《传感器应用技术》电子课件 2-9湿度传感器

湿度传感器课件α粒子带正电荷由两粒带正电荷的质子和两粒中性的中子组成相等于一个氦原子核由于带正电荷它会受电磁场影响在自然界内大部份的重元素原子序数为82或以上都会在衰变时释放它例如铀和镭由于α粒子的体积比较大又带两个正电荷很容易就可以电离其他物质因此它的能量亦散失得较快穿透能力在众多电离辐射中是最弱的人类的皮肤或一张纸已能隔阻α粒子不过如果人类吸入或进食具有α粒子放射性的物质譬如吸入了辐射烟羽α粒子就能直接破坏内脏细胞它的穿透能力虽然弱但由于它的电离能力很强它对生物所造成的危害并不下于其他辐射β粒子是高速的电子由于带负电荷会受电磁场影响它的体积比α粒子细得多穿透能力则比α粒子强需要一块几毫米厚的铝片才可以阻挡它很多放射性物质都会在衰变时放出β粒子放射性元素的半衰期长短差别很大短的远小于一秒长的可达数万年利用物质吸收水分子而导电率发生变化检测湿度潮解指的是物质在空气中吸收水分使得表面逐渐变得潮湿滑润最后物质就会从固体变为该物质的溶液反映湿度传感器温度特性的一个比较直观实用的物理量氯化锂湿敏电阻即电解质湿敏电阻利用物质吸收水分子而导电率发生变化检测湿度在氯化锂LiCl溶液中Li和Cl以正负离子的形式存在锂离子Li对水分子的吸收力强离子水合成度高溶液中的离子导能力与溶液浓度成正比溶液浓度增加导电率上升当溶液置于一定湿度场中若环境RH上升溶液吸收水分子使浓度下降电阻率ρ上升反之RH下降溶液吸收水分子使浓度上升电阻率ρ下降通过测量溶液电阻R值实现对湿度测量负湿敏特性半导体瓷湿敏电阻电阻随湿度增加而下降由于水分子中氢原子具有很强的正电场当水分子在半导体瓷表面吸附时可能从半导体瓷表面俘获电子使半导体表面带负电相当表面电势变负电阻率随湿度增加而下降 7电压特性加直流电会引起感湿体内水分子的电解使电导率随时间的增加而下降用湿度传感器测量湿度时不能用直流电压采用交流电压右图表示湿度传感器的电阻与外加交流电压之间的关系测试电压小于5V时电压对阻湿特性没有影响交流电压大于15V时由于产生焦耳热对湿度传感器的阻湿特性产生了较大影响因而一般湿度传感的使用电压都小于10V Lg R Ω 0 1 2 3 4 5 6 5 7 8 4 20℃ 100Hz 11 RH 33 RH 75 RH 100 RH UV 电阻－频率特性 20℃ 5V 11 RH 33 RH 100 RH Lg f Hz 0 1 2 3 4 5 6 5 7 8 4 75 RH Lg R Ω 8频率特性湿度传感器的阻值与外加电压频率的关系在高湿时频率对阻值的影响很小当低湿高频时随着频率的增加阻值下降对这种湿度传感器当电压频率小于103Hz时阻值不随使用频率而变化所以使用频率的上限为103Hz 湿度传感器的使用频率上限由实验确定直流电压会引起水分子的电解因此测试电压频率也不能太低三电解质湿度传感器电解质是以离子形式导电的物质分为固体电解质和液体电解质若物质溶于水中在极性水分子作用下能全部或部分地离解为自由移动的正负离子称为液体电解质电解质溶液的电导率与溶液的浓度有关而溶液的浓度在一定的温度下又是环境相对湿度的函数氯化锂湿度传感器的结构 A B B 钯丝 A 涂有聚苯乙烯薄膜的圆筒电解质氯化锂湿度传感器最为典型 0 30 60 90 001 01 1 10 R108Ω相对湿度①②③④⑤④ 10 LiCl ⑤ 22LiCl ③ 05 LiCl ② 025 LiCl ① PVAC 氯化锂湿度传感器的阻湿特性组合式氯化锂的阻湿特性 0 30 60 90 001 01 1 10 相对湿度 R108Ω把不同感湿范围的单片湿度传感器组合起来可制成相对湿度工作量程为20％～90％RH的湿度传感器四陶瓷湿度传感器利用半导体陶瓷材料制成优点测湿范围宽可实现全湿范围内的湿度测量工作温度高常温型工作温度在150℃以下高温型工作温度可达800℃响应时间较短精度高抗污染能力强工艺简单成本低典型产品是烧结型陶瓷湿敏元件是MgCr2O4－TiO2此外还有TiO2-V2O5ZnO－Li2O－V2O5ZnCr2O4ZrO2－MgOFe3O4Ta2O5等这类湿度传感器的感湿特征量大多数为电阻除Fe3O4外都为负特性湿度传感器即随着环境相对湿度的增加阻值下降也有少数陶瓷湿度传感器它的感湿特性量为电容 1结构感湿体是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷陶瓷的气孔大部分为粒间气孔气孔直径随TiO2添加量的增加而增大粒间气孔与颗粒大小无关相当于一种开口毛细管容易吸附水分材料的主晶相是MgCr2O4相此外还有TiO2相等感湿体是一个多晶多相的混合物陶瓷湿敏元件结构图护圈电极感湿陶瓷氧化钌电极加热器基板电极引线 2主要特性与性能 1电阻一湿度特性 MgCr2O4－TiO2陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特性随着相对湿度的增加电阻值急骤下降基本按指数规律下降在单对数的坐标中电阻湿度特性近似呈线性关系当相对湿度由0变为100％RH时阻值从108Ω下降到104Ω即变化了四个数量级 20 40 60 80 100 103 104 105 106 107 108相对湿度 RΩ 2电阻温度特性在不同的温度环境下测量陶瓷湿度传感器的电阻湿度特性从图可见从20℃到80℃各条曲线的变化规律基本一致具有负温度系数感湿负温度系数为–038％RH／℃如果要求精确的湿度测量需要对湿度传感器进行温度补偿 20 40 60 80 100 103 104 105 106 107 108 相对湿度 20℃40℃ 60℃ 80℃ RΩ MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的电阻温度特性MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的时间响应特性 20 40 60 80 100 0 10 20 30 94RH 50RH 1RH 50RH t s RH 3响应时间响应时间特性如图根据响应时间的规定从图中可知响应时间小于10s 4稳定性制成的MgCr2O4-TiO2陶瓷类湿度传感器需要实验高温负荷实验大气中温度150℃交流电压5V时间104h 高温高湿负荷试验湿度大于95％RH温度60℃交流电压5V时间104h 常温常湿试验[湿度 10～90 ％RH温度–10℃～＋40℃ ] 油气循环试验油蒸气加热清洗循环25万次交流电压5V经过以上各种试验大多数陶瓷湿度传感器仍能可靠地工作说明稳定性比较好五高分子湿度传感器有机高分子材料制成的湿度传感器主要是利用其吸湿性与胀缩性电容式湿度传感器高分子电介质吸湿后介电常数明显改变电阻式湿度传感器高分子电解质吸湿后电阻明显变化利用胀缩性高分子如树脂材料和导电粒子在吸湿之后的开关特性制成结露传感器一电容式湿度传感器1结构高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的基本结构高分子薄膜上部电极下部电极 2感湿机理与性能电容式高分子湿度传感器其上部多孔质的金电极可使水分子透过水的介电系数比较大室温时约为79感湿高分子材料的介电常数并不大当水分子被高分子薄膜吸附时介电常数发生变化随着环境湿度的提高高分子薄膜吸附的水分子增多因而湿度传感器的电容量增加根据电容的变化测得相对湿度 2响应特性高分子薄膜可以做得极薄响应时都很短一般都小于5s有的响应时间仅为1s 3电容一温度特性感湿特性受温度影响非常小在5℃～50℃范围内电容温度系数约为006％RH℃相对湿度 0 50 100 200 250 300 350 电容湿度特性 CpF f 15MHZ 1电容湿度特性电容随着环境温度的增加而增加基本上呈线性关系当测试频率为l5MHz 左右时其输出特性有良好的线性度对其它测试频率如1kHz10kHz尽管传感器的电容量变化很大但线性度欠佳可外接转换电路使电容湿度特性趋于理想直线二电阻式高分子膜湿度传感器 1结构聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的结构引线端感湿膜聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的结构梳状电极基片 2主要特性 1电阻湿度特性当环境湿度变化时传感器在吸湿和脱湿两种情况的感湿特性曲线如图在整个湿度范围内传感器均有感湿特性其阻值与相对湿度的关系在单对数坐标纸上近似为一直线吸湿和脱湿时湿度指示的最大误差值为 3～4 ％RH 1K 30 40 50 60 70 80 90 吸湿 10K 100K 1M 10M 相对湿度 R Ω脱湿Δ±3RH 电阻湿度特性 2温度特性聚苯乙烯磺酸锂的电导率随温度的变化较为明显具有负温度系数在 0～55 ℃时温度系数为–06％～–10％ RH℃ 0 40 20 104 60 80 100 50℃ 10 102 103 聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的湿度特性 25℃ 40℃ RΩ相对湿度 3其它特性聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的升湿响应时间比较长降湿响应时间比较短响应时间在一分钟之内有良好的稳定性存储一年后测量误差不超过2％RH可以满足器件稳定性的要求缺点含有机溶液气体的环境下测湿时器件易损坏不能用于80℃以上的高温六湿度传感器的测量电路一检测电路的选择 1电源选择电阻式湿度传感器必须使用交流电源否则性能会劣化甚至失效电解质湿度传感器的电导是靠离子的移动实现的在直流电源作用下正负离子必然向电源两极运动产生电解作用使感湿层变薄甚至被破坏在交流电源作用下正负离子往返运动不会产生电解作用感湿膜不会被破坏交流电源的频率选择在不产生正负离子定向积累情况下尽可能低一些在高频情况下测试引线的容抗明显下降会把湿敏电阻短路另外湿敏膜在高频下也会产生集肤效应阻值发生变化影响到测湿灵敏度和准确性 2．温度补偿湿度传感器具有正或负的温度系数其温度系数大小不一工作温区有宽有窄所以要考虑温度补偿问题对于半导体陶瓷传感器其电阻与温度的的关系一般为指数函数关系通常其温度关系属于NTC型即 H相对湿度 T绝对温度R0在T 0℃相对湿度H 0时的阻值 A湿度常数B温度常数温度系数＝湿度系数＝湿度温度系数＝若传感器的湿度温度系数为007％RH℃工作温度差为30℃测量误差为021％RH℃则不必考虑温度补偿若湿度温度系数为04％RH℃则引起12％RH℃的误差必须进行温度补偿 3．线性化湿度传感器的感湿特征量与相对湿度之间的关系不是线性的给湿度的测量控制和补偿带来了困难需要通过一种变换使感湿特征量与相对湿度之间的关系线性化下图为湿度传感器测量电路原理框图 A2 A1 A3 A4 A5 A6 _ _ 湿敏元件 R1 R2 R3 R4 R5 R6 RT USC C1 C2 C3 W 湿度传感器测量电路原理框图 D1 振荡器放大电路传感器驱动电路整流电路对数温补电路二典型电路电阻式湿度传感器其测量电路主要有两种形式 1．电桥电路振荡器对电路提供交流电源电桥的一臂为湿度传感器湿度变化使湿度传感器的阻值发生变化电桥失去平衡产生信号输出放大器可把不平衡信号加以放大整流器将交流信号变成直流信号由直流毫安表显示振荡器和放大器都由9V直流电源供给电桥法适合于氯化锂湿度传感器振荡器电桥放大器桥式整流电表指示直流电源9V 湿度传感器电桥测湿电路框图 100kΩ传感器湿度 3AX3 ╳ 2 10kΩ 100kΩ╳6 3DG6 2kΩ 2kΩ 22kΩ 9V 10μF 10μF 20μF 10μF 20μF 3kΩ╳2 U 10μF 51kΩ 51kΩ 100mA 便携式湿度计的实际电路 2．欧姆定律电路电路用于可承受较大电流的陶瓷湿度传感器由于测湿电路可以获得较强信号故可以省去电桥和放大器用市电作为电源降压变压器降压欧姆定律电路220V 22kΩ 51kΩ 3V 2AP9╳4 输入 Rd 插口 005μF╳2 3．带温度补偿的湿度测量电路在实际应用中需要同时考虑对湿度传感器进行线性处理和温度补偿常常采用运算放大器构成湿度测量电路下图为湿度测量电路中Rt是热敏电阻器 20kΩB 4100K RH为H204C湿度传感器运算放大器型号为LM2904该电路的湿度电压特性及温度特性表明在 30％～90％ RH15℃～35℃范围内输出电压表示的湿度误差不超过3％RH _ _ 1V 120HZ 51kΩ 91kΩ 22kΩ91kΩ RH 12V -12V D 20μF 47kΩ 100kΩ 100kΩ 330kΩ UOUT -VS Rt A2 A1 释义与简介声呐就是利用水中声波对水下目标进行探测定位和通信的电子设备是水声学中应用最广泛最重要的一种装置它是SONAR 一词的义音两顾的译称旧译为声纳SONAR是Sound Navigationand Ranging声音导航测距的缩写声呐技术至今已有100年历史它是1906年由英国海军的刘易斯·尼克森所发明他发明的第一部声呐仪是一种被动式的聆听装置主要用来侦测冰山这种技术到第一次世界大战时被应用到战场上用来侦测潜藏在水底的潜水艇目前声呐是各国海军进行水下监视使用的主要技术用于对水下目标进行探测分类定位和跟踪进行水下通信和导航保障舰艇反潜飞机和反潜直升机的战术机动和水中武器的使用此外声呐技术还广泛用于鱼雷制导水雷引信以及鱼群探测海洋石油勘探船舶导航水下作业水文测量和海底地质地貌的勘测等和许多科学技术的发展一样社会的需要和科技的进步促进了声呐技术的发展工作的原理声波是观察和测量的重要手段有趣的是英文sound一词作为名词是声的意思作为动词就有探测的意思可见声与探测关系之紧密在水中进行观察和测量具有得天独厚条件的只有声波这是由于其他探测手段的作用距离都很短光在水中的穿透能力很有限即使在最清澈的海水中人们也只能看到十几米到几十米内的物体电磁波在水中也衰减太快而且波长越短损失越大即使用大功率的低频电磁波也只能传播几十米然而声波在水中传播的衰减就小得多在深海声道中爆炸一个几公斤的炸弹在两万公里外还可以收到信号低频的声波还可以穿透海底几千米的地层并且得到地层中的信息在水中进行测量和观察至今还没有发现比声波更有效的手段结构与分类声呐装置一般由基阵电子机柜和辅助设备三部分组成基阵由水声换能器以一定几何图形排列组合而成其外形通常为球形柱形平板形或线列行有接收基阵发射机阵或收发合一基阵之分电子机柜一般有发射接收显示和控制等分系统辅助设备包括电源设备连接电缆水下接线箱和增音机与声呐基阵的传动控制相配套的升降回转俯仰收放拖曳吊放投放等装置以及声呐导流罩等换能器是声呐中的重要器件它是声能与其它形式的能如机械能电能磁能等相互转换的装置它有两个用途一是在水下发射声波称为发射换能器相当于空气中的扬声器二是在水下接收声波称为接收换能器相当于空气中的传声器俗称麦克风或话筒换能器在实际使用时往往同时用于发射和接收声波专门用于接收的换能器又称为水听器换能器的工作原理是利用某些材料在电场或磁场的作用下发生伸缩的压电效应或磁致伸缩效应声呐的分类可按其工作方式按装备对象按战术用途按基阵携带方式和技术特点等分类方法分成为各种不同的声呐例如按工作方式可分为主动声呐和被动声呐按装备对象可分为水面舰艇声呐潜艇声呐航空声呐便携式声呐和海岸声呐等主动声呐主动声呐技术是指声呐主动发射声波照射目标而后接收水中目标反射的回波以测定目标的参数大多数采用脉冲体制也有采用连续波体制的它由简单的回声探测仪器演变而来它主动地发射超声波然后收测回波进行计算适用于探测冰山暗礁沉船海深鱼群水雷和关闭了发动机的隐蔽的潜艇被动声呐被动声呐技术是指声呐被动接收舰船等水中目标产生的辐射噪声和水声设备发射的信号以测定目标的方位它由简单的水听器演变而来它收听目标发出的噪声判断出目标的位置和某些特性特别适用于不能发声暴露自己而又要探测敌舰活动的潜艇安装及运用传统上潜艇安装声呐的主要位置是在最前端的位置由于现代潜艇非常依赖被动声呐的探测效果巨大的收音装置不仅仅让潜艇的直径水涨船高原先在这个位置上的鱼雷管也得乖乖让出位置而退到两旁去其他安装在潜艇上的声呐型态还包括安装在艇身其他位置的被动声呐听音装置利用不同位置收到的同一讯号经过电脑处理和运算之后就可以迅速的进行粗浅的定位对于艇身较大的潜艇来说比较有利因为测量的基线较长准确度较高另外一种声呐称为拖曳声纳因为这种声呐装置在使用时以缆线与潜艇连接声呐的本体则远远的拖在潜艇的后面进行探测拖曳声呐的使用大幅强化潜艇对于全方位与不同深度的侦测能力尤其是潜艇的尾端这是因为潜艇的尾端同时也是动力输出的部分由于水流的声音的干扰位于前方的声呐无法听到这个区域的讯号而形成一个盲区使用拖曳声呐之后就能够消除这个盲区找出躲在这个区域的目标影响的因素影响声呐工作性能的因素除声呐本身的技术状况外外界条件的影响很严重比较直接的因素有传播衰减多路径效应混响干扰海洋噪声自噪声目标反射特征或辐射噪声强度等它们大多与海洋环境因素有关例如声波在传播途中受海水介质不均匀分布和海面海底的影响和制约会产生折射散射反射和干涉会产生声线弯曲信号起伏和畸变造成传播途径的改变以及出现声阴区严重影响声呐的作用距离和测量精度现代声呐根据海区声速--深度变化形成的传播条件可适当选择基阵工作深度和俯仰角利用声波的不同传播途径直达声海底反射声会聚区深海声道来克服水声传播条件的不利影响提高声呐探测距离又如运载平台的自噪声主要与航速有关航速越大自噪声越大声呐作用距离就越近反之则越远目标反射本领越大被对方主动声呐发现的距离就越远目标辐射噪声强度越大被对方被动声呐发现的距离就越远从科学的角度来说电磁波是能量的一种凡是能够释出能量的物体都会释出电磁波微波能通常由直流电或50MHz交流电通过一特殊的器件来获得可以产生微波的器件有许多种但主要分为两大类半导体器件和电真空器件电真空器件是利用电子在真空中运动来完成能量变换的器件或称之为电子管在电真空器件中能产生大功率微波能量的有磁控管多腔速战速调管微波三四极管行波管等在目前微波加热领域特别是工业应用中使用的主要是磁控管及速调管微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波是无线电波中一个有限频带的简称即波长在1米不含1米到1毫米之间的电磁波是分米波厘米波毫米波的统称微波频率比一般的无线电波频率高通常也称为超高频电磁波微波作为一种电磁波也具有波粒二象性．微波量子的能量为1 99×l0 -25～ 1．99×10-22j．1946年斯潘瑟还是美国雷声公司的研究员一个偶然的机会他发现微波溶化了糖果事实证明微波辐射能引起食物内部的分子振动从而产生热量1947年第一台微波炉问世顾名思义微波炉就是用微波来煮饭烧菜的微波是一种电磁波这种电磁波的能量不仅比通常的无线电波大得多而且还很有"个性"微波一碰到金属就发生反射金属根本没有办法吸收或传导它微波可以穿过玻璃陶瓷塑料等绝缘材料但不会消耗能量而含有水分的食物微波不但不能透过其能量反而会被吸收微波炉正是利用微波的这些特性制作的微波炉的外壳用不锈钢等金属材料制成可以阻挡微波从炉内逃出以免影响人们的身体健康装食物的容器则用绝缘材料制成微波炉的心脏是磁控管这个叫磁控管的电子管是个微波发生器它能产生每秒钟振动频率为245亿次的微波这种肉眼看不见的微波能穿透食物达5cm深并使食物中的水分子也随之运动剧烈的运动产生了大量的热能于是食物"煮"熟了这就是微波炉加热的原理用普通炉灶煮食物时热量总是从食物外部逐渐进入食物内部的而用微波炉烹饪热量则是直接深入食物内部所以烹饪速度比其它炉灶快4至10倍热效率高达80以上目前其它各种炉灶的热效率无法与它相比而微波炉由于烹饪的时间很短能很好地保持食物中的维生素和天然风味比如用微波炉煮青豌豆几乎可以使维生素C一点都不损失另外微波还可以消毒杀菌使用微波炉时应注意不要空"烧"因为空"烧"时微波的能量无法被吸收这样很容易损坏磁控管另外人体组织是含有大量水分的一定要在磁控管停止工作后再打开炉门提取食物微波炉的基本结构微波炉的基本外形和构造微波式传感器的组成微波振荡器和微波天线二微波传感器测量原理由发射天线发出的微波遇到被测物体时将被吸收或反射使功率发生变化若利用接收天线接收通过被测物或由被测物反射回来的微波并将它转换成电信号再由测量电路处理就实现了微波检测微波传感器可分为反射式与遮断式两种 1．反射式传感器通过检测被测物反射回来的微波或经过时间间隔来表达被测物的位置厚度等参数 2．遮断式传感器通过检测接收天线接收到的微波功率的大小来判断发射天线与接收天线间有无被测物或被测物的位置等参数三微波传感器的应用 1．微波液位计微波发射天线微波接收天线当发射功率波长增益均恒定时只要测得接收功率就可获得被测液面的高度 2．微波物位计 1 当被测物位较低时发射天线发出的微波束全部由接收天线接收经放大器比较器后发出正常工作信号2 当被测物位升高到天线所在的高度时微波束部分被吸收部分被反射接收天线接到的功率相应减弱经放大器比较器就可给出被测物位高出设定物位的信号观察者 R S 波源 u 观察者的运动速度 u波速波源和观察者相对静止时观察者接收到的波源的频率波源的运动速度波源和观察者相对运动时观察者接收到的波源的频率 3 观察者静止波源以速率运动 a波源朝向观察者以速度运动 u t时刻的波阵面 t1秒时刻的波阵面接收频率增高了 a波源与接收者相互靠近 u t时刻的波阵面 t1秒时刻的波阵面接收频率增高了4波源及观察者同时运动 a波源与接收者相互靠近 u t时刻的波阵面 t1秒时刻的波阵面接收频率增高了 4波源及观察者同时运动 b波源与接收者相互远离u t时刻的波阵面 t1秒时刻的波阵面接收频率降低了利用多普勒效应监测车速固定波源发出频率为v 100Hz 的超声波当汽车向波源行驶时与波源安装在一起的接收器接收到从汽车反射回来的波的频率为已知空气中的声速为。