湿度是气氛中所含水蒸气的量,表明气氛的干湿程度,常用绝对湿度和相对湿度表示。绝对湿度(absolute humidity)是在一定的温度及压力下,每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量,用符号AH表示;相对湿度(relative humidity)指被测的水蒸气气压占相同温度下饱和水蒸气气压的百分比。相对湿度给出气氛的潮湿程度,是一个无量纲的值,用符号%RH表示。
能感受气氛中的水蒸气含量并将其转换成可用输出信号的传感器。
湿度是气氛中所含水蒸气的量,表明气氛的干湿程度,常用绝对湿度和相对湿度表示。绝对湿度(absolute humidity)是在一定的温度及压力下,每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量,用符号AH表示;相对湿度(relative humidity)指被测的水蒸气气压占相同温度下饱和水蒸气气压的百分比。相对湿度给出气氛的潮湿程度,是一个无量纲的值,用符号%RH表示。
人们对湿度传感器的研究可以追溯到15世纪,达·芬奇利用棉花吸附水分子重量会发生改变的特性,发明了世界上第一个测量湿度的装置。自1783年底瑞士科学家H.B.德索修尔(H.B.de Saussure)发明了毛发湿度计以来,湿度测量技术的发展已有二百多年历史。而人们对湿敏元件的认识是从1938年美国科学家F.W.邓莫尔(Francis W.Dunmore)研制成功浸涂式氯化锂湿敏元件才开始的。这个装置是基于水分吸收后氯化锂溶解度变化而引起的离子导电率变化来检测湿度。但该器件稳定性较差,一般用于低湿环境中。20世纪50年代,高分子湿度传感器应运而生,有电阻式和电容式两种结构,随后,基于各类高分子材料的湿度传感器广泛应用。60年代,三氧化二铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)等其他陶瓷基湿度传感器出现,具有化学稳定性好,耐高温,价格低的特点。湿度传感器的发展历经了电解质、高分子、陶瓷为敏感膜的几个阶段,改进敏感膜的性能在湿度传感器上起着举足轻重的作用。
通常由3部分组成:①对湿度具有识别能力的信息感知部分,如敏感材料或器件等,这是湿度传感器的核心部分。②能够将识别元件感受的湿度信息转化为容易识别光电信号的信号转换部分。③信号处理和显示部分。湿度传感器是基于环境中的水分子在敏感材料表面吸附产生的电阻、电容和谐振频率等的变化以及这些变化和环境湿度具有明确函数关系来检测湿度的。
按照感湿材料可分为陶瓷式、半导体式、电解质式、有机高分子式和其他类型的湿度传感器。按照输出信号可分为电阻型、电流型、电阻开关型、电容型和表面电位型等。还有一些其他类型湿度传感器,如微波湿度传感器、红外湿度传感器、光线式湿度传感器等。见表。
陶瓷湿度传感器 | 烧结型 | MgCr2O4-TiO2系湿度传感器 |
ZnO-Cr2O3-Li2O系湿度传感器 | ||
厚膜型 | ZrO2-Y2O2系湿度传感器 | |
薄膜型 | TiO2-V2O5系湿度传感器 | |
Zn3(PO4)2·4H2O系湿度传感器 | ||
有机高分子湿度传感器 | 电阻型 | 聚苯乙烯磺酸盐系湿度传感器 |
电容型 | 醋酸丁酯纤维素系湿度传感器 | |
聚纤亚铵系湿度传感器 | ||
电阻开关型 | 丙烯酸聚合物+C粉系结露传感器 | |
半导体湿度传感器 | 电阻型 | Se烧结系湿度传感器 |
Ni1-xFe2+xO4系湿度传感器 | ||
表面电位型 | AET型湿度传感器 | |
MOSFET型湿度传感器 | ||
电解质湿度传感器 | 电阻型 | LiCl型湿度传感器 |
电流型 | ZrO2-Y2O3型湿度传感器 | |
其他类型湿度传感器 | 尺寸变化湿度传感器 | |
干湿球湿度传感器 | ||
微波球湿度传感器 | ||
红外湿度传感器 | ||
石英震动式湿度传感器 | ||
声表面波湿度传感器 | ||
热导式湿度传感器 | ||
光纤式湿度传感器 |
陶瓷湿度传感器是湿度传感器中最大的一类,品种繁多。按制作工艺可分为涂覆膜型、烧结体型、厚膜型、薄膜型及MOS型等。涂覆膜型湿度敏感元件是把感湿粉料(金属氧化物)调浆,涂覆在已制好的梳状电极或平行电极的滑石瓷、氧化铝或玻璃等基板上。四氧化三铁、五氧化二矾及三氧化二铝等湿敏元件均属此类。比较典型且性能较好的是四氧化三铁(Fe3O4)湿敏元件。烧结体型是通过典型的陶瓷工艺制成的,将颗粒大小处于一定范围的陶瓷粉料外加利于成型的结合剂和增塑剂等,用压力扎膜、流延或注浆等方法成型,然后在适合的烧成条件下,于规定的温度和气氛下烧成。薄膜型湿敏元件主要有氧化铝薄膜湿敏元件和钽电容湿敏元件,氧化铝测湿的原理主要是多孔的三氧化二铝薄膜易于吸收空气中的水蒸气,从而改变其本身的介电常数,由三氧化二铝做电介质构成的电容器的电容值,将随空气中水蒸气分压而变化。电容式湿敏元件采用氧化钽为感湿材料,是在钽丝上阳极氧化一层氧化钽薄膜,膜上还有一层含防水剂的二氧化锰层,作为一对电极的导电层,考虑到对油烟、灰尘等应用环境的适应性,还装有活性炭纸过滤器,使之适于测量腐蚀性气体的湿度。
有机高分子湿度传感器。随着高分子化学和有机合成技术的发展,用高分子材料制作化学感湿膜的湿敏元件日益增高,并已成为湿敏元件生产中一个重要分支。常见的有胀缩性湿敏元件、薄膜湿敏元件等。高分子电容式湿敏元件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,具有感湿的高分子聚合物如乙酸-丁酸纤维素和乙酸-丙酸纤维素等,做成薄膜,具有吸湿和脱湿的能力。薄膜覆盖在叉指形金电极上,而后在感湿薄膜表面上蒸镀一层多孔金属膜,构成一个平行板电容器。当环境中的水分子沿上电极的毛细微孔进入感湿膜而被吸附时,湿敏元件的电容值与相对湿度之间具有正比关系。
电解质湿度传感器湿敏元件中主要包括潮解性盐的元件、非溶性盐薄膜元件和离子交换树脂型元件,即无机电解质和高分子电解质湿敏元件两大类。无机电解质湿度传感器典型的是氯化锂湿敏元件,感湿原理为不挥发性盐(加氯化锂)吸附水,导致电解质的电导率增加。利用这个特性,在绝缘基板上制作一对金属电极,其上面再涂覆一层电解质溶液,即可形成一层感湿膜。感湿膜可随空气中湿度的变化而吸湿或脱湿,同时引起感湿膜电阻的改变,通过对感湿膜电阻的测试和标定,可知环境的湿度。
广泛应用于暖通空调(HVAC)、可变风量空调系统(VAV)、办公自动化、干燥除湿系统、服务器机房、医疗设备及装置、食品存储、气象测量、环境测试、制冷设备等场合。
湿度传感器的发展主要有两个方向:①湿敏元件及制造工艺的发展。②向集成化、智能化、网络化及微型化方向发展。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,定义了通信协议,并得到了广泛的应用。从感湿材料,发掘新材料和修饰传统的材料作为湿度传感膜得到越来越广泛的关注。