濕敏傳感器已經廣泛地用于工業(yè)制造、醫(yī)療衛(wèi)生、林業(yè)和畜牧業(yè)等各個領域。在家用電器中用于生活區(qū)的環(huán)境條件監(jiān)控、食品烹調器具和干燥機的控制等等。表8.1中列出了陶瓷濕敏傳感器的主要應用領域，以及它們的工作溫度和可測控的濕度范圍。

陶瓷濕敏傳感器的有潛力的應用對象是家用空調器、微波爐、防止視頻錄像機的受潮以及一些其他家用電器。在種植業(yè)的暖房中，最佳的蔬菜生長條件不僅使植物的生長和成熟周期縮短了，而且通過濕度的調節(jié)可以防止有害病變的發(fā)生。在許多工業(yè)領域中需要進行干燥處理，通過控制相對濕度的方法，可以保持最佳的干燥條件，因而可以在節(jié)約能耗的條件下，確保被干燥產品的質量一致性。

食品味道的改變在很大程度上與其中水份含量有關，控制水份含量就能保持所生產食品的質量。在食品制造工業(yè)中，對生產線的在線過程全都需要對水份含量進行監(jiān)測。

濕敏傳感器同樣也用于電子工業(yè)。在生產工藝過程中必須對靜電事故給予特別的關注。靜電電荷的數(shù)量與濕度有直接關系，出于這個原因，在電子工業(yè)中必須將濕度調控在一個特定的范圍內。

表8.1陶瓷濕敏傳感器的應用

在廣泛使用濕度傳感器時，也必須考慮到，傳感器需要和測量電路連接使用，所以，對電路也要求能在足夠寬的濕度和環(huán)境溫度范圍內保持高精度和高穩(wěn)定性。

8.1.1  連接陶瓷濕敏傳感器的測量電路

利用陶瓷傳感器來測量濕度的方法有以下特點。傳感器在低濕度時電阻很大，并與濕度是一種指數(shù)關系。此外，在相對濕度從0%～100%的區(qū)間內，電阻可能變化3～6個數(shù)量級。由于大多數(shù)陶瓷濕敏傳感器具有極化現(xiàn)象，所以還需要對電源頻率有一定的要求。直流電橋電路雖然可以保證高精度，并且可以補償一些干擾因素，但在這里是不適用的。為消除極化效應，必須要用交流電源測量，所以陶瓷濕敏傳感器的測量只能選用適當?shù)慕涣麟姌?，并且必須同時一起考慮傳感器的二個參數(shù)——阻抗和容抗的變化，因為正如在第三章中已闡明的那樣，傳感器的等效電路是由并聯(lián)的電阻和電容構成的。這使對隨后的被測信號的分析處理工作復雜化。在有些應用領域中，濕度變化可以只用電阻或電容變化來表征，因而允許在經相應的電橋平衡后只測量其中一個參數(shù)的變化?；谶@里所討論的陶瓷濕敏傳感器的特性，現(xiàn)實中應用最廣的電路是下列二種：

模擬輸出的AC測量電路；

具有頻率/時間(PWM——脈沖寬度調制)輸出的轉換電路。

8.1.1.1  連接陶瓷濕敏傳感器的模擬輸出AC測量電路

AC測量電路的輸出是模擬信號，最常用的是電壓輸出。電路中通常有一個可設定頻率的交流發(fā)生器，它的信號經由轉換電路輸入傳感器，然后接到一個輸出放大器上。較完備一些的線路上還加接了線性化電路，以及用于補償溫度的修正電路。

圖8-1陶瓷濕敏傳感器與電壓分壓電路的連接圖

圖8-2陶瓷傳感器與濕度調節(jié)電路的連接

圖8-1示出了一個電壓輸出的陶瓷傳感器電路圖。從AC發(fā)生器產生的信號是方形波或正弦波，它流經由陶瓷濕敏傳感器和高阻抗電阻R₁構成的分壓電路，信號經過運算放大器IC₁放大后，分壓電阻與運算放大器IC₂進行比較，IC₂接成反饋放大器，其增益為A=-R₃/R₂。測得的在電路輸出端的信號，其幅度與濕敏傳感器電阻的變化成正比。所介紹的電路適用于相對濕度變化范圍不太大的環(huán)境。需要覆蓋整個相對濕度值的測量時，必須應用具有可變放大系數(shù)的放大器IC₂。如果需要，也可以取出直流輸出信號，但要加接整流器。示于圖8-2上的線路圖與以上討論的電路很相似。但在這個電路中，從分壓器中出來的信號輸進AC/DC轉換器的輸入端。從轉換器輸出的DC電壓幅度與濕度變化成正比。此電壓輸?shù)奖容^器，比較器的輸出用于控制監(jiān)控系統(tǒng)的運作機構。這個電路適用于濕度監(jiān)控系統(tǒng)，通過設定比較器的基準電壓V_REF調整比較器的響應水平，從而也就設定了相應的受控濕度標準。

圖8-3陶瓷濕敏傳感器與運算放大器的連接(a)傳感器接

在放大器的輸入端；(b)接在放大器的反饋電路中

圖8-4帶有溫度補償?shù)姆讲òl(fā)生器

陶瓷濕敏傳感器可以接入到基于運算放大器的轉換電路中，也可以接到非轉換電路中去，不過這里需要在運算放大器的輸入端加載一個基準AC電壓。作為例子，圖8-3上示出了這二種電路。這時，必須要有分壓器，分壓器的設計取決于傳感器在低溫時的高阻抗(10⁶～１０^８Ω)，已經多次指出過，如果相對濕度的變化從0%～100%，那么傳感器電阻值的變化有一個很大的動態(tài)范圍。因此，測量范圍需要覆蓋整個相對濕度區(qū)時，運算放大器的放大系數(shù)必須可變，這可以通過按濕度區(qū)間分段改變電阻R₁來實現(xiàn)。

 適合于這類陶瓷傳感器接入的運算放大器應是小輸入電流的，一般在其輸入級采用場效應管或MOS晶體管。除小電流輸入外，還要求放大器具有高輸入阻抗和高穩(wěn)定性。它們的最大輸入電流約在0.1～0.4nA左右。

相對濕度低于40%時，陶瓷傳感器的電阻增長很快，應用于這個區(qū)間的傳感器需要選用超低輸入電流的放大器才行，它們的最大輸入電流從25～1 000fA，輸入電阻超過1TΩ，而且要求由高阻形成的信號中不含噪聲。這類放大器例如有美國國家半導體公司生產的LMC 6001 A1，LMC 6001 B1和LMC 6001 C1。

如果環(huán)境溫度變化太大時，濕度傳感器需要借助熱敏電阻進行溫度補償。用于溫度補償?shù)倪m用電路之一示于圖8-4。以運放IC₁為基礎產生一個方形脈沖，通過由IC₂構成的非倒相放大器修正溫度。IC₂放大來自NTC熱敏電阻R_T的信號，而R_T安設在緊靠陶瓷濕敏傳感器的位置。因此根據(jù)溫度變化的大小，產生的信號幅度發(fā)生相應的調整。

     對大多數(shù)陶瓷濕敏傳感器來說，它們的阻抗與相對濕度的關系是指數(shù)關系，需要采用無源或有源的方法使其線性化。無源法修正是以串聯(lián)和并聯(lián)構成的定值電阻器為基礎的，電阻器的阻抗應不隨環(huán)境溫度和濕度變化而改變。這種使關系曲線線性化的方法只在一定相對濕度區(qū)間內適用，而且傳感器阻抗的動態(tài)范圍也將受到限制。無源線性化方法將在節(jié)8.3.1中與NTC熱敏電阻一起詳細討論，因為按那種方式的應用較多。

圖8-5  具有線性化和溫度效應補償電路的陶瓷濕敏傳感器測量電路

陶瓷濕敏傳感器特性線性化的有源方法是利用線性化器件的轉換功能實現(xiàn)的，例如可以應用對數(shù)放大器，使特性指數(shù)曲線線性化，使傳感器的動態(tài)范圍縮小。圖8-5示出了這樣一個電路。從AC發(fā)生器輸出一個8V的信號，經過一個由運放IC₁構成的緩沖器后加載到傳感器上。隨后，從傳感器輸出的信號進入由運算放大器IC₂和晶體管T₁構成的對數(shù)放大器，經它后輸入到信號調節(jié)電路中，以便將信號調整到與檢測范圍(這里是40%～１００%RH)相適應的水平。

為了放大來自傳感器的、相對濕度在0%～４０％時的小信號，增加了一個輔助電路，還設計了一個對對數(shù)放大器晶體管T₁進行溫度補償?shù)碾娐?。線路輸出端的信號幅度為0～10V，并與相對濕度的變化成正比。

圖8-6(a)CGS-H14的模擬測量電路

圖8-6(b)CGS-H14DL的測量電路圖中：IC₁為LM358M(LM324N)；

VD₁、VD₂、VD₃為1S 1588；VD₄為硅整流管10D1；ZD1是RD-6A；

熱敏電阻R₂₅——5kΩ，B=4100;IC_2a和IC_2b均為FET

輸入的運算放大器(TL——062，072，082)

圖8-6(a)上示出了陶瓷濕敏傳感器CGS-H14(SCIMAREC公司生產)與模擬輸出電路間的連接。電路中用了一只NTC熱敏電阻進行溫度補償。輸出電壓經整流，并經溫度補償。但在溫度變化激烈的情況時，熱敏電阻不可能對傳感器作出完美的補償，所以必須排除在類似條件下的測量工作，這樣電路才能正常工作。

需要更精確的測量時，使用示于圖8-6(b)的電路圖。采用CGS-H14DL型陶瓷濕敏傳感器和對數(shù)補償，目的是降低傳感器特性的動態(tài)范圍。

這里所給出的電路可用于測量和控制空氣中的濕度，控制增濕器和去濕器的工作等。

8.1.1.2  陶瓷濕敏傳感器的頻率/時間輸出轉換電路

頻率/時間輸出轉換電路將相對濕度的變化轉變成頻率或時間周期，即它們是濕度-頻率和濕度-時間寬度的轉換器。

頻率或時間輸出的轉換電路以頻率發(fā)生器為基礎，但它的頻率取決于接入在電路中的陶瓷傳感器。對它們的要求包括可以接入高阻抗的電阻性元件，例如陶瓷濕敏傳感器等。所以首先考慮選用的是CMOS集成電路。

陶瓷濕敏傳感器的頻率和時間輸出轉換電路主要由以下單元構成：

  分立元件；                   集成多諧振蕩器；

運算放大器；                 集成計時器。

邏輯元件和脈沖觸發(fā)器；

這類電路的一些實用例子將在以后討論。

8.1.1.2.1       8.1.1.2.1       8.1.1.2.1       頻率輸出轉換電路

圖8-7濕度-頻率轉換電路(a)以雙極和場

效應管為主器件；(b)以MOS晶體管為主器件

陶瓷濕敏傳感器的濕度-頻率轉換電路示于圖8-7。圖8-7(a)的電路是以雙極型和場效應晶體管為主構成的非對稱多諧振蕩器。當晶體管VT₁飽和時，VT₂和VT₃截止，這時電容C通過VT₁和陶瓷傳感器R_S充電，因而晶體管VT₃的柵壓下降，當達到場效應管的閾值電壓V_T時，VT₃導通。隨后電容C經過R₁放電，并加到VT₃和VT₂，結果是在時間為T的周期內，發(fā)射極電壓下降，并導致導通。這個過程將反復進行。當V_T比V_C1和V_C2小得多時，脈沖寬度和脈沖間隔可用下式計算

       (8.1)

       (8.2)

振蕩輸出頻率為f=1/(t₁+t₂)。電阻值約為幾千歐姆 ，而傳感器電阻R_S可能為幾百千歐姆。電路需要的元件數(shù)量不多，但要求有二個電源。

另一種轉換電路示于圖8-7(b)以MOS晶體管為基礎。當VT₁截止時，VT₂導通，然后電容C₁通過R₁和VT₂充電，直到VT₁導通為止。電容C₂通過R_D1和R_S放電，結果是二個晶體管交換了角色。此時，脈沖寬度和脈沖間隔由下式獲得

             (8.3)

                 (8.4)

式中，V⁰是低邏輯電平，V_T是MOS管的閾值電壓。此電路可在V_C＜2V_T的條件下工作。允許接入電路的陶瓷濕敏傳感器阻抗可達100MΩ。但對電路有一個基本要求，即VT₁和VT₂的參數(shù)必須相同。

圖8-8由運算放大器構成的濕度-頻率轉

換電路(a)示例圖；(b)電路的輸出信號

圖8-9應用CMOS邏輯元件的濕度-頻率轉換電路

［圖(a)和(b)］，以及其輸出的信號［圖(c)］

也可以應用運算放大器來構建濕敏-頻率轉換電路，示例線路示于圖8-8。這里，運算放大器起著非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的作用，它的振蕩頻率由接在轉換電路輸入端的R_S和C值決定。通過電阻R₁、R₂、R₃實施正反饋。電路在放大器輸出信號的正飽和和負飽和兩種狀態(tài)之間“振蕩”。發(fā)生的脈沖占空比為0.5，而脈沖周期由下式決定

                             (8.5)

接在電路上的傳感器電阻可以從10kΩ～10MΩ。電路的工作頻率一方面與R_S和C有關，另一方面也與所選用的運放頻率特性有關。

電路的主要缺點是所產生的脈沖是正負雙極性的，這對電路輸出端上接入的二極整流管有限制。如果接有整流管時，則需要利用電阻R₄防止運放電路過載。

應用CMOS邏輯集成電路，實現(xiàn)與陶瓷濕敏傳感器連接的轉換電路，相對而言，要簡單些。圖8-9示出了多諧振蕩器與傳感器線路的原理圖，其中使用了二只CMOS轉換器。產生的脈沖周期由下列關系式決定

     (8.6)

式中，V_CC是CMOS集成電路的電源電壓，V_D為保護二極管上的電壓，V_T則是邏輯元件的開關電壓。如果忽略不計V_D，并假設V_T＝0.5V_CC，那么周期公式可簡化為

         (8.7)

這個電路所產生的頻率是很穩(wěn)定的，因為轉換器的輸入阻抗很高，允許接入的傳感器電阻可達幾十分之一兆歐。但不能低于1～２kΩ，否則高邏輯電平會降低，并且集成電路的消耗功率會增大。

這類電路的不足是，發(fā)生的信號頻率與電源電壓相關，因為在轉換電路輸入端的保護二極管的作用很有限。

用于陶瓷濕敏傳感器連接的多諧振蕩電路可以用集成電路單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器來構筑。適合于這類目的的例如有4047型電路，它是一種CMOS型單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。它可以以兩種模式工作，單穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)振蕩。圖8-10(a)中示出了4047A電路與陶瓷濕度傳感器的連接線路。在輸出端產生的方波信號，其占空比為0.5，脈沖周期則為

           (8.8)

在此工作模式中也可以利用取自OSC輸出的脈沖，但它的頻率是經倍頻的()，其占空比不一定保持0.5。在實際應用上述的電路時，當濕度從30%～100%時，轉換器的頻率變化為150Hz～7.1kHz。

圖8-10濕度-頻率轉換電路(a)以CMOS單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器

4047為主；(b)以CMOS計時器7555為主

同樣可以用計時器來實現(xiàn)濕度-頻率的轉換。這類集成電路設計用于生成方波脈沖，按時間周期分割，輸出的參數(shù)(頻率和時間脈寬)有很高的穩(wěn)定性。計時器的結構可以用非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，或單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器來實施。CMOS計時器具有許多基本優(yōu)點，能耗低，電源電壓范圍很寬(2～１８V)，在所有輸入端，其輸入阻抗都很高等。圖8-10(b)中示出了一個由CMOS計時器7555構成的、陶瓷濕敏傳感器的轉換電路。傳感器的電阻變化可以從1kΩ～100MΩ。當電源電壓從5V改變到15V的過程中，轉換器的頻率變化不超過1%。所產生的脈沖頻率非常穩(wěn)定，并由下式決定

      (8.9)

8.1.1.2.2  時間(PWM)輸出轉換電路

如前所述，時間輸出轉換電路將濕度轉換成時間脈沖，這類電路的原則結構示意圖示于圖8-11。電路由二只多諧振蕩器組成，其中第二只是單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，和第一只是同步工作的。當ΔR_S=0(即RH=0%)時，二只振蕩器的脈沖寬度是相同的(t₁=t₂)，因而在輸出端τ=0。當濕敏傳感器的阻值發(fā)生了變化(ΔR_S≠0)時，那么τ=t₂-t₁即τ的變化是與傳感器電阻的改變值ΔR_S成正比的。如果產生的脈沖周期為T=2t₁，并且脈沖幅度等于V_CC，那么輸出電壓的算術平均值由下式決定

             (8.10)

圖8-11濕度-時間脈沖轉換電路(a)非穩(wěn)態(tài)和單穩(wěn)態(tài)多

諧振蕩器構成的電路圖，(b)線路的時序圖

要保證二只多諧振蕩器的參數(shù)是匹配的，將它們制造在一個芯片上，同時基準電阻R_REF的溫度系數(shù)也應與被測傳感器的相同，那么比值τ/T才可能不隨溫度變化而改變。還有，供電電壓必須是經穩(wěn)壓的。

圖8-12濕度-時間脈沖轉換電路(a)CMOS計時

器組成的線路，(b)線路工作的時序圖

圖8-12(a)示出了已經談到過的、IC7556(二只CMOS計時器)為主件的、濕度-時間脈沖轉換電路。圖8-12(b)示出的是線路工作的時序圖。第一只計時器的工作類似于非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，電容C₁的充電電流流經R₁和R₂，因而正脈沖寬度為

       (8.11)

電容C₁通過R₂放電，因而

               (8.12)

第二只計時器類似于單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器工作，產生的脈沖寬度由下式決定

                (8.13)

第一計時器的輸出信號經轉換后，然后與另一信號一起進入OR執(zhí)行電路，在其輸出端得到寬度為τ的脈沖信號，τ=t₃-t₂

如果在相對濕度RH=0%時，t₃=t₂，那么τ=0，因而下列等式成立

           (8.14)

式中，R_SO是RH=0%時的傳感器阻值，而R₂、C₁和C₂是可以選擇的。如果濕度發(fā)生了變化，那么傳感器的電阻相應改變了一個ΔR_S值，因而它的阻值R_S=R_SO+ΔR_S，這樣，合并諸項，并代入式(8.14)，可得到τ

      τ=t₃-t₂

=1.1(R_SO+ΔＲ_Ｓ)C₂-0.7R₂C₁

=1.1ΔR_SＣ_２                                                                 (8.15)

由此可見，脈沖寬度的變化與傳感器電阻改變ΔR_S成正比。

根據(jù)式(8.10)，電路的輸出電壓應為

    (8.16)

圖8-13濕度-時間脈沖轉換電路(a)CMOS邏輯

電路4001組成的電路圖，(b)電路工作時序圖

式中，

    顯然，輸出電壓的算術平均值也和傳感器電阻變化值ΔR_S成正比。因此，電路能夠產生二類輸出——PWM輸出和DC輸出。

圖8-13(a)上示出了一個類似的電路圖，但它是由二只CMOS IC 4001(四個雙輸入“或非”門)構成的，圖8-13(b)則是該電路工作的時序圖。此電路也有二組輸出，即PWM輸出和DC輸出。利用二個集成電路中的一個的邏輯元件生成二個多諧振蕩器的功能，此時

τ=t₁-t₃=0.7(R₁C₁-R_SC₂)        (8.17)

考慮到R_S=R_SO+ΔR_S，τ可改寫為

τ=0.7ΔR_SC₂                                    (8.18)

從式(8.10)及以上各式可得輸出電壓值

  V_OUT=K′ΔR_SV_CC                            (8.19)

式中，

8.1.2  陶瓷濕敏傳感器的實際應用

陶瓷濕敏傳感器已廣泛應用于各類機具中，例如濕度計、空調器、增濕機、去濕機、微波爐等。

8.1.2.1  濕度計

濕度計是測量各種介質中含濕量的儀器?；谔沾蓾衩魝鞲衅鳎阎瞥梢幌盗胁煌臐穸扔?。介紹一種名為“Chichidu濕度計CH-1”的數(shù)字式濕度計，生產者是Chichidu Cement公司。它有下列工作特性：

  濕度測量范圍                           15%～１００％RH

  測量精度                               ±4%RH

濕度計的工作溫度范圍                   0～４０℃

傳感器的輸出信號                       幅度變化為0～１０Ｖ

最大電源消耗                           22W(包括加熱器加熱功率15W)

濕度計顯示出有很高的靈敏度和可靠性。采用了熱敏電阻對陶瓷傳感器的特性進行溫度補償。

8.1.2.2  空調器

空氣調節(jié)系統(tǒng)需要多種傳感器，例如溫度、濕度和空氣成分等的監(jiān)控?？照{器中裝備了帶有微處理器的傳感器之后，可以大幅度降低能源消耗，提高系統(tǒng)的效率，并且能提供最合適的生活條件。

陶瓷濕敏傳感器在空調器中的安裝有二種方式。第一種方式是將傳感器安置在進氣流中，這種方式的主要優(yōu)點是傳感器的響應較快，但缺點是進氣的濕度已經經調控了的，它可能與房間中空氣的濕度不一樣，而且它可能因與污染氣體相接觸，比較容易損壞。第二種方式是將傳感器安置在進氣通道的外面，例如安裝在控制電路板上。這時，傳感器的響應能力可能有一定的下降，不過，由于塵粒碰撞傳感器表面，從而引起它失效的可能性較小，因而采用這種方式的較多。

8.1.2.3  空氣增濕器和除濕器

陶瓷濕敏傳感器可以用于空氣增濕器和除濕器的相對濕度監(jiān)控。用于這方面的目的時，傳感器要么安裝在風扇產生的空氣流中，要么安裝在控制單元上。在第一種安置方式時，為了延長傳感器的工作壽命，應該在空氣進入傳感器的前方增設一個空氣過濾器。

8.1.2.4  微波爐

在微波爐中，陶瓷濕敏傳感器用于監(jiān)測食品烹制成熟程度。食品原料或多、或少地含有水份，加熱時它們將蒸發(fā)成水汽，因此通過測定爐中的濕度可以監(jiān)控食品的加工過程。微波爐中的濕度變化范圍很大，約從百分之幾的相對濕度一直到百分之百。同時，溫度上升很快，在幾分鐘之內達到100℃左右。此外，除了水蒸汽，還有大量不同的有機揮發(fā)物從食品原料中發(fā)散到微波爐中。在這種條件下，大多數(shù)濕度傳感器無法正常工作。只有一定類型的陶瓷傳感器才能克服這些難點。

用于微波爐的陶瓷濕敏傳感器安裝在食品加工過程散發(fā)的水蒸汽流經的通風區(qū)域。由于空氣中的雜質、油蒸汽、顆粒物等會粘附在陶瓷傳感器上，使它的靈敏度下降。因此，為了使它能保持原有的性能，通常選用再生型(例如通過熱處理)的陶瓷傳感器。在食品加工開始前和結束后，對傳感器進行熱清潔處理，把傳感器表面上的沾污物清除掉。

微波爐開關接通后，就會有一個信號執(zhí)行熱清潔處理，傳感器性能得以復原。微波爐的烹調過程可以分為兩個階段。第一個階段(初始加熱過程)中，磁控管啟動后食品開始加熱。相對濕度開始時增大，但然后開始減少，并達到某個最低值。進入第二階段時，繼續(xù)加熱重又產生更多的水蒸汽，相對濕度重新增大，一直到食品最終加工完成。第二階段包括的時間是從相對濕度的最低谷開始，一直到烹調的完成。顯然，這個時間的長短與食品原料有關，因此它的設定應與初始加熱時間成比例，并按不同食品原料性質調整。

采用上述微波爐的控制方法，只要通過按鈕選定被加工食品的類型，而不再需要按照食品的體積、重量選擇加熱時間等旋鈕，就可以加工任何品種的食物。

由于陶瓷濕敏傳感器的這些特點、參數(shù)、特性，它們還被廣泛用于不同工業(yè)領域的裝備中，例如化學工業(yè)、造紙工業(yè)、食品工業(yè)等，也可用于林業(yè)，例如土壤監(jiān)測、暖房種植業(yè)等，用于醫(yī)學衛(wèi)生例如消毒滅菌、微生物培養(yǎng)等，以及制藥業(yè)和許多其他領域。