含量不同的器件组合使用，如将测量范围分别为（10%～20%）RH、（20%～40%）RH、（40%～70%）RH、（70%～90%）RH和（80%～99%）RH五种元件配合使用，就可自动地转换完成整个湿度范围的湿度测量。（一）氯化锂湿敏电阻一、电阻式湿度传感器半导体陶瓷湿敏电阻（图3-3），通常是用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成的多孔陶瓷。这些材料有ZnO-Li2O-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO_x0002_Cr2O3系、Fe3O4等，前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种材料的电阻率随湿度增大而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷。为叙述方便，有时将半导体陶瓷简称为半导瓷。半导体陶瓷湿敏电阻是由多孔感湿陶瓷薄片的两面加上两个电极，再焊出引线，外面围绕镍镉加热丝，并由引脚引出，把它们固定在绝缘陶瓷底座上组成，如图3-3所示。（二）半导体陶瓷湿敏电阻二、电容式湿度传感器电容式湿度传感器是利用湿敏元件的电容值随湿度变化的原理进行湿度测量的传感器。这类湿敏元件实际上是一种吸湿性电介质材料的介电常数随湿度而变化的薄片状电容器。吸湿性电介质材料（感湿材料）主要有高分子聚合物（如乙酸丁酸纤维素和醋酸丙酸纤维素）和金属氧化物（如多孔氧化铝）等。其结构如图3-4所示。当环境相对湿度增大时，环境气氛中的水分子沿着电极的毛细微孔进入感湿膜表面被吸附，使两块电极之间的介质相对介电常数大幅增加（水的相对介电常数为80），所以电容量增大。而感湿膜只有一层呈微孔结构的薄膜，因此吸湿和脱湿容易。因此这类传感器的响应速度快。典型的产品有Honeywell公司的集成湿度传感器HIH3602L，以及Humirel公司的HS1101/HS1101LF等。三、集成湿度传感器（二）线性频率输出集成湿度传感器线性频率输出集成湿度传感器的典型产品为HF3223，在55%RH时的输出频率为8750Hz，当相对湿度从10%变化到95%时，输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、价格低等优点，便于与数字电路或单片机等搭配。（一）线性电压输出式湿度传感器线性电压输出式湿度传感器的典型产品有IH3605、HIH-4000系列等，其中，HIH-4000系列测湿传感器，是一款低成本、可软焊的单个直插式组件（SIP），是线性电压输出式集成湿度传感器，可直接输入控制器或其他装置。一般仅需取出200A电流，HIH-4000系列测湿传感器能理想地用于低功耗电池供电系统。该传感器具有良好的互换性，减少或消除OEM（原始设备制造商）的生产校验成本，可以提供单个传感器校准数据。03湿度传感器的应用一、湿度传感器的应用（五）精密仪器的使用保护许多精密仪器、设备对工作环境要求较高。环境湿度必须控制在一定范围内，以保证它们的正常工作，提高工作效率及可靠性。（四）物品储藏各种物品对环境均有一定的适应性。湿度过高或过低均会使物品丧失原有性能。