如何利用湿敏传感器检测空气湿度？

一、任务目标

通过本任务的学习，帮助学生了解湿敏传感器的分类，掌握湿敏传感器的工作原理及结构，学会利用湿敏电容传感器测量湿度。

二、任务分析

练习

（1）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，通常采用________、________、________等三种方法表示。

（2）湿敏元件是最简单的湿敏传感器，湿敏元件主要有________（电解质式、陶瓷式、高分子式）、________（陶瓷式、高分子式）两大类。

（3）湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的________和________都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。

（4）湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，当环境湿度发生变化时，湿敏元件的________随之发生改变，从而测量环境湿度。

思考

请总结生活中哪些场合需要用到湿敏传感器。

三、任务实施

1.认识湿敏传感器及湿敏座

本任务所使用的湿敏传感器如图6-25所示，与其配套使用的湿敏座如图6-26所示。除了湿敏传感器及湿敏座外，本任务的实施还要用到干燥剂及棉球。

图6-25　湿敏传感器

图6-26　湿敏座

2.HS1101 型湿敏传感器的工作原理

本任务采用的是HS1101 型湿敏电容，采用频率输出方式，如图6-27所示。由555 电路构成一个多谐振荡电路，湿敏电容为该电路的电容，与电源uS、电阻R4、R2 构成充电回路，与R2 通过555 电路的7脚内部接地构成放电电路。555 电路3 脚为输出，输出信号为方波。R3 是防止输出短路的保护电阻，R1 用于平衡温度系数。

图6-27　由湿敏电容构成的多谐振荡电路

该电路的工作过程如下：电源uS 通过电阻R4、R2 向湿敏电容C 充电，经t1 充电时间后，电容电压uC 达到芯片内比较器的高触发电平，约0.67Us，此时3 脚输出由高电平突降为低电平，然后电容C 储存的能量通过R2 放电，经t2 放电时间后，电容电压uC 下降到比较器的低触发电平，约0.33Us，此时3 脚输出又变成高电平。按照此规律重复变化，形成方波输出。3 脚输出的方波信号频率满足以下公式：

3 脚输出方波的频率和湿敏电容的电容量成反比，所以可通过测量多谐振荡电路输出方波信号的频率，得到湿敏电容的电容量，并且根据该电容量得到相对湿度的数值。本任务所对应的多谐振荡电路的输出频率f 与相对湿度RH 值的对应关系见表6-4。

表6-4　多谐振荡电路的输出频率与相对湿度的关系表

3.任务实施步骤

1）湿敏传感器接线。湿敏传感器实验装置如图6-28所示，红色接线端接＋5 V 电源，黑色接线端接地，蓝色接线端和黑色接线端分别接频率／转速表输入端。频率／转速表选择“频率” 挡。记下此时频率／转速表的读数，对照表得到此时的空气湿度。湿敏传感器测量湿度实物接线图如图6-29所示。

图6-28　湿敏传感器实验装置

图6-29　湿敏传感器测量湿度实物接线图

2）测量加入湿棉球后的湿度。将湿棉球放入湿敏腔内，并插上湿敏传感器探头，观察频率／转速表的变化。读出频率／转速表的读数。(www.xing528.com)

3）测量加入干燥剂后的湿度。取出湿棉球，待数显表示值下降回复到原始值时，在干湿腔内放入部分干燥剂，同样将湿敏传感器置于湿敏腔孔上，观察数显表头读数变化，待稳定后，读出频率／转速表的读数。

4）实验结束后，关闭所有电源，整理实验仪器。

4.任务内容和评分标准

任务内容和评分标准见表6-5。

表6-5　湿敏传感器检测湿度评分表

四、任务拓展

对照实际应用的湿度计，本任务中的空气湿度检测电路还需要做哪些改进，才能成为真正的湿度计？

酒精测试仪

资料显示，我国近几年发生的重大交通事故中，有将近三分之一是由于醉驾引起的，因此，对驾驶员饮酒程度的检测越来越受到重视，酒精浓度检测逐渐得到了广泛的应用。酒精浓度检测器不仅可以作为交警快速准确地判断驾驶员是否酒后驾车的取证工具。同时也可以用于驾驶员自测是否饮酒过量。此外，酒精检测仪还可应用于食品加工、酿酒等需要监控空气中酒精浓度的场合。由此可见，酒精检测器具有巨大的潜在用户群，市场前景十分广阔。酒精检测仪如图6-30所示。

图6-30　酒精检测仪

可以对气体中酒精含量进行检测的设备有五种基本类型，分别是：燃料电池型（电化学）、半导体型、红外线型、气体色谱分析型、比色型。由于价格和使用是否方便等因素，目前普遍使用的只有半导体型和燃料电池型（电化学）两种。

燃料电池型呼气酒精测试仪采用燃料电池酒精传感器作为气敏元件，属于电化学类型，因此又称为电化学型。燃料电池是当前世界都在广泛研究的环保型能源，它可以直接把可燃气体转变成电能，而不产生污染。燃料电池酒精传感器采用贵金属白金作为电极，在燃烧室内充满了特种催化剂，它能使进入燃烧室内的酒精充分燃烧转变为电能。也就是在两个电极产生电压，电能消耗在外接负载上。此电压与进入燃烧室内气体的酒精浓度成正比，这就是燃料电池型呼气酒精测试仪的基本工作原理。

半导体型采用SnO2（等其他半导体氧化物）半导体材料构成传感器，这类半导体器件具有气敏特性，当接触的气体中其敏感的气体浓度增加，它对外呈现的电阻值就降低，半导体型呼气酒精测试仪就是利用这个原理做成的。这种半导体在不同工作温度时，对不同的气体敏感程度是不同的，因此半导体型呼气酒精测试仪中都采用加热元件，把传感器加热到一定的温度，在该温度下，该传感器对酒精具有最高的敏感度。经过比较后采用MQ-3 型气敏传感器，其具有很高的灵敏度、良好的选择性、长期的使用寿命和可靠的稳定性。

酒精检测仪组成框图如图6-31所示。酒精检测仪由酒精气体传感器、信号处理电路、执行机构和LED 显示器等部分组成。酒精气体传感器使用MQ-3 型气敏传感器，分压电路将电阻的变化量转换成电压的变化量。集成芯片LM3914 作为执行机构来驱动LED。LED 显示器由10 个发光二极管构成，酒精浓度越大，点亮的二极管越多。

图6-31　酒精检测仪组成框图

气敏传感器MQ-3 所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的SnO2。当传感器所处环境中存在酒精蒸气时，传感器的电导率随空气中酒精气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

MQ-3 气敏传感器对酒精的灵敏度高，可以抵抗汽油、烟雾和水蒸气的干扰。这种传感器可检测多种浓度酒精气体，是款适合多种应用的低成本传感器。

MQ-3 由微型Al2O3 陶瓷管、SnO2 敏感层、测量电极和加热器构成。敏感元件固定在塑料制成的腔体内，加热器为气体元件提供了必要的工作条件。

封装好的气敏传感器MQ-3 有6 只引脚，如图6-32所示。其中4 个引脚（A-A、B-B）用于信号输出，2 个引脚（f-f）用于提供加热电流。连接电路时，f-f 连接加热电源5 V。

酒精检测仪电路原理图如图6-33所示。电路采用5 V 电源供电。气敏传感器MQ-3检测酒精蒸气的浓度，通过电阻分压电路将酒精浓度由电阻量转化为电压量，再通过LM3914 按照电压大小驱动相应的发光管。

图6-32　引脚与连接电路图

（a）MQ-3 引脚图；（2）MQ-3 连接电路

图6-33　酒精检测仪电路原理图

若检测到酒精蒸气，MQ-3 引脚A-B 间电阻变小，MQ-3 输出电压即LM3914 的5 脚电位增大。通过集成驱动器LM3914 对信号进行比较放大，当LM3914 输入电压信号高于5脚电位时，输出低电平，对应LED 灯点亮。LM3914 根据第5 脚电位高低来确定依次点亮LED 的数量，酒精含量越高则点亮LED 越多。调试时通过电位器RP 调节测量的灵敏度。