濕敏電阻是利用濕敏材料吸收空氣中的水分而導致本身電阻值發(fā)生變化這一原理而制成的。工業(yè)上流行的濕敏電阻主要有氯化鋰濕敏電阻,有機高分子膜濕敏電阻。工業(yè)上流行的濕敏電阻主要有:
1、半導體陶瓷濕敏元件;
2、氯化鋰濕敏電阻;
3、有機高分子膜濕敏電阻 。
濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜,當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時,元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化,利用這一特性即可測量濕度 。濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的,常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。當環(huán)境濕度發(fā)生改變時,濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化,使其電容量也發(fā)生變化,其電容變化量與相對濕度成正比 。
濕敏電阻的工作原理:
濕敏電阻式傳感器主要由感濕層3、電極4和具有一定機械強度的絕緣基片2組成,如圖1所示。感濕層在吸收了環(huán)境中的水分后引起兩電極間電阻值的變化,這樣就將相對濕度的變化轉換成電阻值的變化。
濕敏電阻結構示意圖
濕敏電阻只能用交流的,直流會導致濕敏失效,因為直流的電場會導致高分子材料中的帶電粒子偏向兩極,一定時間以后濕敏電阻就會失效。所以必須用交流維持其動態(tài)平衡,這也是為什么測濕敏電阻阻值要用電橋而不能用普通萬用表的原因。
水分子是極性分子,在直流電場中會分解為H2及O2,影響測量,并且在濕度傳感器中存在導電離子,在高濕情況下,如采用直流電會漂移,造成電導率漂移,影響傳感器的使用壽命。可采用RC充放電,計時方式,有些芯片有RFC功能,亦可使用,或用IC直接產生1KHZ方波,疊加在采樣電阻與濕度傳感器之上,通過AD,在正周期內測量分壓亦可。或采用模擬電路,通過對數(shù)運算進行R/V轉換,再AD采樣。
濕敏電阻的應用:
濕敏電阻器廣泛應用于洗衣機、空調器、錄像機、微波爐等家用電器及工業(yè)、農業(yè)等方面作濕度檢測、濕度控制用。如圖所示,是濕度檢測器電路原理圖。
濕度檢測器電路原理圖
圖2所示電路中,由555時基電路、濕度傳感器CH等組成多諧振蕩器,在振蕩器的輸出端接有電容器C2,它將多諧振蕩器輸出的方波信號變?yōu)槿遣ā.斚鄬穸茸兓瘯r,濕度傳感器CH的電容量將隨著改變,它將使多諧振蕩器輸出的頻率及三角波的幅度都發(fā)生相應的變化,輸出的信號經(jīng)VD1,VD2整流和C4濾波后,可從電壓表上直接讀出與相對濕度相應的指數(shù)來。Rp電位器用于儀器的調零。
氯化鋰濕敏電阻
多片電阻組合式氯化鋰濕敏傳感器是利用濕敏元件的電氣特性(如電阻值),隨濕度的變化而變化的原理進行濕度測量的傳感器,濕敏元件一般是在絕緣物上浸漬吸濕性物質,或者通過蒸發(fā)、涂覆等工藝制各一層金屬、半導體、高分子薄膜和粉末狀顆粒而制作的,在濕敏元件的吸濕和脫濕過程中,水分子分解出的離子H+的傳導狀態(tài)發(fā)生變化,從而使元件的電阻值隨濕度而變化。
氯化鋰濕度傳感器具有穩(wěn)定性、耐溫性和使用壽命長多項重要的優(yōu)點,氯化鋰濕敏傳感器已有了五十年以上的生產和研究的歷史,有著多種多樣的產品型式和制作方法,都應用了氯化鋰感濕液具備的各種優(yōu)點尤其是穩(wěn)定性最強,氯化鋰濕敏器件屬于電解質感濕性材料,在眾多的感濕材料之中,首先被人們所注意并應用于**濕敏器件,氯化鋰電解質感濕液依據(jù)當量電導隨著溶液濃度的增加而下降。電解質溶解于水中降低水面上的水蒸氣壓的原理而實現(xiàn)感濕。
氯化鋰感濕基片的結構為選用絕緣材料的襯底,在上方制作一對金屬電極,涂覆一層電解質溶液感濕膜,氯化鋰是典型的離子晶體,屬于非親合型電解質,氯化鋰溶液中,Li+對極性水分子的吸引力極強,離子水分程度最高。氯化鋰感濕膜由氯化鋰和聚乙烯醇混合制作,其主要特性:
(1) 是可在120度高溫環(huán)境中穩(wěn)定工作,這一點是其他高分子電容是濕度傳感器不可比擬的;
(2)氯化鋰濕敏元件線性測濕量程較窄大約在20%RH左右,在該測量范圍內,其線性誤差小于2%RH。所以,在全范圍濕度測量環(huán)境中要想達到高精度的濕度測量,目前普遍采用的單片濕敏元件測量方法就很難實現(xiàn)了。
有機高分子膜濕敏電阻
濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜,當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時,元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化,利用這一特性即可測量濕度。濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的,常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。當環(huán)境濕度發(fā)生改變時,濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化,使其電容量也發(fā)生變化,其電容變化量與相對濕度成正比。
電子式濕敏傳感器的準確度可達2-3%RH,這比干濕球測濕精度高。濕敏元件的線性度及抗污染性差,在檢測環(huán)境濕度時,濕敏元件要長期暴露在待測環(huán)境中,很容易被污染而影響其測量精度及長期穩(wěn)定性。這方面沒有干濕球測濕方法好。
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