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第一节 光纤传感器
第二节 气敏传感器
第三节 湿度传感器
第六章 其他种类的传感器
2
光纤传感器 (FOS Fiber Optical Sensor)是 20世纪 70年
代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它
是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础
的传感器有本质区别。光纤传感器 用光作为敏感信息的
载体,用光纤作为 传递敏感信息的媒质 。因此，它同时
具有光纤及光学测量的特点。
① 电绝缘性能好 。
② 抗电磁干扰能力强 。
③ 非侵入性 。
④ 高灵敏度 。
⑤ 容易实现对被测信号的远距离监控 。
光纤传感器可测量位移, 速度, 加速度, 液位, 应变,
压力, 流量, 振动, 温度, 电流, 电压, 磁场等物理量
第一节 光纤传感器
3
一, 光导纤维导光的基本原理
光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基
本原理 。 然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而
折射率变化缓慢的空间,可以用, 光线, 即 几何光学 的方
法来分析光波的传播现象,这对于光纤中的 多模光纤 是完
全适用的 。 为此,采用几何光学的方法来分析 。
1,斯乃尔定理 （ Snell's Law）
当光由光密物质 (折射率大 )入射至光疏物质时发生折射，
如图 (a)，其折射角大于入射角，即 n1＞ n2时,θ r＞ θ i。
n1
n2 θ r
θ i
(a)光的折射示意图 可见, 入射角 θ i增大时, 折射角
θ r也随之增大, 且始终 θ r＞ θ i。
n1,n2,θ r,θ i之间的数学关系为
n1sinθi=n2sinθr
4
当 θ i＞ θ i0并继续增大时,θ r＞ 90o，这时便发生全反射
现象，如图 (c),其出射光不再折射而全部反射回来。
式中,θ i0——临界角
θi0=arcsin(n2/n1)
sinθi0=n2/n1
sinθ r＝ sin90o＝ 1
n1
n2 θ
r
θ i
(c)光全反射示意图
n1
n2 θ r
θ i
(b)临界状态示意图
当 θ r=90o时, θ i仍＜ 90o,此时,
出射光线沿界面传播如图 （ b）,
称为临界状态 。 这时有
5
2,光纤结构
分析光纤导光原理, 除了应用斯乃尔定理外还须结合光
纤结构来说明 。 光纤呈圆柱形, 它由玻璃纤维芯 (纤芯 )
和玻璃包皮 (包层 )两个同心圆柱的双层结构组成 。
纤芯位于光纤的中心部位, 光主要在这里传输 。 纤
心折射率 n1比包层折射率 n2稍大些, 两层之间形成良好
的光学界面, 光线在这个界面上反射传播 。
2R 2r
n2
n1
n
n2 n
1
纤
芯
包
层
光纤结构
6
3,光纤导光原理及数值孔径 NA
入射光线 AB与纤维轴线 OO相交角为 θ i,入射后折射 (折
射角为 θ j)至纤芯与包层界面 C点, 与 C点界面法线 DE成
θ k角, 并由界面折射至包层, CK与 DE夹角为 θ r。 则
n0sinθi=n1sinθj
n1sinθ k=n2sinθ r
sinθ
i=(n1/n0)sinθ j
sinθ k=(n2/n1)sinθ r
因 θ j=90o－ θ k 所以
θ j θ
i
θ k
θ r
A
B
C
D
E
F
G K
O O
n0 n2
n1
光纤导光示意图
KKki n
n
n
n
n
n ???? 2
0
1
0
1
0
1 s i n1c o s)90s i n (s i n ??????
rri nnnn
n
n
n ??? 22
2
2
1
0
2
1
2
0
1 s i n1s i n1s i n ??
??
?
?
??
?
?
??
n0为入射光线 AB所在
空间的折射率，一般
为空气，故 n０ ≈ 1,nl
为纤芯折射率,n2为包
层折射率。当 n０ =1时
7
上式 sinθi0为, 数值孔径, NA(Numerical Aperture)。
由于 n1与 n2相差较小, 即 n1+n2≈ 2n1,故又可因式分解为
ri nn ??
22
2
2
1 s i ns i n ??
2
2
2
10s i n nni ???
?? 2s in 10 ni?
Δ =(n1-n2)/n1称为相对折射率差
当 θr=90o的临界状态时,θi=θi0
当 θr<90o时, sinθi>NA,θi>arcsin NA,光线消失 。
这说明 arcsinNA是一临界角,凡入射角 θ i＞ arcsinNA的
那些光线进入光纤都不能传播而在包层消失；相反,只有
入射角 θ i＜ arcsinNA的光线才可进入光纤被全反射传播
当 θr=90o时
当 θr>90o时，光线发生全反射，则
sinθi0=NA θi0=arcsin NA
θi<θi0=arcsin NA
8
二, 光纤传感器结构原理及分类
1,光纤传感器结构原理
以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可
测的电信号的装置 。 它的电源, 敏感元件, 信号接收和
处理系统以及信息传输均用金属导线连接, 见图 (a)。 光
纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号
的装置 。 由光发送器, 敏感元件 (光纤或非光纤的 ),光
接收器, 信号处理系统以及光纤构成, 见图 (b)。
光纤
信号处理 光接收器
敏感元件
光发送器
（ b） 光纤传感器
信号处理
电 源
信号接收
敏感元件
（ a） 传统传感器
导线
由光发送器发出的光经源光
纤引导至敏感元件。这时，
光的某一性质受到被测量的
调制，已调光经接收光纤耦
合到光接收器，使光信号变
为电信号，最后经信号处理
得到所期待的被测量。
9
可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较, 在
测量原理上有本质的差别 。 传统传感器是以 机 —电测量
为基础, 而光纤传感器则以 光学测量 为基础 。
光是一种电磁波, 其波长从极远红外的 lmm到极远
紫外线的 10nm。 它的 物理作用 和 生物化学作用 主要因其
中的电场而引起 。 因此, 讨论光的敏感测量必须考虑光
的电矢量 E的振动, 即
A——电场 E的振幅矢量； ω——光波的振动频率；
φ——光相位； t——光的传播时间 。
可见, 只要使光的 强度, 偏振态 (矢量 A的方向 ),频率
和 相位 等参量之一随被测量状态的变化而变化, 或受被
测量调制, 那么, 通过对光的强度调制, 偏振调制, 频
率调制或相位调制等进行解调, 获得所需要的被测量的
信息 。
? ??? ?? tAE s i n
10
传感器 光学现象 被测量 光纤 分类
干
涉
型
相位调
制光线
传感器
干涉（磁致伸缩）
干涉（电致伸缩）
Sagnac效应
光弹效应
干涉
电流、磁场
电场、电压
角速度
振动、压力、加速度、位移
温度
SM,PM
SM,PM
SM,PM
SM,PM
SM,PM
a
a
a
a
a
非
干
涉
型
强度调制
光纤温度
传感器
遮光板遮断光路
半导体透射率的变化
荧光辐射、黑体辐射
光纤微弯损耗
振动膜或液晶的反射
气体分子吸收
光纤漏泄膜
温度、振动、压力、加速度、位移
温度
温度
振动、压力、加速度、位移
振动、压力、位移
气体浓度
液位
MM
MM
MM
SM
MM
MM
MM
b
b
b
b
b
b
b
偏振调
制光纤
温度传
感器
法拉第效应
泡克尔斯效应
双折射变化
光弹效应
电流、磁场
电场、电压,
温度
振动、压力、加速度、位移
SM
MM
SM
MM
b,a
b
b
b
频率调制
光纤温度
传感器
多普勒效应
受激喇曼散射
光致发光
速度、流速、振动、加速度
气体浓度
温度
MM
MM
MM
c
b
b
注,MM多模； SM单模； PM偏振保持； a,b,c功能型、非功能型、拾光型
2、光纤传感器的分类
11
（ 1） 根据光纤在传感器中的作用
光纤传感器分为 功能型, 非功能型 和 拾光型 三大类 。
1） 功能型 （ 全光纤型 ） 光纤传感器
利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤 (或特
殊光纤 )作传感元件, 将, 传, 和, 感, 合为一体的传
感器 。 光纤不仅起传光作用, 而且还利用光纤在外界因
素 (弯曲, 相变 )的作用下, 其光学特性 (光强, 相位, 偏
振态等 )的变化来实现, 传, 和, 感, 的功能 。 因此,
传感器中光纤是连续的 。 由于光纤连续, 增加其长度,
可提高灵敏度 。
信号处理 光受信器
光纤敏感元件
光发送器
12
2） 非功能型 （ 或称传光型 ） 光纤传感器
光纤仅起导光作用，只, 传, 不, 感,,对外界信息的
,感觉, 功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤
不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术
，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵
敏度要求不太高的场合。
信号处理 光受信器
敏感元件
光发送器
光纤
3） 拾光型光纤传感器
用光纤作为探头, 接收由
被测对象辐射的光或被其反射,
散射的光 。 其典型例子如光纤
激光多普勒速度计, 辐射式光
纤温度传感器等 。
信号
处理
光受
信器
光发送器
光纤
耦合器
被测对象
13
（ 2） 根据光受被测对象的调制形式
形式,强度调制型, 偏振调制, 频率调制, 相位调制 。
1） 强度调制型光纤传感器
是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的 折射率,
吸收 或 反射 等参数的变化, 而导致光强度变化来实现敏
感测量的传感器 。 有利用光纤的 微弯损耗 ；各物质的 吸
收特性 ；振动膜或液晶的 反射光强度 的变化；物质因各
种粒子射线或化学, 机械的激励而发光的现象；以及物
质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力, 振动, 温度,
位移, 气体等各种强度调制型光纤传感器 。
优点,结构简单, 容易实现, 成本低 。
缺点,受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。
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2） 偏振调制光纤传感器
是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传
感器 。 有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成
的电流, 磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传
播的泡尔效应做成的电场, 电压传感器；利用物质的光
弹效应构成的压力, 振动或声传感器；以及利用光纤的
双折射性构成温度, 压力, 振动等传感器 。 这类传感器
可以避免光源强度变化的影啊, 因此灵敏度高 。
3） 频率调制光纤传感器
是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的
频率发生变化 来进行监测的传感器。有利用运动物体反
射光和散射光的 多普勒效应 的光纤速度、流速、振动、
压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的 喇曼散
射 构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；
以及利用 光致发光 的温度传感器等。
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4） 相位调制传感器
其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用, 使
敏感元件的折射率或传播常数发生变化, 而导致光的相
位变化, 使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化, 通
过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量, 从而
得到被测对象的信息 。 通常有利用光弹效应的声, 压力
或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流, 磁场传感器；
利用电致伸缩的电场, 电压传感器以及利用光纤赛格纳
克 （ Sagnac） 效应的旋转角速度传感器 （ 光纤陀螺 ） 等 。
这类传感器的灵敏度很高 。 但由于须用特殊光纤及高精
度检测系统, 因此成本高 。
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三, 光纤传感器的应用
（ 一 ） 温度的检测
光纤温度传感器有功能型和传光型两种 。
1、遮光式光纤温度计
下图为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度
开关。可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变
1 2
3
4
水银柱式光纤温度开关
1 浸液 2 自聚焦透镜 3 光纤 4 水银
17
下图为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计 。 当
温度升高时, 双金属片的变形量增大, 带动遮光板在垂
直方向产生位移从而使输出光强发生变化 。 这种形式的
光纤温度计能测量 10℃ ～ 50℃ 的温度 。 检测精度约为
0.5℃ 。 它的缺点是输出光强受壳体振动的影响, 且响
应时间较长, 一般需几分钟 。
光源 接收
热双金属式光纤温度开关
1 2
1 遮光板 2 双金属片
18
2,透射型半导体光纤温度传感器
当一束白光经过半导体晶体片时, 低于某个特定波
长 λ g的光将被半导体吸收,而高于该波长的光将透过半
导体 。 这是由于半导体的本征吸收引起的,λ g称为 半导
体的本征吸收波长 。 电子从价带激发到导带引起的吸收
称为 本征吸收 。 当一定波长的光照射到半导体上时,电
子吸收光能从价带跃迁入导带,显然,要发生本征吸收,光
子能量必须大于半导体的禁带宽度 Eg,即
gEh ??
g
g E
hc
?? ??因 λ ＝ c/v，则产生本征吸收条件
h ——普朗克常数； v ——光频率
因此, 对于波长大于 λ g的光, 能透过半导体, 而波长
小于 λ g的光将被半导体吸收 。 不同种类的半导体材料
具有不同的本征吸收波长, 图 为 在室温 (20℃ )
时,120μ m厚的 GaAs材料的透射率曲线 。
19
由图看出, GaAs在室温时
的本征吸收波长约为
880nm左右, 半导体的吸
收光谱与 Eg有关, 而半导
体材料的 Eg随温度的不同
而不同, Eg与温度 t的关系
可表示为
? ? ? ?
t
tEtE
gg ??? ?
? 20
式中,Eg（ 0） ——绝对零度时半导体的禁带宽度；
α——经验常数 (eV／ K)； β ——经验常数 (K)。
850 800 900 950 1000
0
10
20
30
40
t=20℃
波长 λ /nm
GaAs的光谱透射率曲线
透
射
率
(%)
? ? eVE g 5 2 2.10 ?对于 GaAs材料，由实验得到
α =5.8× 10-4eV/K β=300K
20
由此可见, 半导体材料的 Eg随温度上升而减小, 亦即其
本征吸收波长 λ g随温度上升而增大 。 反映在半导体的
透光特性上, 即当温度升高时, 其透射率曲线将向长波
方向移动 。 若采用发射光谱与半导体的 λ g(t)相匹配的
发光二极管作为光源, 如图, 则透射光强度将随着温度
的升高而减小 。
LED发光光谱
半导体透射率
T1<T2<T3
T3
T1
T2
相
对
发
光
强
度
半导体透射测量原理
透
射
率
波长
21
（ 二 ） 压力的检测
种类,强度调制型, 相位调制型 和 偏振调制型 三类 。
1,采用弹性元件的光纤压力传感器
利用弹性体的受压变形, 将压力信号转换成位移信号,
从而对光强进行调制 。 因此, 只要设计好合理的弹性元
件及结构, 就可以实现压力的检测 。 下图为简单的利用
Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器 。 在 Y形光纤束
前端放置一感压膜片, 当膜片受压变形时, 使光纤束与
膜片间的距离发生变化, 从而使输出光强受到调制 。
膜片反射式光纤压力传感器示意图
光源
接收
1 2
1 Y形光纤束 2 壳片 3 膜片
3 P
22
弹性膜片材料是恒弹性金属, 如殷钢, 铍青铜等 。
但金属材料的弹性模量有一定的温度系数, 因此要考虑
温度补偿 。 若选用石英膜片, 则可减小温度的影响 。
膜片的安装采用周边固定, 焊接到外壳上 。 对于不
同的测量范围, 可选择不同的膜片尺寸 。 一般膜片的厚
度在 0.05mm～ 0.2mm之间为宜 。 对于周边固定的膜片,
在小挠度 (y＜ 0.5t,t为膜片厚度 )的条件下, 膜片的中心
挠度 y为
? ?
p
Et
R
y
3
42
16
13 ??
?
R—膜片有效半径； t—膜片厚度；
p—外加压力；
E－膜片材料的弹性模量；
μ —为膜片的泊松比。
可见, 在一定范围内, 膜片中心挠度与所加的压力
呈线性关系 。 若利用 Y形光纤束检测位移特性的线性区,
则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系 。
这种传感器结构简单, 体积小, 使用方便, 但如果 光源
不稳定 或长期使用后膜片的 反射率下降, 影响其精度 。
23
改进型的膜片反射式光纤压力传感器的结构如图 (a),这
里采用了特殊结构的光纤束, 光纤束的一端分成三束,其
中 一束为输入光纤,两束为输出光纤 。 三束光纤在另一端
结 合成一束,并且在端面成同心环排列分布,如图 (b)。 其
中最里面一圈为输出光纤束 1,中间一圈为输入光纤束,外
面一圈为输出光纤束 2。 当压差为零时, 膜片不变形,反
射到两束输出光纤的光强相等,即 I1＝ I2。 当膜片受压变
形后,使得处于里面一圈的光纤束,接收到的反射光强减
小,而处于外面一圈的光纤束 2接到的反射光强增大,形成
差动输出 。
4
p>0 P=0 P<0
(a)传感器结构 (b)探头截面结构 (c)测量原理
P
I2
I1
I0
2(外圈 )
1 (内圈 )
I1
I0
I2
I1
I0
I2
I1
I0
I2
3 (输入 )
24
可见, 输出光强比 I2／ Il与膜片的 反射率, 光源强度 等
因素均无关, 因而可有效地消除这些因素的影响 。
将上式两边取对数且满足 (Ap)2≤ 1时,等式右边展开后
取第一项, 得到
这表明待测压力与输出光强比的 对数呈线性 关系 。 因此,
若将 I1,I2检出后分别经对数放大后, 再通过减法器即
可得到线性的输出 。
若选用的光纤束中每根光纤的芯径为 70μm,包层厚度
为 3.5μm,纤芯和包层折射率分 别为 1.52和 1.62,则该传感
器可获得 115dB的动态范围,线性度为 0.25％ 。 采用不同
的尺寸, 材料的膜片,即可获得不同的测量范围 。
Ap
Ap
I
I
?
??
1
1
1
2
A
p
I
I
2
ln
1
2 ?
两束输出光的光强之比为
A——与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数；
p— —待测量压力。
25
2,光弹性式光纤压力传感器
晶体在受压后其折射率发生变化, 呈现 双折射 的现
象称为 光弹性效应 。 利用光弹性效应测量压力的原理及
传感器结构如图 。 发自 LED的入射光经起偏器后成为直
线偏振光 。 当有与入射光偏振方向呈 45o的压力作用于晶
体时, 使晶体呈双折射从而使出射光成为椭圆偏振光,
由检偏器检测出与入射光偏振方向相垂直方向上的光强,
即可测出压力的变化 。 其中 1/4波长板用于提供一偏置,
使系统获得最大灵敏度 。
(b)传感器结构
1 2 3 4 5
P
(a)检测原理
P
6 7
8 9 10 11
1 光源 2,8 起偏器 3,9 1/4波长板 4,10 光弹性元件
5,11 检偏器 6 光纤 7 自聚焦透镜
偏振光 线偏振光 椭圆偏振光
26
为了提高传感器的精度和稳定性, 下图 为 另一种检
测方法的结构 。 输出光用偏振分光镜分别检测出两个 相
互垂直 方向的偏振分量；并将这两个分量经, 差／和,
电路处理, 即可得到与光源强度及光纤损耗无关的输出 。
该传感器的测量范围为 103Pa～ 106Pa,精度为 ± 1％, 理
论上分辨力可达 1.4Pa。
这种结构的传感器在光弹性元件上加上质量块后，
也可用于测量振动、加速度。
输出
前置
放大
前置
放大
I2－ I1
I2+I1
驱动
1 2 3 4 5
6
I1
I2
PD1
PD2
光弹性式光纤压力传感器的另一种结构
1 光纤 2 起偏器 3 光弹性元件 4 1/4波长板 5 偏振分光镜 6 反射镜
p
27
（ 三 ） 液位, 流量, 流速的检测
1,液位的检测技术 （ 1） 球面光纤液位传感器
1 2
(a)探头结构
(b) )检测原理
空气 液体
LED
PD
光由光纤的一端导入,在球状
对折端部一部分光透射出去,
而另一部分光反射回来,由光
纤的另一端导向探测器 。 反
射光强的大小取决于被测介
质的折射率 。 被测介质的折
射率与光纤折射率越接近,反
射光强度越小 。 显然,传感器
处于空气中时比处于液体中
时的反射光强要大 。 因此,该
传感器可用于液位报警 。 若
以探头在空气中时的反射光
强度为基准, 则当接触水时
反射光强变化 –6dB～ –7dB,接
触油时变化 –25dB～ –30dB。
28
（ 2） 斜端面光纤液位传感器
下图为反射式斜端面光纤液位传感器的两种结构 。
同样, 当传感器接触液面时, 将引起反射回另一根光纤
的光强减小 。 这种形式的探头在空气中和水中时, 反射
光强度差约在 20dB以上 。
斜面反射式光纤液位传感器
(a)
1 2
3
(b)
1,2 光纤 3 棱镜
29
（ 3） 单光纤液位传感器
单光纤液位传感器的结构如图, 将光纤的端部抛光
成 45o的圆锥面 。 当光纤处于空气中时, 入射光大部分
能在端部满足全反射条件而返回光纤 。 当传感器接触液
体时, 由于液体的折射率比空气大, 使一部分光不能满
足全反射条件而折射入液体中, 返回光纤的光强就减小 。
利用 X形耦合器即可构成具有两个探头的液位报警传感
器 。 同样, 若在不同的高度安装多个探头, 则能连续监
视液位的变化 。
单光纤液位传感器结构
1
2
1 光纤 2 耦合器
30
上述探头在接触液面时能快速响应, 但在探头离开
液体时, 由于有液滴附着在探头上, 故不能立即响应 。
为了克服这个缺点, 可将探头的结构作一些改变, 如图 。
将光纤端部的尖顶略微 磨平, 并镀上反射膜 。 这样, 即
使有液体附着在顶部, 也不影响输出跳变 。 进一步的改
进是在顶部镀反射膜外粘上一 突出物, 将附着的液体导
引向突出物的下端 。 这样, 可以保证探头在离开液位时
也能快速地响应 。
改进的光纤液位探头
31
2,流量, 流速的检测
（ 1） 光纤涡街流量计
当一个非流线体置于流体中时, 在某些条件下会在
液流的下游产生有规律的旋涡 。 这种旋涡将会在该非流
线体的两边交替地离开 。 当每个旋涡产生并泻下时, 会
在物体壁上产生一侧向力 。 这样, 周期产生的旋涡将使
物体受到一个周期的压力 。 若物体具有弹性, 它便会产
生振动, 振动频率近似地与流速成正比 。 即
式中,v— —流体的流速；
d——物体相对于液流方向的横向尺寸；
s——与流体有关的无量纲常数 。
因此, 通过检测物体的振动频率便可测出流体的流
速 。 光纤涡街流量计便是根据这个原理制成的, 其结构
如图 。
f＝ sv／ d
32
纹稳定。当光纤振动时,输出光斑亦发生移动。对于处于
光斑中某个固定位置的小型探测器,光斑花纹的移动反映
为探测器接收到的输出光强的变化。利用频谱分析,即可
测出光纤的振动频率。根据上式或实验标定得到流速值,
在管径尺寸已知的情况下，即可计算出流量。
光纤涡街流量计特点：可靠性好,无任何可动部分和联
接环节,对被测体流阻小,基本不影响流速 。 但在流速很
小时,光纤振动会消失,因此存在一定的测量下限 。
在横贯流体管道的中间装
有一根绷紧的多模光纤，当流
体流动时,光纤就发生振动,其
振动频率近似与流速成正比。
由于使用的是多模光纤,故当光
源采用 相干光源 (如激光器 )时,
其输出光斑是模式间干涉的结
果。当光纤固定时,输出光斑花
光源
频谱
分析记录 探测器
1 2
3
4
5
1 夹具 2 密封胶 3 液体流管 4 光纤 5 张力载荷
33
（ 2） 光纤多普勒流速计
下图 为 利用光纤多普勒计来测量流体流速的原理 。
当待测流体为气体时, 散射光将非常微弱, 此时可采用
大功率的 Ar激光器 （ 出射光功率为 2W,λ =514.5nm）
以提高信噪比 。
特点：非接触测量, 不影响待测物体的流动状态 。
光纤多谱勒流量计结构
探测器 频谱 分析仪
He-Ne激光器
1
2 3 4 5
6
7
8
1,3—— 分束器；
2 ——反射镜；
4—— 透镜；
5 ——流体管道；
6 ——窗口；
7,8 ——光纤
34
第二节 气敏传感器
?接触燃烧式气敏元件
?金属氧化物半导体气敏元件
?氧化锆气敏元件
工作原理、主要类型及应用
35
一, 接触燃烧式气体传感器
1,检测原理
可燃性气体 (H2,CO,CH4等 )与空气中的氧接触,
发生氧化反应, 产生反应热 (无焰接触燃烧热 ),使得作
为敏感材料的铂丝温度升高, 电阻值相应增大 。 一般情
况下, 空气中可燃性气体的浓度都不太高 (低于 10％ )，
可燃性气体可以完全燃烧, 其发热量与可燃性气体的浓
度有关 。 空气中可燃性气体浓度愈大, 氧化反应 (燃烧 )
产生的反应热量 (燃烧热 )愈多, 铂丝的温度变化 (增高 )
愈大, 其电阻值增加的就越多 。 因此, 只要测定作为敏
感件的铂丝的电阻变化值 (Δ R),就可检测空气中可燃
性气体的浓度 。 但是, 使用单纯的铂丝线圈作为检测元
件, 其寿命较短, 所以, 实际应用的检测元件, 都是在
铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒 。 这样既可以延长其使
用寿命, 又可以提高检测元件的响应特性 。
36
接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图 。 图中 F1是检
测元件； F2是补偿元件, 其作用是补偿可燃性气体接触
燃烧以外的环境温度, 电源电压变化等因素所引起的偏
差 。 工作时, 要求在 F1和 F2上保持 100mA～ 200mA的电
流通过, 以供可燃性气体在检测元件 F1上发生氧化反应
(接触燃烧 )所需要的热量 。 当检测元件 F1与可燃性气体
接触时, 由于剧烈的氧化作用 (燃烧 ),释放出热量, 使
得检测元件的温度上升, 电阻值相应增大, 桥式电路不
再平衡, 在 A,B间产生电位差 E。 A
F2 F1 M
R1 R
2
C
B
D
W2
W1
E0
? ?
? ? ???
?
?
?
?
?
???
?
???
?
?
?
???
??
?
21
1
0
21
1
RR
R
RRR
RR
EE
FFF
FF
? ? ? ? FF
F
FF
R
R
R
RRRR
REE ??
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
?
1
2
2121
1
0
因为 Δ RF很小，且 RF1?R1=RF2?R2
37
这样, 在检测元件 F1和补偿元件 F2的电阻比 RF2/RF1接近于
1的范围内, A,B两点间的电位差 E,近似地与 ΔRF成比
例 。 在此, ΔRF是由于可燃性气体接触燃烧所产生的温度
变化 (燃烧热 )引起的, 是与接触燃烧热 (可燃性气体氧化
反应热 )成比例的 。 即 ΔRF可用下式表示
? ? ? ?212110 FF RRRRREk ????
F
F
F R
R
R
kE ?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
1
2
C
Qm
C
HTR
F ???
?????? ????
如果令 则有
ρ — 检测元件的电阻温度系数；
Δ T— 由于可燃性气体接触燃烧所引起的检测元件的温度增加值；
Δ H— 可燃性气体接触燃烧的发热量； C— 检测元件的热容量；
Q— 可燃性气体的燃烧热； m— 可燃性气体的浓度 [％ (Vol)]；
α— 由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。
38
ρ, C和 α的数值与检测元件的材料, 形状, 结构, 表面
处理方法等因素有关 。 Q是由可燃性气体的种类决定 。
因而, 在一定条件下, 都是确定的常数 。 则
?????? ?? CQb ??
A,B间的电位差 E,并由此
求得空气中可燃性气体的浓
度 。 若与相应的电路配合,
就能在空气中当可燃性气体
达到一定浓度时, 自动发出
报警信号, 其感应特性曲线
如图 。
接触燃烧式气敏元件的感应特性
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
50
100
150 输
出
电
压
/
mV
丙烷
乙醇
异丁烷
丙酮
环己烷
气体浓度 (XLEL)
E=k?m?b
即 A,B两点间的电位差与可燃性气体的浓度 m成比例。
如果在 A,B两点间连接电流计或电压计，就可以 测得
39
2,接触燃烧式气敏元件的结构
用高纯的铂丝,绕制成线圈,为了使线圈具有适当的
阻值 (1Ω～ 2Ω),一般应绕 10圈以上 。 在线圈外面涂以氧
化铝或氧化铝和氧化硅组成的膏状 涂 覆层,干燥后在一
定温度下烧结成球状多孔体 。 将烧结后的小球,放在贵
金属铂, 钯等的盐溶液中,充分浸渍后取出烘干 。 然后
经过高温热处理,使在氧化铝 (氧化铝一氧化硅 )载体上
形成贵金属触媒层,最后组装成气体敏感元件 。 除此之
外,也可以将贵金属触媒粉体与氧化铝, 氧化硅等载体
充分混合后配成膏状,涂覆在铂丝绕成的线圈上,直接烧
成后备用 。 另外, 作为补偿元件的铂线圈,其尺寸, 阻
值均应与检测元件相同 。 并且,也应涂覆氧化铝或者氧
化硅载体层,只是无须浸渍贵金属盐溶液或者混入贵金
属触媒粉体,形成触媒层而已 。
40
触媒 Al2O3载体 Pt丝
元件
(0.8-2)mm
(b)敏感元件外形图
接触燃烧式气敏元件结构示意图
(a)元件的内部示意图
41
二, 半导体气体传感器
气体敏感元件, 大多是以金属氧化物半导体为基础材料 。
当被测气体在该半导体表面吸附后, 引起其电学特性
(例如电导率 )发生变化 。 目前流行的定性模型是,原子
价控制模型, 表面电荷层模型, 晶粒间界势垒模型 。
1,半导体气敏元件的特性参数
（ 1） 气敏元件的电阻值
将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值, 称为
气敏元件 (电阻型 )的固有电阻值, 表示为 Ｒ ａ 。 一般其
固有电阻值在 (103～ 105)Ω 范围 。
测定固有电阻值 Ｒ ａ 时,要求必须在洁净空气环境中进行 。
由于经济地理环境的差异, 各地区空气中含有的气体成
分差别较大, 即使对于同一气敏元件, 在温度相同的条
件下, 在不同地区进行测定, 其固有电阻值也都将出现
差别 。 因此, 必须在洁净的空气环境中进行测量 。
42
（ 2） 气敏元件的灵敏度
是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表
示气体敏感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）
与被测气体浓度之间的依从关系。表示方法有三种
（ a） 电阻比灵敏度 K
（ b）气体分离度
RC1—气敏元件在浓度为 Cc的被测气体中的阻值,
RＣ 2—气敏元件在浓度为 C2的被测气体中的阻值 。 通常, C1＞ C2。
（ c） 输出电压比灵敏度 KV
Va:气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；
Vg:气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出
g
a
V V
VK ?
2
1
C
C
R
R??
Ra— 气敏元件在洁净空气中的电阻值；
Rg— 气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值 gaRRK ?
43
（ 4）气敏元件的响应时间
表示在工作温度下, 气敏元件对被测气体的响应速度 。
一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时,
直到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的 63
％ 时为止, 所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气
体中的响应时间, 通常用符号 tr表示 。
agi
ag
gi
g
VV
VV
V
V
S
?
?
?
?
?
?
（ 3）气敏元件的分辨率
表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气
体的抑制能力。气敏元件分辨率 S表示为
Va—气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压；
Vg—气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压
Vgi—气敏元件在 i种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压
44
（ 5） 气敏元件的加热电阻和加热功率
气敏元件一般工作在 200℃ 以上高温 。 为气敏元件提
供必要工作温度的加热电路的电阻 (指加热器的电阻值 )
称为加热电阻, 用 RH表示 。 直热式的加热电阻值一般小
于 5Ω ；旁热式的加热电阻大于 20Ω 。 气敏元件正常工
作所需的加热电路功率, 称为加热功率, 用 Ｐ Ｈ 表示 。
一般在 (0.5～ 2.0)W范围 。
（ 6）气敏元件的恢复时间
表示在工作温度下,被测气体由该元件上解吸的速度,一
般从气敏元件脱离被测气体时开始计时,直到其阻值恢复
到在洁净空气中阻值的 63％时所需时间。
45
（ 7） 初期稳定时间
长期在非工作状态下存放的气敏元件,因表面吸附空
气中的水分或者其他气体,导致其表面状态的变化，在加
上电负荷后,随着元件温度的升高,发生解吸现象。因此,
使气敏元件恢复正常工作状态,需要一定的时间,称为气
敏元件的初期稳定时间。一般电阻型气敏元件,在刚通电
的瞬间,其电阻值将下降,然后再上升,最后达到稳定。由
开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间,称为初期
稳定时间。初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状
态的函数。存放时间越长,其初期稳定时间也越长。在一
般条件下,气敏元件存放两周以后,其初期稳定时间即可
达最大值。
46
2,烧结型 SnO2气敏元件
SnO2系列气敏元件有 烧结型, 薄膜型 和 厚膜型 三种 。 烧
结型应用最广泛性 。
其敏感体用粒径很小 (平均粒径 ≤ １ μ m)的 SnO2粉体为
基本材料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为
原料。主要用于检测 可燃的还原性 气体，其工作温度约
300℃ 。根据加热方式，分为 直接加热式 和 旁热式 两种 。
（ 1）直接加热式 SnO2气敏元件 (直热式气敏元件 )
内热式气敏器件结构及符号
1
2
3
4
SnO2烧结体
加热极兼电极
(a)结构
4
3
2
1
(b)符号
由芯片 (敏感体和加热器 )，基
座和金属防爆网罩三部分组成
。因其热容量小、稳定性差，
测量电路与加热电路间易相 互
干扰，加热器与 SnO2基体间
由于热膨胀系数的差异而导致
接触不良，造成元件的失效，
现已很少使用。
47
（ 2） 旁热式 SnO2气敏元件
加热器电阻值一
般为 30Ω～ 40Ω 电极 加热器
瓷绝缘管
旁热式气敏器件结构及符号
SnO2烧结体
1
2
3
4
5
6
（ a）结构 （ b）符号
7
100目不锈钢网 ?18.4
?1
23
1
2
3
4 5
6
7 45°
45°
气敏元件外形和引出线分布
48
三, 氧化锆氧气传感器
固体电解质是具有离子导电性能的固体物质 。 一般
认为, 固体物质 (金属或半导体 )中, 作为载流子传导电
流的是正, 负离子 。 可是, 在固体电解质中, 作为载流
子传导电流的, 却主要是离子 。 二氧化锆 （ ZrO2） 在高
温下 (但尚远未达到熔融的温度 )具有 氧离子传导性 。
纯净的二氧化锆在常温下属于单斜晶系, 随着温度
的升高, 发生相转变 。 在 1100℃ 下, 为正方晶系,
2500℃ 下, 为立方晶系, 2700℃ 下熔融, 在熔融二氧化
锆中添加氧化钙, 三氧化二钇, 氧化镁等杂质后, 成为
稳定的正方晶型, 具有莹石结构, 称为稳定化二氧化锆 。
并且 由于杂质的加入, 在二氧化锆晶格中产生氧空位,
其浓度随杂质的种类和添加量而改变, 其离子电导性也
随杂质的种类和数量而变化 。
49
在二氧化锆中添加氧化钙, 三
氧化二钇等添加物后,其离子电
导都将发生改变 。 尤其是在氧
化钙添加量为 15％ mol左右时,
离子电导出现极大值 。 但是,
由于二氧化锆一氧化钙固溶体
的离子活性较低, 要在高温下,
气敏元件才有足够的灵敏度 。
添加三氧化二钇的 ZrO2－ Y2O3固
溶体, 离子活性较高, 在较低
的温度下, 其离子电导都较大,
如图 。 因此, 通常都用这种材
料制作固定电解质氧敏元件 。
添加 Y2O3的 ZrO2固体电解质材
料, 称为 YSZ材料 。
5 10 15 20
1
2
3
4
Yb2O3
Y2O3
CaO
氧化物添加量 /% mol
ZrO2中杂质含量与电导关系
离子电导 lgα /Ω -1cm-1
50
ZrO2系固体电解质的离子电导与温度关系
5
600 800 1000 1200
10-1
10-2
10-3
10-4
1 2
3
4
6 7
t /℃
离
子
电
导
/Ω -1
cm-1
1 添加 8%molYb2O3 ； 2 ZrO0.92 SC2O30.04 Yb2O30.04
3 ZrO2 ； 4 添加 10%molY2O3 ； 5 添加 13%molCaO
6 添加 15%molY2O3 ； 7 添加 10%molCeO
51
四, 气体传感器的应用
分为检测, 报警, 监控等几种类型 。
1,电源电路
一般气敏元件的工作电压不高 (3V～ 10V)，其工作
电压，特别是供给加热的电压，必须稳定。否则，将导
致加热器的温度变化幅度过大，使气敏元件的工作点漂
移，影响检测准确性。
2、辅助电路
由于气敏元件自身的特性 (温度系数、湿度系数、
初期稳定性等 )，在设计、制作应用电路时，应予以考
虑。如采用温度补偿电路，减少气敏元件的温度系数引
起的误差；设置延时电路，防止通电初期，因气敏元件
阻值大幅度变化造成误报；使用加热器失效通知电路，
防止加热器失效导致漏报现象。下 图是一温度补偿电路
52
当环境温度降低时，
则负温度热敏电阻
(R5)的阻值增大，
使相应的输出电压
得到补偿。
BZ
~U
气敏传感器
氖管
蜂鸣器
NTC电阻
W
R1
R2
R3
R4
R5
R6
SCR
右图为正温度系数热敏
电阻 (R2)的延时电路 。
刚通电时, 其电阻值也
小, 电流大部分经热敏
电阻回到变压器, 蜂鸣
器 (BZ)不发出报警 。
当通电 1～ 2min后, 阻
值急剧增大, 通过蜂鸣
器的电流增大, 电路进
入正常的工作状态 。
BZ
气敏传感器
PTC电阻
R2
R1
R3
R4
BCR
~U
B
蜂鸣器
氖管
53
3,检测工作电路
这是气敏元件应用电路的主体部分 。
下图是设有串联蜂鸣器的应用电路 。 随着环境中可燃性
气体浓度的增加, 气敏元件的阻值下降到一定值后, 流
入蜂鸣器的电流, 足以推动其工作而发出报警信号 。
~220V
BZ
氖管
家用可燃性气体报警器电路
气敏传感器
蜂鸣器
B
R
54
下图是差分式可燃性气体检测仪电路原理图 。
在此电路中, BG1,BG2的参数应力求一致, 最好
选用差分对管 。 采用这种差分电路, 检测气体的灵敏
度可达 100 × 10－ 6。
K1 W11
W31
W41
W21 R3 R2
BG1 BG2
R4
R5
K2
3V
6V
μA
差分式可燃性气体检测仪电路
R1
RQ
55
下图是家用煤气 (CO)安全报警电路 。
一部分是煤气报警器, 在煤气浓度达到危险界限前发生警
报；另一部分是开放式负离子发生器, 其作用是自动产生
空气负离子, 使煤气中主要有害成分一氧化碳与空气负离
子中的臭氧 (O3)反应, 生成对人体无害的二氧化碳 。
IC1
IC2
J
BG
3
~220V
K
J1
R10
R12
R11
R1 R
2 R3
R4
BG1
BG2
C1
C2 C3 C4
R5
R6
R7
R8
R13
R9
D1 D2
D3
D4
D5
Dw
W1
W2
C7
C5
C6
MT2
MT1
3CTS3
RQ
A
B
LED 6 2
1
3
7
4
8
5
2
13
8
7
B1
B2 D7
煤气安全报警器原理图
56
第三节 湿度传感器
精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所，气象预
报、医疗卫生、食品加工等行业都有广泛的应用。
湿度传感器依据使用材料分类,
电解质型,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 。
陶瓷型,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 。
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 。 有
机高分子的材料种类也很多,工作原理也各不相同 。
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。制成二极管湿敏器件和 MOSFET湿度敏感器件
等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。
57
一, 湿度表示法
空气中含有水蒸气的量称为湿度, 含有水蒸气的空气
是一种混合气体 。 主要有质量百分比和体积百分比, 相
对湿度和绝对湿度, 露点 （ 霜点 ） 等表示法 。
1,质量百分比和体积百分比
质量为 M的混合气体中, 若含水蒸气的质量为 m,则
质量百分比为
v／ V× 100％
这两种方法统称为水蒸气百分含量法。
m／ M× 100％
在体积为 V的混合气体中，若含水蒸气的体积为 v，则
体积百分比为
58
2,相对湿度和绝对湿度
水蒸气压是指在一定的温度条件下, 混合气体中存
在的水蒸气分压 (p)。 而饱和蒸气压是指在同一温度下,
混合气体中所含水蒸气压的最大值 (ps)。 温度越高, 饱
和水蒸气压越大 。 在某一温度下, 其水蒸气压同饱和蒸
气压的百分比, 称为相对湿度
绝对湿度表示单位体积内, 空气里所含水蒸气的质量,
其定义为
%1 0 0??
sp
pRH
V
m
v ??
m——待测空气中水蒸气质量；
V——待测空气的总体积；
ρv——待测空气的绝对湿度。
如果把待测空气看作是由水蒸气和干燥空气组成的二元
理想混合气体, 根据道尔顿分压定律和理想气体状态方
程, 可得出,
RT
pM?? P：空气中水蒸气分压； M：水蒸气的摩尔质量 R：理想气体常数； T：空气的绝对温度。
59
3,露 （ 霜 ） 点
水的饱和蒸气压随温度的降低而逐渐下降。在同样的空
气水蒸气压下，温度越低，则空气的 水蒸气压 与同温度
下水的 饱和蒸气压 差值越小。当空气温度下降到某一温
度时，空气中的水蒸气压与同温度下水的饱和水蒸气压
相等。此时，空气中的水蒸气将向液相转化而凝结成 露
珠,相对湿度为 100％ RH。 该温度,
50 10 20 30 40 -10
0
10
20
30
40
50
温度 /℃
10%RH
露点 /℃ 90%RH 80%RH
70%RH
60%RH
50%RH
40%RH
20%RH
30%RH
称为空气的 露点温度,
简称露点。如果这一温
度低于 0℃ 时，水蒸气
将结霜, 又称为 霜点温
度 。两者统称为露点。
空气中水蒸气压越小，
露点越低，因而可用露
点表示空气中的湿度。
60
二, 湿度传感器的主要参数
1,湿度量程
指湿度传感器技术规范中所规定的感湿范围 。 全湿度
范围用相对湿度 (0～ 100)％ RH表示, 它是湿度传感器
工作性能的一项重要指标 。
2,感湿特征量 ——相对湿度特性
每种湿度传感器都有其感湿特征量，如电阻、电容等，
通常用电阻比较多。以电阻为例，在规定的工作湿度范
围内，湿度传感器的电阻值随环境湿度变化的关系特性
曲线，简称 阻湿特性 。有的湿度传感器的电阻值随湿度
的增加而增大，这种为 正特性湿敏电阻器,如 Fe3O4湿
敏电阻器。有的阻值随着湿度的增加而减小，这种为 负
特性湿敏电阻器,如 TiO2－ SnO2陶瓷湿敏电阻器。对
于这种湿敏电阻器，低湿时阻值不能太高，否则不利于
和测量系统或控制仪表相连接。
61
3,感湿灵敏度
简称灵敏度, 又叫湿度系数 。 其定义是在某一相对湿度
范围内, 相对湿度改变 1％ RH时, 湿度传感器电参量的
变化值或百分率 。
各种不同的湿度传感器，对灵敏度的要求各不相同，
对于低湿型或高湿型的湿度传感器，它们的量程较窄，
要求灵敏度要很高。但对于全湿型湿度传感器，并非灵
敏度越大越好，因为电阻值的动态范围很宽，给配制二
次仪表带来不利，所以灵敏度的大小要适当。
62
4,特征量温度系数
反映湿度传感器在感湿特征量 ——相对湿度特性曲线随
环境温度而变化的特性 。 感湿特征量随环境温度的变化
越小, 环境温度变化所引起的相对湿度的误差就越小 。
在环境温度保持恒定时, 湿度传感器特征量的相对变化
量与对应的温度变化量之比, 称为 特征量温度系数 。
1 0 0
1
21 ?
?
?
TR
RR
1 0 0
1
21 ?
?
?
TC
CC
Δ T——温度 25℃ 与另一规定环境温度之差；
R1(C1)——温度 25℃ 时湿度传感器的电阻值 (或电容值 )；
R2(C2)——另一规定环境温度时湿度传感器的电阻值 (或电容值 )。
电容温度系数 (%/℃ )=
电阻温度系数 (%/℃ )=
63
5,感湿温度系数
反映湿度传感器温度特性的一个比较直观, 实用的物理
量 。 它表示在两个规定的温度下, 湿度传感器的电阻值
(或电容值 )达到相等时, 其对应的相对湿度之差与两个
规定的温度变化量之比, 称为感湿温度系数 。 或环境温
度每变化 1℃ 时, 所引起的湿度传感器的湿度误差 。 感
湿温度系数
ΔT——温度 25℃ 与另一规定环境温度之差；
H1——温度 25℃ 时湿度传感器某一电阻值 (或电容值 )对
应的相对湿度值；
H2——另一规定环境温度下湿度传感器另一电阻值 (或电
容值 )对应的相对湿度 。
下图为感湿温度系数示意图 。
T
HH
?
? 21(%RH/℃ )=
64
相对湿度 /%
H1 H2 H2
感湿温度系数示意图
相对湿度 /%
H1 H2 H2
R C
T2
T2 T2
T2
25℃ 25℃
(a) 电阻型 (b)电容型
65
6,响应时间
在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的
电参量达到稳态变化量的规定比例所需要的时间。一般
是以相应的起始和终止这一相对湿度变化区间的 63％作
为相对湿度变化所需要的时间，也称时间常数，它是反
映湿度传感器相对湿度发生变化时，其反应速度的快慢。
单位是 s。也有规定从起始到终止 90％的相对湿度变化作
为响应时间的。响应时间又分为 吸湿响应时间 和 脱湿响
应时间 。大多数湿度传感器都是脱湿响应时间大于吸湿
响应时间，一般以脱湿响应时间作为湿度传感器的响应
时间。
66
7,电压特性
当用湿度传感器测量湿度时, 所加的测试电压, 不能
用直流电压 。 这是由于加直流电压引起感湿体内水分子
的电解, 致使电导率随时间的增加而下降, 故测试电压
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。
可见，测试电压小于 5V时，
电压对阻 ——湿特性没有影
响。但交流电压大于 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
U/V
67 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测试电压频率的关系，如图。
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，在各种
湿度下，当测试频率小于 103Hz时，阻值不随使用频率
而变化，故该湿度传感器使用频率的上限为 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。
68
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
0.01
0.1
1
10
R/108Ω
相对湿度 /%
① ② ③ ④ ⑤
④ 1.0 % LiCl
⑤ 2.2%LiCl
③ 0.5% LiCl
② 0.25% 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
0.01
0.1
1
10
相对湿度 /%
R/108Ω
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
69
四, 陶瓷湿度传感器
利用半导体陶瓷材料制成的陶瓷湿度传感器。具有许多
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，常温湿度传感器的工作温度在 150℃ 以下，而
高温湿度传感器的工作温度可达 800℃,响应时间较短，
精度高，抗污染能力强，工艺简单，成本低廉。
典型产品是烧结型陶瓷湿敏元件是 MgCr2O4－ TiO2系 。
此外, 还有 TiO2-V2O5 系, ZnO － Li2O － V2O5 系,
ZnCr2O4系, ZrO2－ MgO系, Fe3O4系, Ta2O5系等 。 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 。
70
1,结构
该湿度传感器的感湿体是 MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。这
种多孔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
71
2,主要特性与性能
（ 1） 电阻一湿度特性
MgCr2O4－ TiO2系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
107Ω下降到 104Ω，即变化了三个数量级。
20 40 60 80 100 10
3
104
105
106
107
108
相对湿度 /%
R/Ω
72
（ 2） 电阻 — 温度特性
是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，其感湿负温度系数为 –
0.38％ 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 10
3
104
105
106
107
108
相对湿度 /%
20℃
40℃
60℃
80℃
R/Ω
MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的电阻 — 温度特性
73
MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的时间响应特性
20
40
60
80
100
0 10 20 30
94%RH 50%RH
1%RH 50%RH
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。
74
（ 4） 稳定性
制成的 MgCr2O4-TiO2系陶瓷类湿度传感器, 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 。
75
五, 高分子湿度传感器
用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。某些高分子电介质吸湿后,介电常数 明
显改变，制成了电容式湿度传感器；某些高分子电解质
吸湿后,电阻 明显变化，制成了电阻式湿度传感器；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,制成了结露传感器。
（ 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
76
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, 所以根据
电容量的变化可测得相对湿度 。
77
（ 2） 响应特性
由于高分子薄膜可以做得极薄, 所以吸湿响应时间都很
短, 一般都小于 5s,有的响应时间仅为 1s。
（ 3） 电容一温度特性
电容式高分子膜湿度传感器的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 0.06％ RH/℃
相对湿度 /%
0 50 100 200
250
300
350
电容 — 湿度特性
C/pF
（ f=1.5MHZ）
（ 1）电容 — 湿度特性
其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
l.5MHz左右时,其输出特性有良好的
线性度。对其它测试频率,如 1kHz、
10kHz，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。
78
（ 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
79
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<± 3%RH
电阻 — 湿度特性
80
（ 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 (–0.6％～ –
1.0％ )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℃
R/Ω
相对湿度 /%
81
（ 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快,
降湿响应时间比较慢, 响应时间在一分钟之内 。 湿滞比
较小, 在 (1％ ～ 2％ )RH之间 。 这种湿度传感器具有良好
的稳定性 。 存储一年后, 其最大变化不超过 2％ RH,完
全可以满足器件稳定性的要求 。
高分子薄膜湿度传感器的缺点是：对于含有机溶媒
气体的环境下测湿时，器件易损坏；另外不能用于 80℃
以上的高温。
82
六, 湿度传感器的测量电路
（ 一 ） 检测电路的选择
1,电源选择
一切电阻式湿度传感器都必须使用交流电源, 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是，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。
83
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
?
?
??
?
? ?? AH
T
BRR e x p
0
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＝
2
1
T
B
T
R
R ???
? 湿度系数＝ A
H
R
R ???
?1
湿度温度系数＝
2AT
B
T
H ?
?
??
湿度系数
温度系数
若传感器的湿度温度系数为 0.07％ RH/℃,工作温度差为
30℃,测量误差为 0.21％ RH/℃,则不必考虑温度补偿；
若湿度温度系数为 0.4％ RH/℃,则引起 12％ RH/℃ 的误差,
必须进行温度补偿。
84
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，这给湿度的测量、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 R
T
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
85
（ 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,
由于湿度变化使湿度传感器的阻值发生变化, 于是电桥
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
86
100kΩ
传感器
湿度
3AX3 ╳ 2 10kΩ
100kΩ╳ 6
3DG6
2kΩ
2kΩ
2.2kΩ 9V
10μ F 10μ F
20μ F
10μ F
20μ F
3kΩ╳ 2
U
10μ F
51kΩ
51kΩ
100mA
便携式湿度计的实际电路
87
2,欧姆定律电路
此电路适用于可以流经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, 可以用市电作为电源, 只要用降压变压器即可 。
其电路图如图 。
欧姆定律电路
~220V
22kΩ
51kΩ
3V
2AP9╳ 4
输入
Rd 插口
0.05μ F╳ 2
88
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 (20kΩ，
B=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％ )RH,15℃ ～ 35℃ 范围内, 输出电压表
示的湿度误差不超过 3％ RH。
_
+
_
+ 1V 120HZ
51kΩ 91kΩ
22kΩ
91kΩ
RH
+12V
-12V
D
20μ F
47kΩ
100kΩ
100kΩ
330kΩ
UOUT
-VS
Rt
A2
A1
第一节 光纤传感器
第二节 气敏传感器
第三节 湿度传感器
第六章 其他种类的传感器
2
光纤传感器 (FOS Fiber Optical Sensor)是 20世纪 70年
代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它
是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础
的传感器有本质区别。光纤传感器 用光作为敏感信息的
载体,用光纤作为 传递敏感信息的媒质 。因此，它同时
具有光纤及光学测量的特点。
① 电绝缘性能好 。
② 抗电磁干扰能力强 。
③ 非侵入性 。
④ 高灵敏度 。
⑤ 容易实现对被测信号的远距离监控 。
光纤传感器可测量位移, 速度, 加速度, 液位, 应变,
压力, 流量, 振动, 温度, 电流, 电压, 磁场等物理量
第一节 光纤传感器
3
一, 光导纤维导光的基本原理
光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基
本原理 。 然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而
折射率变化缓慢的空间,可以用, 光线, 即 几何光学 的方
法来分析光波的传播现象,这对于光纤中的 多模光纤 是完
全适用的 。 为此,采用几何光学的方法来分析 。
1,斯乃尔定理 （ Snell's Law）
当光由光密物质 (折射率大 )入射至光疏物质时发生折射，
如图 (a)，其折射角大于入射角，即 n1＞ n2时,θ r＞ θ i。
n1
n2 θ r
θ i
(a)光的折射示意图 可见, 入射角 θ i增大时, 折射角
θ r也随之增大, 且始终 θ r＞ θ i。
n1,n2,θ r,θ i之间的数学关系为
n1sinθi=n2sinθr
4
当 θ i＞ θ i0并继续增大时,θ r＞ 90o，这时便发生全反射
现象，如图 (c),其出射光不再折射而全部反射回来。
式中,θ i0——临界角
θi0=arcsin(n2/n1)
sinθi0=n2/n1
sinθ r＝ sin90o＝ 1
n1
n2 θ
r
θ i
(c)光全反射示意图
n1
n2 θ r
θ i
(b)临界状态示意图
当 θ r=90o时, θ i仍＜ 90o,此时,
出射光线沿界面传播如图 （ b）,
称为临界状态 。 这时有
5
2,光纤结构
分析光纤导光原理, 除了应用斯乃尔定理外还须结合光
纤结构来说明 。 光纤呈圆柱形, 它由玻璃纤维芯 (纤芯 )
和玻璃包皮 (包层 )两个同心圆柱的双层结构组成 。
纤芯位于光纤的中心部位, 光主要在这里传输 。 纤
心折射率 n1比包层折射率 n2稍大些, 两层之间形成良好
的光学界面, 光线在这个界面上反射传播 。
2R 2r
n2
n1
n
n2 n
1
纤
芯
包
层
光纤结构
6
3,光纤导光原理及数值孔径 NA
入射光线 AB与纤维轴线 OO相交角为 θ i,入射后折射 (折
射角为 θ j)至纤芯与包层界面 C点, 与 C点界面法线 DE成
θ k角, 并由界面折射至包层, CK与 DE夹角为 θ r。 则
n0sinθi=n1sinθj
n1sinθ k=n2sinθ r
sinθ
i=(n1/n0)sinθ j
sinθ k=(n2/n1)sinθ r
因 θ j=90o－ θ k 所以
θ j θ
i
θ k
θ r
A
B
C
D
E
F
G K
O O
n0 n2
n1
光纤导光示意图
KKki n
n
n
n
n
n ???? 2
0
1
0
1
0
1 s i n1c o s)90s i n (s i n ??????
rri nnnn
n
n
n ??? 22
2
2
1
0
2
1
2
0
1 s i n1s i n1s i n ??
??
?
?
??
?
?
??
n0为入射光线 AB所在
空间的折射率，一般
为空气，故 n０ ≈ 1,nl
为纤芯折射率,n2为包
层折射率。当 n０ =1时
7
上式 sinθi0为, 数值孔径, NA(Numerical Aperture)。
由于 n1与 n2相差较小, 即 n1+n2≈ 2n1,故又可因式分解为
ri nn ??
22
2
2
1 s i ns i n ??
2
2
2
10s i n nni ???
?? 2s in 10 ni?
Δ =(n1-n2)/n1称为相对折射率差
当 θr=90o的临界状态时,θi=θi0
当 θr<90o时, sinθi>NA,θi>arcsin NA,光线消失 。
这说明 arcsinNA是一临界角,凡入射角 θ i＞ arcsinNA的
那些光线进入光纤都不能传播而在包层消失；相反,只有
入射角 θ i＜ arcsinNA的光线才可进入光纤被全反射传播
当 θr=90o时
当 θr>90o时，光线发生全反射，则
sinθi0=NA θi0=arcsin NA
θi<θi0=arcsin NA
8
二, 光纤传感器结构原理及分类
1,光纤传感器结构原理
以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可
测的电信号的装置 。 它的电源, 敏感元件, 信号接收和
处理系统以及信息传输均用金属导线连接, 见图 (a)。 光
纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号
的装置 。 由光发送器, 敏感元件 (光纤或非光纤的 ),光
接收器, 信号处理系统以及光纤构成, 见图 (b)。
光纤
信号处理 光接收器
敏感元件
光发送器
（ b） 光纤传感器
信号处理
电 源
信号接收
敏感元件
（ a） 传统传感器
导线
由光发送器发出的光经源光
纤引导至敏感元件。这时，
光的某一性质受到被测量的
调制，已调光经接收光纤耦
合到光接收器，使光信号变
为电信号，最后经信号处理
得到所期待的被测量。
9
可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较, 在
测量原理上有本质的差别 。 传统传感器是以 机 —电测量
为基础, 而光纤传感器则以 光学测量 为基础 。
光是一种电磁波, 其波长从极远红外的 lmm到极远
紫外线的 10nm。 它的 物理作用 和 生物化学作用 主要因其
中的电场而引起 。 因此, 讨论光的敏感测量必须考虑光
的电矢量 E的振动, 即
A——电场 E的振幅矢量； ω——光波的振动频率；
φ——光相位； t——光的传播时间 。
可见, 只要使光的 强度, 偏振态 (矢量 A的方向 ),频率
和 相位 等参量之一随被测量状态的变化而变化, 或受被
测量调制, 那么, 通过对光的强度调制, 偏振调制, 频
率调制或相位调制等进行解调, 获得所需要的被测量的
信息 。
? ??? ?? tAE s i n
10
传感器 光学现象 被测量 光纤 分类
干
涉
型
相位调
制光线
传感器
干涉（磁致伸缩）
干涉（电致伸缩）
Sagnac效应
光弹效应
干涉
电流、磁场
电场、电压
角速度
振动、压力、加速度、位移
温度
SM,PM
SM,PM
SM,PM
SM,PM
SM,PM
a
a
a
a
a
非
干
涉
型
强度调制
光纤温度
传感器
遮光板遮断光路
半导体透射率的变化
荧光辐射、黑体辐射
光纤微弯损耗
振动膜或液晶的反射
气体分子吸收
光纤漏泄膜
温度、振动、压力、加速度、位移
温度
温度
振动、压力、加速度、位移
振动、压力、位移
气体浓度
液位
MM
MM
MM
SM
MM
MM
MM
b
b
b
b
b
b
b
偏振调
制光纤
温度传
感器
法拉第效应
泡克尔斯效应
双折射变化
光弹效应
电流、磁场
电场、电压,
温度
振动、压力、加速度、位移
SM
MM
SM
MM
b,a
b
b
b
频率调制
光纤温度
传感器
多普勒效应
受激喇曼散射
光致发光
速度、流速、振动、加速度
气体浓度
温度
MM
MM
MM
c
b
b
注,MM多模； SM单模； PM偏振保持； a,b,c功能型、非功能型、拾光型
2、光纤传感器的分类
11
（ 1） 根据光纤在传感器中的作用
光纤传感器分为 功能型, 非功能型 和 拾光型 三大类 。
1） 功能型 （ 全光纤型 ） 光纤传感器
利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤 (或特
殊光纤 )作传感元件, 将, 传, 和, 感, 合为一体的传
感器 。 光纤不仅起传光作用, 而且还利用光纤在外界因
素 (弯曲, 相变 )的作用下, 其光学特性 (光强, 相位, 偏
振态等 )的变化来实现, 传, 和, 感, 的功能 。 因此,
传感器中光纤是连续的 。 由于光纤连续, 增加其长度,
可提高灵敏度 。
信号处理 光受信器
光纤敏感元件
光发送器
12
2） 非功能型 （ 或称传光型 ） 光纤传感器
光纤仅起导光作用，只, 传, 不, 感,,对外界信息的
,感觉, 功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤
不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术
，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵
敏度要求不太高的场合。
信号处理 光受信器
敏感元件
光发送器
光纤
3） 拾光型光纤传感器
用光纤作为探头, 接收由
被测对象辐射的光或被其反射,
散射的光 。 其典型例子如光纤
激光多普勒速度计, 辐射式光
纤温度传感器等 。
信号
处理
光受
信器
光发送器
光纤
耦合器
被测对象
13
（ 2） 根据光受被测对象的调制形式
形式,强度调制型, 偏振调制, 频率调制, 相位调制 。
1） 强度调制型光纤传感器
是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的 折射率,
吸收 或 反射 等参数的变化, 而导致光强度变化来实现敏
感测量的传感器 。 有利用光纤的 微弯损耗 ；各物质的 吸
收特性 ；振动膜或液晶的 反射光强度 的变化；物质因各
种粒子射线或化学, 机械的激励而发光的现象；以及物
质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力, 振动, 温度,
位移, 气体等各种强度调制型光纤传感器 。
优点,结构简单, 容易实现, 成本低 。
缺点,受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。
14
2） 偏振调制光纤传感器
是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传
感器 。 有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成
的电流, 磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传
播的泡尔效应做成的电场, 电压传感器；利用物质的光
弹效应构成的压力, 振动或声传感器；以及利用光纤的
双折射性构成温度, 压力, 振动等传感器 。 这类传感器
可以避免光源强度变化的影啊, 因此灵敏度高 。
3） 频率调制光纤传感器
是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的
频率发生变化 来进行监测的传感器。有利用运动物体反
射光和散射光的 多普勒效应 的光纤速度、流速、振动、
压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的 喇曼散
射 构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；
以及利用 光致发光 的温度传感器等。
15
4） 相位调制传感器
其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用, 使
敏感元件的折射率或传播常数发生变化, 而导致光的相
位变化, 使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化, 通
过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量, 从而
得到被测对象的信息 。 通常有利用光弹效应的声, 压力
或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流, 磁场传感器；
利用电致伸缩的电场, 电压传感器以及利用光纤赛格纳
克 （ Sagnac） 效应的旋转角速度传感器 （ 光纤陀螺 ） 等 。
这类传感器的灵敏度很高 。 但由于须用特殊光纤及高精
度检测系统, 因此成本高 。
16
三, 光纤传感器的应用
（ 一 ） 温度的检测
光纤温度传感器有功能型和传光型两种 。
1、遮光式光纤温度计
下图为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度
开关。可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变
1 2
3
4
水银柱式光纤温度开关
1 浸液 2 自聚焦透镜 3 光纤 4 水银
17
下图为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计 。 当
温度升高时, 双金属片的变形量增大, 带动遮光板在垂
直方向产生位移从而使输出光强发生变化 。 这种形式的
光纤温度计能测量 10℃ ～ 50℃ 的温度 。 检测精度约为
0.5℃ 。 它的缺点是输出光强受壳体振动的影响, 且响
应时间较长, 一般需几分钟 。
光源 接收
热双金属式光纤温度开关
1 2
1 遮光板 2 双金属片
18
2,透射型半导体光纤温度传感器
当一束白光经过半导体晶体片时, 低于某个特定波
长 λ g的光将被半导体吸收,而高于该波长的光将透过半
导体 。 这是由于半导体的本征吸收引起的,λ g称为 半导
体的本征吸收波长 。 电子从价带激发到导带引起的吸收
称为 本征吸收 。 当一定波长的光照射到半导体上时,电
子吸收光能从价带跃迁入导带,显然,要发生本征吸收,光
子能量必须大于半导体的禁带宽度 Eg,即
gEh ??
g
g E
hc
?? ??因 λ ＝ c/v，则产生本征吸收条件
h ——普朗克常数； v ——光频率
因此, 对于波长大于 λ g的光, 能透过半导体, 而波长
小于 λ g的光将被半导体吸收 。 不同种类的半导体材料
具有不同的本征吸收波长, 图 为 在室温 (20℃ )
时,120μ m厚的 GaAs材料的透射率曲线 。
19
由图看出, GaAs在室温时
的本征吸收波长约为
880nm左右, 半导体的吸
收光谱与 Eg有关, 而半导
体材料的 Eg随温度的不同
而不同, Eg与温度 t的关系
可表示为
? ? ? ?
t
tEtE
gg ??? ?
? 20
式中,Eg（ 0） ——绝对零度时半导体的禁带宽度；
α——经验常数 (eV／ K)； β ——经验常数 (K)。
850 800 900 950 1000
0
10
20
30
40
t=20℃
波长 λ /nm
GaAs的光谱透射率曲线
透
射
率
(%)
? ? eVE g 5 2 2.10 ?对于 GaAs材料，由实验得到
α =5.8× 10-4eV/K β=300K
20
由此可见, 半导体材料的 Eg随温度上升而减小, 亦即其
本征吸收波长 λ g随温度上升而增大 。 反映在半导体的
透光特性上, 即当温度升高时, 其透射率曲线将向长波
方向移动 。 若采用发射光谱与半导体的 λ g(t)相匹配的
发光二极管作为光源, 如图, 则透射光强度将随着温度
的升高而减小 。
LED发光光谱
半导体透射率
T1<T2<T3
T3
T1
T2
相
对
发
光
强
度
半导体透射测量原理
透
射
率
波长
21
（ 二 ） 压力的检测
种类,强度调制型, 相位调制型 和 偏振调制型 三类 。
1,采用弹性元件的光纤压力传感器
利用弹性体的受压变形, 将压力信号转换成位移信号,
从而对光强进行调制 。 因此, 只要设计好合理的弹性元
件及结构, 就可以实现压力的检测 。 下图为简单的利用
Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器 。 在 Y形光纤束
前端放置一感压膜片, 当膜片受压变形时, 使光纤束与
膜片间的距离发生变化, 从而使输出光强受到调制 。
膜片反射式光纤压力传感器示意图
光源
接收
1 2
1 Y形光纤束 2 壳片 3 膜片
3 P
22
弹性膜片材料是恒弹性金属, 如殷钢, 铍青铜等 。
但金属材料的弹性模量有一定的温度系数, 因此要考虑
温度补偿 。 若选用石英膜片, 则可减小温度的影响 。
膜片的安装采用周边固定, 焊接到外壳上 。 对于不
同的测量范围, 可选择不同的膜片尺寸 。 一般膜片的厚
度在 0.05mm～ 0.2mm之间为宜 。 对于周边固定的膜片,
在小挠度 (y＜ 0.5t,t为膜片厚度 )的条件下, 膜片的中心
挠度 y为
? ?
p
Et
R
y
3
42
16
13 ??
?
R—膜片有效半径； t—膜片厚度；
p—外加压力；
E－膜片材料的弹性模量；
μ —为膜片的泊松比。
可见, 在一定范围内, 膜片中心挠度与所加的压力
呈线性关系 。 若利用 Y形光纤束检测位移特性的线性区,
则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系 。
这种传感器结构简单, 体积小, 使用方便, 但如果 光源
不稳定 或长期使用后膜片的 反射率下降, 影响其精度 。
23
改进型的膜片反射式光纤压力传感器的结构如图 (a),这
里采用了特殊结构的光纤束, 光纤束的一端分成三束,其
中 一束为输入光纤,两束为输出光纤 。 三束光纤在另一端
结 合成一束,并且在端面成同心环排列分布,如图 (b)。 其
中最里面一圈为输出光纤束 1,中间一圈为输入光纤束,外
面一圈为输出光纤束 2。 当压差为零时, 膜片不变形,反
射到两束输出光纤的光强相等,即 I1＝ I2。 当膜片受压变
形后,使得处于里面一圈的光纤束,接收到的反射光强减
小,而处于外面一圈的光纤束 2接到的反射光强增大,形成
差动输出 。
4
p>0 P=0 P<0
(a)传感器结构 (b)探头截面结构 (c)测量原理
P
I2
I1
I0
2(外圈 )
1 (内圈 )
I1
I0
I2
I1
I0
I2
I1
I0
I2
3 (输入 )
24
可见, 输出光强比 I2／ Il与膜片的 反射率, 光源强度 等
因素均无关, 因而可有效地消除这些因素的影响 。
将上式两边取对数且满足 (Ap)2≤ 1时,等式右边展开后
取第一项, 得到
这表明待测压力与输出光强比的 对数呈线性 关系 。 因此,
若将 I1,I2检出后分别经对数放大后, 再通过减法器即
可得到线性的输出 。
若选用的光纤束中每根光纤的芯径为 70μm,包层厚度
为 3.5μm,纤芯和包层折射率分 别为 1.52和 1.62,则该传感
器可获得 115dB的动态范围,线性度为 0.25％ 。 采用不同
的尺寸, 材料的膜片,即可获得不同的测量范围 。
Ap
Ap
I
I
?
??
1
1
1
2
A
p
I
I
2
ln
1
2 ?
两束输出光的光强之比为
A——与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数；
p— —待测量压力。
25
2,光弹性式光纤压力传感器
晶体在受压后其折射率发生变化, 呈现 双折射 的现
象称为 光弹性效应 。 利用光弹性效应测量压力的原理及
传感器结构如图 。 发自 LED的入射光经起偏器后成为直
线偏振光 。 当有与入射光偏振方向呈 45o的压力作用于晶
体时, 使晶体呈双折射从而使出射光成为椭圆偏振光,
由检偏器检测出与入射光偏振方向相垂直方向上的光强,
即可测出压力的变化 。 其中 1/4波长板用于提供一偏置,
使系统获得最大灵敏度 。
(b)传感器结构
1 2 3 4 5
P
(a)检测原理
P
6 7
8 9 10 11
1 光源 2,8 起偏器 3,9 1/4波长板 4,10 光弹性元件
5,11 检偏器 6 光纤 7 自聚焦透镜
偏振光 线偏振光 椭圆偏振光
26
为了提高传感器的精度和稳定性, 下图 为 另一种检
测方法的结构 。 输出光用偏振分光镜分别检测出两个 相
互垂直 方向的偏振分量；并将这两个分量经, 差／和,
电路处理, 即可得到与光源强度及光纤损耗无关的输出 。
该传感器的测量范围为 103Pa～ 106Pa,精度为 ± 1％, 理
论上分辨力可达 1.4Pa。
这种结构的传感器在光弹性元件上加上质量块后，
也可用于测量振动、加速度。
输出
前置
放大
前置
放大
I2－ I1
I2+I1
驱动
1 2 3 4 5
6
I1
I2
PD1
PD2
光弹性式光纤压力传感器的另一种结构
1 光纤 2 起偏器 3 光弹性元件 4 1/4波长板 5 偏振分光镜 6 反射镜
p
27
（ 三 ） 液位, 流量, 流速的检测
1,液位的检测技术 （ 1） 球面光纤液位传感器
1 2
(a)探头结构
(b) )检测原理
空气 液体
LED
PD
光由光纤的一端导入,在球状
对折端部一部分光透射出去,
而另一部分光反射回来,由光
纤的另一端导向探测器 。 反
射光强的大小取决于被测介
质的折射率 。 被测介质的折
射率与光纤折射率越接近,反
射光强度越小 。 显然,传感器
处于空气中时比处于液体中
时的反射光强要大 。 因此,该
传感器可用于液位报警 。 若
以探头在空气中时的反射光
强度为基准, 则当接触水时
反射光强变化 –6dB～ –7dB,接
触油时变化 –25dB～ –30dB。
28
（ 2） 斜端面光纤液位传感器
下图为反射式斜端面光纤液位传感器的两种结构 。
同样, 当传感器接触液面时, 将引起反射回另一根光纤
的光强减小 。 这种形式的探头在空气中和水中时, 反射
光强度差约在 20dB以上 。
斜面反射式光纤液位传感器
(a)
1 2
3
(b)
1,2 光纤 3 棱镜
29
（ 3） 单光纤液位传感器
单光纤液位传感器的结构如图, 将光纤的端部抛光
成 45o的圆锥面 。 当光纤处于空气中时, 入射光大部分
能在端部满足全反射条件而返回光纤 。 当传感器接触液
体时, 由于液体的折射率比空气大, 使一部分光不能满
足全反射条件而折射入液体中, 返回光纤的光强就减小 。
利用 X形耦合器即可构成具有两个探头的液位报警传感
器 。 同样, 若在不同的高度安装多个探头, 则能连续监
视液位的变化 。
单光纤液位传感器结构
1
2
1 光纤 2 耦合器
30
上述探头在接触液面时能快速响应, 但在探头离开
液体时, 由于有液滴附着在探头上, 故不能立即响应 。
为了克服这个缺点, 可将探头的结构作一些改变, 如图 。
将光纤端部的尖顶略微 磨平, 并镀上反射膜 。 这样, 即
使有液体附着在顶部, 也不影响输出跳变 。 进一步的改
进是在顶部镀反射膜外粘上一 突出物, 将附着的液体导
引向突出物的下端 。 这样, 可以保证探头在离开液位时
也能快速地响应 。
改进的光纤液位探头
31
2,流量, 流速的检测
（ 1） 光纤涡街流量计
当一个非流线体置于流体中时, 在某些条件下会在
液流的下游产生有规律的旋涡 。 这种旋涡将会在该非流
线体的两边交替地离开 。 当每个旋涡产生并泻下时, 会
在物体壁上产生一侧向力 。 这样, 周期产生的旋涡将使
物体受到一个周期的压力 。 若物体具有弹性, 它便会产
生振动, 振动频率近似地与流速成正比 。 即
式中,v— —流体的流速；
d——物体相对于液流方向的横向尺寸；
s——与流体有关的无量纲常数 。
因此, 通过检测物体的振动频率便可测出流体的流
速 。 光纤涡街流量计便是根据这个原理制成的, 其结构
如图 。
f＝ sv／ d
32
纹稳定。当光纤振动时,输出光斑亦发生移动。对于处于
光斑中某个固定位置的小型探测器,光斑花纹的移动反映
为探测器接收到的输出光强的变化。利用频谱分析,即可
测出光纤的振动频率。根据上式或实验标定得到流速值,
在管径尺寸已知的情况下，即可计算出流量。
光纤涡街流量计特点：可靠性好,无任何可动部分和联
接环节,对被测体流阻小,基本不影响流速 。 但在流速很
小时,光纤振动会消失,因此存在一定的测量下限 。
在横贯流体管道的中间装
有一根绷紧的多模光纤，当流
体流动时,光纤就发生振动,其
振动频率近似与流速成正比。
由于使用的是多模光纤,故当光
源采用 相干光源 (如激光器 )时,
其输出光斑是模式间干涉的结
果。当光纤固定时,输出光斑花
光源
频谱
分析记录 探测器
1 2
3
4
5
1 夹具 2 密封胶 3 液体流管 4 光纤 5 张力载荷
33
（ 2） 光纤多普勒流速计
下图 为 利用光纤多普勒计来测量流体流速的原理 。
当待测流体为气体时, 散射光将非常微弱, 此时可采用
大功率的 Ar激光器 （ 出射光功率为 2W,λ =514.5nm）
以提高信噪比 。
特点：非接触测量, 不影响待测物体的流动状态 。
光纤多谱勒流量计结构
探测器 频谱 分析仪
He-Ne激光器
1
2 3 4 5
6
7
8
1,3—— 分束器；
2 ——反射镜；
4—— 透镜；
5 ——流体管道；
6 ——窗口；
7,8 ——光纤
34
第二节 气敏传感器
?接触燃烧式气敏元件
?金属氧化物半导体气敏元件
?氧化锆气敏元件
工作原理、主要类型及应用
35
一, 接触燃烧式气体传感器
1,检测原理
可燃性气体 (H2,CO,CH4等 )与空气中的氧接触,
发生氧化反应, 产生反应热 (无焰接触燃烧热 ),使得作
为敏感材料的铂丝温度升高, 电阻值相应增大 。 一般情
况下, 空气中可燃性气体的浓度都不太高 (低于 10％ )，
可燃性气体可以完全燃烧, 其发热量与可燃性气体的浓
度有关 。 空气中可燃性气体浓度愈大, 氧化反应 (燃烧 )
产生的反应热量 (燃烧热 )愈多, 铂丝的温度变化 (增高 )
愈大, 其电阻值增加的就越多 。 因此, 只要测定作为敏
感件的铂丝的电阻变化值 (Δ R),就可检测空气中可燃
性气体的浓度 。 但是, 使用单纯的铂丝线圈作为检测元
件, 其寿命较短, 所以, 实际应用的检测元件, 都是在
铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒 。 这样既可以延长其使
用寿命, 又可以提高检测元件的响应特性 。
36
接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图 。 图中 F1是检
测元件； F2是补偿元件, 其作用是补偿可燃性气体接触
燃烧以外的环境温度, 电源电压变化等因素所引起的偏
差 。 工作时, 要求在 F1和 F2上保持 100mA～ 200mA的电
流通过, 以供可燃性气体在检测元件 F1上发生氧化反应
(接触燃烧 )所需要的热量 。 当检测元件 F1与可燃性气体
接触时, 由于剧烈的氧化作用 (燃烧 ),释放出热量, 使
得检测元件的温度上升, 电阻值相应增大, 桥式电路不
再平衡, 在 A,B间产生电位差 E。 A
F2 F1 M
R1 R
2
C
B
D
W2
W1
E0
? ?
? ? ???
?
?
?
?
?
???
?
???
?
?
?
???
??
?
21
1
0
21
1
RR
R
RRR
RR
EE
FFF
FF
? ? ? ? FF
F
FF
R
R
R
RRRR
REE ??
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
?
1
2
2121
1
0
因为 Δ RF很小，且 RF1?R1=RF2?R2
37
这样, 在检测元件 F1和补偿元件 F2的电阻比 RF2/RF1接近于
1的范围内, A,B两点间的电位差 E,近似地与 ΔRF成比
例 。 在此, ΔRF是由于可燃性气体接触燃烧所产生的温度
变化 (燃烧热 )引起的, 是与接触燃烧热 (可燃性气体氧化
反应热 )成比例的 。 即 ΔRF可用下式表示
? ? ? ?212110 FF RRRRREk ????
F
F
F R
R
R
kE ?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
1
2
C
Qm
C
HTR
F ???
?????? ????
如果令 则有
ρ — 检测元件的电阻温度系数；
Δ T— 由于可燃性气体接触燃烧所引起的检测元件的温度增加值；
Δ H— 可燃性气体接触燃烧的发热量； C— 检测元件的热容量；
Q— 可燃性气体的燃烧热； m— 可燃性气体的浓度 [％ (Vol)]；
α— 由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。
38
ρ, C和 α的数值与检测元件的材料, 形状, 结构, 表面
处理方法等因素有关 。 Q是由可燃性气体的种类决定 。
因而, 在一定条件下, 都是确定的常数 。 则
?????? ?? CQb ??
A,B间的电位差 E,并由此
求得空气中可燃性气体的浓
度 。 若与相应的电路配合,
就能在空气中当可燃性气体
达到一定浓度时, 自动发出
报警信号, 其感应特性曲线
如图 。
接触燃烧式气敏元件的感应特性
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
50
100
150 输
出
电
压
/
mV
丙烷
乙醇
异丁烷
丙酮
环己烷
气体浓度 (XLEL)
E=k?m?b
即 A,B两点间的电位差与可燃性气体的浓度 m成比例。
如果在 A,B两点间连接电流计或电压计，就可以 测得
39
2,接触燃烧式气敏元件的结构
用高纯的铂丝,绕制成线圈,为了使线圈具有适当的
阻值 (1Ω～ 2Ω),一般应绕 10圈以上 。 在线圈外面涂以氧
化铝或氧化铝和氧化硅组成的膏状 涂 覆层,干燥后在一
定温度下烧结成球状多孔体 。 将烧结后的小球,放在贵
金属铂, 钯等的盐溶液中,充分浸渍后取出烘干 。 然后
经过高温热处理,使在氧化铝 (氧化铝一氧化硅 )载体上
形成贵金属触媒层,最后组装成气体敏感元件 。 除此之
外,也可以将贵金属触媒粉体与氧化铝, 氧化硅等载体
充分混合后配成膏状,涂覆在铂丝绕成的线圈上,直接烧
成后备用 。 另外, 作为补偿元件的铂线圈,其尺寸, 阻
值均应与检测元件相同 。 并且,也应涂覆氧化铝或者氧
化硅载体层,只是无须浸渍贵金属盐溶液或者混入贵金
属触媒粉体,形成触媒层而已 。
40
触媒 Al2O3载体 Pt丝
元件
(0.8-2)mm
(b)敏感元件外形图
接触燃烧式气敏元件结构示意图
(a)元件的内部示意图
41
二, 半导体气体传感器
气体敏感元件, 大多是以金属氧化物半导体为基础材料 。
当被测气体在该半导体表面吸附后, 引起其电学特性
(例如电导率 )发生变化 。 目前流行的定性模型是,原子
价控制模型, 表面电荷层模型, 晶粒间界势垒模型 。
1,半导体气敏元件的特性参数
（ 1） 气敏元件的电阻值
将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值, 称为
气敏元件 (电阻型 )的固有电阻值, 表示为 Ｒ ａ 。 一般其
固有电阻值在 (103～ 105)Ω 范围 。
测定固有电阻值 Ｒ ａ 时,要求必须在洁净空气环境中进行 。
由于经济地理环境的差异, 各地区空气中含有的气体成
分差别较大, 即使对于同一气敏元件, 在温度相同的条
件下, 在不同地区进行测定, 其固有电阻值也都将出现
差别 。 因此, 必须在洁净的空气环境中进行测量 。
42
（ 2） 气敏元件的灵敏度
是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表
示气体敏感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）
与被测气体浓度之间的依从关系。表示方法有三种
（ a） 电阻比灵敏度 K
（ b）气体分离度
RC1—气敏元件在浓度为 Cc的被测气体中的阻值,
RＣ 2—气敏元件在浓度为 C2的被测气体中的阻值 。 通常, C1＞ C2。
（ c） 输出电压比灵敏度 KV
Va:气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；
Vg:气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出
g
a
V V
VK ?
2
1
C
C
R
R??
Ra— 气敏元件在洁净空气中的电阻值；
Rg— 气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值 gaRRK ?
43
（ 4）气敏元件的响应时间
表示在工作温度下, 气敏元件对被测气体的响应速度 。
一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时,
直到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的 63
％ 时为止, 所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气
体中的响应时间, 通常用符号 tr表示 。
agi
ag
gi
g
VV
VV
V
V
S
?
?
?
?
?
?
（ 3）气敏元件的分辨率
表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气
体的抑制能力。气敏元件分辨率 S表示为
Va—气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压；
Vg—气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压
Vgi—气敏元件在 i种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压
44
（ 5） 气敏元件的加热电阻和加热功率
气敏元件一般工作在 200℃ 以上高温 。 为气敏元件提
供必要工作温度的加热电路的电阻 (指加热器的电阻值 )
称为加热电阻, 用 RH表示 。 直热式的加热电阻值一般小
于 5Ω ；旁热式的加热电阻大于 20Ω 。 气敏元件正常工
作所需的加热电路功率, 称为加热功率, 用 Ｐ Ｈ 表示 。
一般在 (0.5～ 2.0)W范围 。
（ 6）气敏元件的恢复时间
表示在工作温度下,被测气体由该元件上解吸的速度,一
般从气敏元件脱离被测气体时开始计时,直到其阻值恢复
到在洁净空气中阻值的 63％时所需时间。
45
（ 7） 初期稳定时间
长期在非工作状态下存放的气敏元件,因表面吸附空
气中的水分或者其他气体,导致其表面状态的变化，在加
上电负荷后,随着元件温度的升高,发生解吸现象。因此,
使气敏元件恢复正常工作状态,需要一定的时间,称为气
敏元件的初期稳定时间。一般电阻型气敏元件,在刚通电
的瞬间,其电阻值将下降,然后再上升,最后达到稳定。由
开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间,称为初期
稳定时间。初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状
态的函数。存放时间越长,其初期稳定时间也越长。在一
般条件下,气敏元件存放两周以后,其初期稳定时间即可
达最大值。
46
2,烧结型 SnO2气敏元件
SnO2系列气敏元件有 烧结型, 薄膜型 和 厚膜型 三种 。 烧
结型应用最广泛性 。
其敏感体用粒径很小 (平均粒径 ≤ １ μ m)的 SnO2粉体为
基本材料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为
原料。主要用于检测 可燃的还原性 气体，其工作温度约
300℃ 。根据加热方式，分为 直接加热式 和 旁热式 两种 。
（ 1）直接加热式 SnO2气敏元件 (直热式气敏元件 )
内热式气敏器件结构及符号
1
2
3
4
SnO2烧结体
加热极兼电极
(a)结构
4
3
2
1
(b)符号
由芯片 (敏感体和加热器 )，基
座和金属防爆网罩三部分组成
。因其热容量小、稳定性差，
测量电路与加热电路间易相 互
干扰，加热器与 SnO2基体间
由于热膨胀系数的差异而导致
接触不良，造成元件的失效，
现已很少使用。
47
（ 2） 旁热式 SnO2气敏元件
加热器电阻值一
般为 30Ω～ 40Ω 电极 加热器
瓷绝缘管
旁热式气敏器件结构及符号
SnO2烧结体
1
2
3
4
5
6
（ a）结构 （ b）符号
7
100目不锈钢网 ?18.4
?1
23
1
2
3
4 5
6
7 45°
45°
气敏元件外形和引出线分布
48
三, 氧化锆氧气传感器
固体电解质是具有离子导电性能的固体物质 。 一般
认为, 固体物质 (金属或半导体 )中, 作为载流子传导电
流的是正, 负离子 。 可是, 在固体电解质中, 作为载流
子传导电流的, 却主要是离子 。 二氧化锆 （ ZrO2） 在高
温下 (但尚远未达到熔融的温度 )具有 氧离子传导性 。
纯净的二氧化锆在常温下属于单斜晶系, 随着温度
的升高, 发生相转变 。 在 1100℃ 下, 为正方晶系,
2500℃ 下, 为立方晶系, 2700℃ 下熔融, 在熔融二氧化
锆中添加氧化钙, 三氧化二钇, 氧化镁等杂质后, 成为
稳定的正方晶型, 具有莹石结构, 称为稳定化二氧化锆 。
并且 由于杂质的加入, 在二氧化锆晶格中产生氧空位,
其浓度随杂质的种类和添加量而改变, 其离子电导性也
随杂质的种类和数量而变化 。
49
在二氧化锆中添加氧化钙, 三
氧化二钇等添加物后,其离子电
导都将发生改变 。 尤其是在氧
化钙添加量为 15％ mol左右时,
离子电导出现极大值 。 但是,
由于二氧化锆一氧化钙固溶体
的离子活性较低, 要在高温下,
气敏元件才有足够的灵敏度 。
添加三氧化二钇的 ZrO2－ Y2O3固
溶体, 离子活性较高, 在较低
的温度下, 其离子电导都较大,
如图 。 因此, 通常都用这种材
料制作固定电解质氧敏元件 。
添加 Y2O3的 ZrO2固体电解质材
料, 称为 YSZ材料 。
5 10 15 20
1
2
3
4
Yb2O3
Y2O3
CaO
氧化物添加量 /% mol
ZrO2中杂质含量与电导关系
离子电导 lgα /Ω -1cm-1
50
ZrO2系固体电解质的离子电导与温度关系
5
600 800 1000 1200
10-1
10-2
10-3
10-4
1 2
3
4
6 7
t /℃
离
子
电
导
/Ω -1
cm-1
1 添加 8%molYb2O3 ； 2 ZrO0.92 SC2O30.04 Yb2O30.04
3 ZrO2 ； 4 添加 10%molY2O3 ； 5 添加 13%molCaO
6 添加 15%molY2O3 ； 7 添加 10%molCeO
51
四, 气体传感器的应用
分为检测, 报警, 监控等几种类型 。
1,电源电路
一般气敏元件的工作电压不高 (3V～ 10V)，其工作
电压，特别是供给加热的电压，必须稳定。否则，将导
致加热器的温度变化幅度过大，使气敏元件的工作点漂
移，影响检测准确性。
2、辅助电路
由于气敏元件自身的特性 (温度系数、湿度系数、
初期稳定性等 )，在设计、制作应用电路时，应予以考
虑。如采用温度补偿电路，减少气敏元件的温度系数引
起的误差；设置延时电路，防止通电初期，因气敏元件
阻值大幅度变化造成误报；使用加热器失效通知电路，
防止加热器失效导致漏报现象。下 图是一温度补偿电路
52
当环境温度降低时，
则负温度热敏电阻
(R5)的阻值增大，
使相应的输出电压
得到补偿。
BZ
~U
气敏传感器
氖管
蜂鸣器
NTC电阻
W
R1
R2
R3
R4
R5
R6
SCR
右图为正温度系数热敏
电阻 (R2)的延时电路 。
刚通电时, 其电阻值也
小, 电流大部分经热敏
电阻回到变压器, 蜂鸣
器 (BZ)不发出报警 。
当通电 1～ 2min后, 阻
值急剧增大, 通过蜂鸣
器的电流增大, 电路进
入正常的工作状态 。
BZ
气敏传感器
PTC电阻
R2
R1
R3
R4
BCR
~U
B
蜂鸣器
氖管
53
3,检测工作电路
这是气敏元件应用电路的主体部分 。
下图是设有串联蜂鸣器的应用电路 。 随着环境中可燃性
气体浓度的增加, 气敏元件的阻值下降到一定值后, 流
入蜂鸣器的电流, 足以推动其工作而发出报警信号 。
~220V
BZ
氖管
家用可燃性气体报警器电路
气敏传感器
蜂鸣器
B
R
54
下图是差分式可燃性气体检测仪电路原理图 。
在此电路中, BG1,BG2的参数应力求一致, 最好
选用差分对管 。 采用这种差分电路, 检测气体的灵敏
度可达 100 × 10－ 6。
K1 W11
W31
W41
W21 R3 R2
BG1 BG2
R4
R5
K2
3V
6V
μA
差分式可燃性气体检测仪电路
R1
RQ
55
下图是家用煤气 (CO)安全报警电路 。
一部分是煤气报警器, 在煤气浓度达到危险界限前发生警
报；另一部分是开放式负离子发生器, 其作用是自动产生
空气负离子, 使煤气中主要有害成分一氧化碳与空气负离
子中的臭氧 (O3)反应, 生成对人体无害的二氧化碳 。
IC1
IC2
J
BG
3
~220V
K
J1
R10
R12
R11
R1 R
2 R3
R4
BG1
BG2
C1
C2 C3 C4
R5
R6
R7
R8
R13
R9
D1 D2
D3
D4
D5
Dw
W1
W2
C7
C5
C6
MT2
MT1
3CTS3
RQ
A
B
LED 6 2
1
3
7
4
8
5
2
13
8
7
B1
B2 D7
煤气安全报警器原理图
56
第三节 湿度传感器
精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所，气象预
报、医疗卫生、食品加工等行业都有广泛的应用。
湿度传感器依据使用材料分类,
电解质型,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 。
陶瓷型,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 。
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 。 有
机高分子的材料种类也很多,工作原理也各不相同 。
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。制成二极管湿敏器件和 MOSFET湿度敏感器件
等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。
57
一, 湿度表示法
空气中含有水蒸气的量称为湿度, 含有水蒸气的空气
是一种混合气体 。 主要有质量百分比和体积百分比, 相
对湿度和绝对湿度, 露点 （ 霜点 ） 等表示法 。
1,质量百分比和体积百分比
质量为 M的混合气体中, 若含水蒸气的质量为 m,则
质量百分比为
v／ V× 100％
这两种方法统称为水蒸气百分含量法。
m／ M× 100％
在体积为 V的混合气体中，若含水蒸气的体积为 v，则
体积百分比为
58
2,相对湿度和绝对湿度
水蒸气压是指在一定的温度条件下, 混合气体中存
在的水蒸气分压 (p)。 而饱和蒸气压是指在同一温度下,
混合气体中所含水蒸气压的最大值 (ps)。 温度越高, 饱
和水蒸气压越大 。 在某一温度下, 其水蒸气压同饱和蒸
气压的百分比, 称为相对湿度
绝对湿度表示单位体积内, 空气里所含水蒸气的质量,
其定义为
%1 0 0??
sp
pRH
V
m
v ??
m——待测空气中水蒸气质量；
V——待测空气的总体积；
ρv——待测空气的绝对湿度。
如果把待测空气看作是由水蒸气和干燥空气组成的二元
理想混合气体, 根据道尔顿分压定律和理想气体状态方
程, 可得出,
RT
pM?? P：空气中水蒸气分压； M：水蒸气的摩尔质量 R：理想气体常数； T：空气的绝对温度。
59
3,露 （ 霜 ） 点
水的饱和蒸气压随温度的降低而逐渐下降。在同样的空
气水蒸气压下，温度越低，则空气的 水蒸气压 与同温度
下水的 饱和蒸气压 差值越小。当空气温度下降到某一温
度时，空气中的水蒸气压与同温度下水的饱和水蒸气压
相等。此时，空气中的水蒸气将向液相转化而凝结成 露
珠,相对湿度为 100％ RH。 该温度,
50 10 20 30 40 -10
0
10
20
30
40
50
温度 /℃
10%RH
露点 /℃ 90%RH 80%RH
70%RH
60%RH
50%RH
40%RH
20%RH
30%RH
称为空气的 露点温度,
简称露点。如果这一温
度低于 0℃ 时，水蒸气
将结霜, 又称为 霜点温
度 。两者统称为露点。
空气中水蒸气压越小，
露点越低，因而可用露
点表示空气中的湿度。
60
二, 湿度传感器的主要参数
1,湿度量程
指湿度传感器技术规范中所规定的感湿范围 。 全湿度
范围用相对湿度 (0～ 100)％ RH表示, 它是湿度传感器
工作性能的一项重要指标 。
2,感湿特征量 ——相对湿度特性
每种湿度传感器都有其感湿特征量，如电阻、电容等，
通常用电阻比较多。以电阻为例，在规定的工作湿度范
围内，湿度传感器的电阻值随环境湿度变化的关系特性
曲线，简称 阻湿特性 。有的湿度传感器的电阻值随湿度
的增加而增大，这种为 正特性湿敏电阻器,如 Fe3O4湿
敏电阻器。有的阻值随着湿度的增加而减小，这种为 负
特性湿敏电阻器,如 TiO2－ SnO2陶瓷湿敏电阻器。对
于这种湿敏电阻器，低湿时阻值不能太高，否则不利于
和测量系统或控制仪表相连接。
61
3,感湿灵敏度
简称灵敏度, 又叫湿度系数 。 其定义是在某一相对湿度
范围内, 相对湿度改变 1％ RH时, 湿度传感器电参量的
变化值或百分率 。
各种不同的湿度传感器，对灵敏度的要求各不相同，
对于低湿型或高湿型的湿度传感器，它们的量程较窄，
要求灵敏度要很高。但对于全湿型湿度传感器，并非灵
敏度越大越好，因为电阻值的动态范围很宽，给配制二
次仪表带来不利，所以灵敏度的大小要适当。
62
4,特征量温度系数
反映湿度传感器在感湿特征量 ——相对湿度特性曲线随
环境温度而变化的特性 。 感湿特征量随环境温度的变化
越小, 环境温度变化所引起的相对湿度的误差就越小 。
在环境温度保持恒定时, 湿度传感器特征量的相对变化
量与对应的温度变化量之比, 称为 特征量温度系数 。
1 0 0
1
21 ?
?
?
TR
RR
1 0 0
1
21 ?
?
?
TC
CC
Δ T——温度 25℃ 与另一规定环境温度之差；
R1(C1)——温度 25℃ 时湿度传感器的电阻值 (或电容值 )；
R2(C2)——另一规定环境温度时湿度传感器的电阻值 (或电容值 )。
电容温度系数 (%/℃ )=
电阻温度系数 (%/℃ )=
63
5,感湿温度系数
反映湿度传感器温度特性的一个比较直观, 实用的物理
量 。 它表示在两个规定的温度下, 湿度传感器的电阻值
(或电容值 )达到相等时, 其对应的相对湿度之差与两个
规定的温度变化量之比, 称为感湿温度系数 。 或环境温
度每变化 1℃ 时, 所引起的湿度传感器的湿度误差 。 感
湿温度系数
ΔT——温度 25℃ 与另一规定环境温度之差；
H1——温度 25℃ 时湿度传感器某一电阻值 (或电容值 )对
应的相对湿度值；
H2——另一规定环境温度下湿度传感器另一电阻值 (或电
容值 )对应的相对湿度 。
下图为感湿温度系数示意图 。
T
HH
?
? 21(%RH/℃ )=
64
相对湿度 /%
H1 H2 H2
感湿温度系数示意图
相对湿度 /%
H1 H2 H2
R C
T2
T2 T2
T2
25℃ 25℃
(a) 电阻型 (b)电容型
65
6,响应时间
在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的
电参量达到稳态变化量的规定比例所需要的时间。一般
是以相应的起始和终止这一相对湿度变化区间的 63％作
为相对湿度变化所需要的时间，也称时间常数，它是反
映湿度传感器相对湿度发生变化时，其反应速度的快慢。
单位是 s。也有规定从起始到终止 90％的相对湿度变化作
为响应时间的。响应时间又分为 吸湿响应时间 和 脱湿响
应时间 。大多数湿度传感器都是脱湿响应时间大于吸湿
响应时间，一般以脱湿响应时间作为湿度传感器的响应
时间。
66
7,电压特性
当用湿度传感器测量湿度时, 所加的测试电压, 不能
用直流电压 。 这是由于加直流电压引起感湿体内水分子
的电解, 致使电导率随时间的增加而下降, 故测试电压
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。
可见，测试电压小于 5V时，
电压对阻 ——湿特性没有影
响。但交流电压大于 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
U/V
67 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测试电压频率的关系，如图。
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，在各种
湿度下，当测试频率小于 103Hz时，阻值不随使用频率
而变化，故该湿度传感器使用频率的上限为 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。
68
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
0.01
0.1
1
10
R/108Ω
相对湿度 /%
① ② ③ ④ ⑤
④ 1.0 % LiCl
⑤ 2.2%LiCl
③ 0.5% LiCl
② 0.25% 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
0.01
0.1
1
10
相对湿度 /%
R/108Ω
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
69
四, 陶瓷湿度传感器
利用半导体陶瓷材料制成的陶瓷湿度传感器。具有许多
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，常温湿度传感器的工作温度在 150℃ 以下，而
高温湿度传感器的工作温度可达 800℃,响应时间较短，
精度高，抗污染能力强，工艺简单，成本低廉。
典型产品是烧结型陶瓷湿敏元件是 MgCr2O4－ TiO2系 。
此外, 还有 TiO2-V2O5 系, ZnO － Li2O － V2O5 系,
ZnCr2O4系, ZrO2－ MgO系, Fe3O4系, Ta2O5系等 。 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 。
70
1,结构
该湿度传感器的感湿体是 MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。这
种多孔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
71
2,主要特性与性能
（ 1） 电阻一湿度特性
MgCr2O4－ TiO2系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
107Ω下降到 104Ω，即变化了三个数量级。
20 40 60 80 100 10
3
104
105
106
107
108
相对湿度 /%
R/Ω
72
（ 2） 电阻 — 温度特性
是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，其感湿负温度系数为 –
0.38％ 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 10
3
104
105
106
107
108
相对湿度 /%
20℃
40℃
60℃
80℃
R/Ω
MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的电阻 — 温度特性
73
MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的时间响应特性
20
40
60
80
100
0 10 20 30
94%RH 50%RH
1%RH 50%RH
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。
74
（ 4） 稳定性
制成的 MgCr2O4-TiO2系陶瓷类湿度传感器, 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 。
75
五, 高分子湿度传感器
用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。某些高分子电介质吸湿后,介电常数 明
显改变，制成了电容式湿度传感器；某些高分子电解质
吸湿后,电阻 明显变化，制成了电阻式湿度传感器；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,制成了结露传感器。
（ 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
76
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, 所以根据
电容量的变化可测得相对湿度 。
77
（ 2） 响应特性
由于高分子薄膜可以做得极薄, 所以吸湿响应时间都很
短, 一般都小于 5s,有的响应时间仅为 1s。
（ 3） 电容一温度特性
电容式高分子膜湿度传感器的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 0.06％ RH/℃
相对湿度 /%
0 50 100 200
250
300
350
电容 — 湿度特性
C/pF
（ f=1.5MHZ）
（ 1）电容 — 湿度特性
其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
l.5MHz左右时,其输出特性有良好的
线性度。对其它测试频率,如 1kHz、
10kHz，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。
78
（ 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
79
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<± 3%RH
电阻 — 湿度特性
80
（ 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 (–0.6％～ –
1.0％ )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℃
R/Ω
相对湿度 /%
81
（ 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快,
降湿响应时间比较慢, 响应时间在一分钟之内 。 湿滞比
较小, 在 (1％ ～ 2％ )RH之间 。 这种湿度传感器具有良好
的稳定性 。 存储一年后, 其最大变化不超过 2％ RH,完
全可以满足器件稳定性的要求 。
高分子薄膜湿度传感器的缺点是：对于含有机溶媒
气体的环境下测湿时，器件易损坏；另外不能用于 80℃
以上的高温。
82
六, 湿度传感器的测量电路
（ 一 ） 检测电路的选择
1,电源选择
一切电阻式湿度传感器都必须使用交流电源, 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是，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。
83
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
?
?
??
?
? ?? AH
T
BRR e x p
0
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＝
2
1
T
B
T
R
R ???
? 湿度系数＝ A
H
R
R ???
?1
湿度温度系数＝
2AT
B
T
H ?
?
??
湿度系数
温度系数
若传感器的湿度温度系数为 0.07％ RH/℃,工作温度差为
30℃,测量误差为 0.21％ RH/℃,则不必考虑温度补偿；
若湿度温度系数为 0.4％ RH/℃,则引起 12％ RH/℃ 的误差,
必须进行温度补偿。
84
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，这给湿度的测量、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 R
T
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
85
（ 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,
由于湿度变化使湿度传感器的阻值发生变化, 于是电桥
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
86
100kΩ
传感器
湿度
3AX3 ╳ 2 10kΩ
100kΩ╳ 6
3DG6
2kΩ
2kΩ
2.2kΩ 9V
10μ F 10μ F
20μ F
10μ F
20μ F
3kΩ╳ 2
U
10μ F
51kΩ
51kΩ
100mA
便携式湿度计的实际电路
87
2,欧姆定律电路
此电路适用于可以流经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, 可以用市电作为电源, 只要用降压变压器即可 。
其电路图如图 。
欧姆定律电路
~220V
22kΩ
51kΩ
3V
2AP9╳ 4
输入
Rd 插口
0.05μ F╳ 2
88
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 (20kΩ，
B=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％ )RH,15℃ ～ 35℃ 范围内, 输出电压表
示的湿度误差不超过 3％ RH。
_
+
_
+ 1V 120HZ
51kΩ 91kΩ
22kΩ
91kΩ
RH
+12V
-12V
D
20μ F
47kΩ
100kΩ
100kΩ
330kΩ
UOUT
-VS
Rt
A2
A1
