湿敏传感器已经广泛地用于工业制造、医疗卫生、林业和畜牧业等各个领域。在家用电器中用于生活区的环境条件监控、食品烹调器具和干燥机的控制等等。表8.1中列出了陶瓷湿敏传感器的主要应用领域，以及它们的工作温度和可测控的湿度范围。
陶瓷湿敏传感器的有潜力的应用对象是家用空调器、微波炉、防止视频录像机的受潮以及一些其他家用电器。在种植业的暖房中，的蔬菜生长条件不仅使植物的生长和成熟周期缩短了，而且通过湿度的调节可以防止有害病变的发生。在许多工业领域中需要进行干燥处理，通过控制相对湿度的方法，可以保持的干燥条件，因而可以在节约能耗的条件下，确保被干燥产品的质量一致性。
食品味道的改变在很大程度上与其中水份含量有关，控制水份含量就能保持所生产食品的质量。在食品制造工业中，对生产线的在线过程全都需要对水份含量进行监测。
湿敏传感器同样也用于电子工业。在生产工艺过程中必须对静电事故给予特别的关注。静电电荷的数量与湿度有直接关系，出于这个原因，在电子工业中必须将湿度调控在一个特定的范围内。
表8.1陶瓷湿敏传感器的应用
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温度(℃) |
湿度(%RH) | ||
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5-40 |
40-70 |
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5-100 |
2-100 |
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-5-60 |
60-100 |
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10-30 |
80-100 |
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10-30 |
50-80 |
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10-30 |
50-100 |
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10-30 |
50-100 |
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50-100 |
0-50 |
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5-100 |
0-50 |
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50-100 |
0-50 |
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5-40 |
0-50 |
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30-300 |
50-100 |
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20-25 |
90 |
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农业，养殖业 |
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5-40 |
0-100 |
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20-25 |
40-70 |
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-10-60 |
50-100 |
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-5-100 |
0-100 |
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-5-100 |
0-100 |
在广泛使用湿度传感器时，也必须考虑到，传感器需要和测量电路连接使用，所以，对电路也要求能在足够宽的湿度和环境温度范围内保持高和高稳定性。
8.1.1 连接陶瓷湿敏传感器的测量电路
利用陶瓷传感器来测量湿度的方法有以下特点。传感器在低湿度时电阻很大，并与湿度是一种指数关系。此外，在相对湿度从0%～100%的区间内，电阻可能变化3～6个数量级。由于大多数陶瓷湿敏传感器具有极化现象，所以还需要对电源频率有一定的要求。直流电桥电路虽然可以保证高，并且可以补偿一些干扰因素，但在这里是不适用的。为消除极化效应，必须要用交流电源测量，所以陶瓷湿敏传感器的测量只能选用适当的交流电桥，并且必须同时一起考虑传感器的二个参数——阻抗和容抗的变化，因为正如在第三章中已阐明的那样，传感器的等效电路是由并联的电阻和电容构成的。这使对随后的被测信号的分析处理工作复杂化。在有些应用领域中，湿度变化可以只用电阻或电容变化来表征，因而允许在经相应的电桥平衡后只测量其中一个参数的变化。基于这里所讨论的陶瓷湿敏传感器的特性，现实中应用广的电路是下列二种：
模拟输出的AC测量电路；
具有频率/时间(PWM——脉冲宽度调制)输出的转换电路。
8.1.1.1 连接陶瓷湿敏传感器的模拟输出AC测量电路
AC测量电路的输出是模拟信号，常用的是电压输出。电路中通常有一个可设定频率的交流发生器，它的信号经由转换电路输入传感器，然后接到一个输出放大器上。较完备一些的线路上还加接了线性化电路，以及用于补偿温度的修正电路。
图8-1陶瓷湿敏传感器与电压分压电路的连接图
图8-2陶瓷传感器与湿度调节电路的连接
图8-1示出了一个电压输出的陶瓷传感器电路图。从AC发生器产生的信号是方形波或正弦波，它流经由陶瓷湿敏传感器和高阻抗电阻R1构成的分压电路，信号经过运算放大器IC1放大后，分压电阻与运算放大器IC2进行比较，IC2接成反馈放大器，其增益为A=-R3/R2。测得的在电路输出端的信号，其幅度与湿敏传感器电阻的变化成正比。所介绍的电路适用于相对湿度变化范围不太大的环境。需要覆盖整个相对湿度值的测量时，必须应用具有可变放大系数的放大器IC2。如果需要，也可以取出直流输出信号，但要加接整流器。示于图8-2上的线路图与以上讨论的电路很相似。但在这个电路中，从分压器中出来的信号输进AC/DC转换器的输入端。从转换器输出的DC电压幅度与湿度变化成正比。此电压输到比较器，比较器的输出用于控制监控系统的运作机构。这个电路适用于湿度监控系统，通过设定比较器的基准电压VREF调整比较器的响应水平，从而也就设定了相应的受控湿度标准。
图8-3陶瓷湿敏传感器与运算放大器的连接(a)传感器接
在放大器的输入端；(b)接在放大器的反馈电路中
图8-4带有温度补偿的方波发生器
陶瓷湿敏传感器可以接入到基于运算放大器的转换电路中，也可以接到非转换电路中去，不过这里需要在运算放大器的输入端加载一个基准AC电压。作为例子，图8-3上示出了这二种电路。这时，必须要有分压器，分压器的设计取决于传感器在低温时的高阻抗(106～１０８Ω)，已经多次指出过，如果相对湿度的变化从0%～100%，那么传感器电阻值的变化有一个很大的动态范围。因此，测量范围需要覆盖整个相对湿度区时，运算放大器的放大系数必须可变，这可以通过按湿度区间分段改变电阻R1来实现。
适合于这类陶瓷传感器接入的运算放大器应是小输入电流的，一般在其输入级采用场效应管或MOS晶体管。除小电流输入外，还要求放大器具有高输入阻抗和高稳定性。它们的输入电流约在0.1～0.4nA左右。
相对湿度低于40%时，陶瓷传感器的电阻增长很快，应用于这个区间的传感器需要选用超低输入电流的放大器才行，它们的输入电流从25～1 000fA，输入电阻超过1TΩ，而且要求由高阻形成的信号中不含噪声。这类放大器例如有美国国家半导体公司生产的LMC 6001 A1，LMC 6001 B1和LMC 6001 C1。
如果环境温度变化太大时，湿度传感器需要借助热敏电阻进行温度补偿。用于温度补偿的适用电路之一示于图8-4。以运放IC1为基础产生一个方形脉冲，通过由IC2构成的非倒相放大器修正温度。IC2放大来自NTC热敏电阻RT的信号，而RT安设在紧靠陶瓷湿敏传感器的位置。因此根据温度变化的大小，产生的信号幅度发生相应的调整。
对大多数陶瓷湿敏传感器来说，它们的阻抗与相对湿度的关系是指数关系，需要采用无源或有源的方法使其线性化。无源法修正是以串联和并联构成的定值电阻器为基础的，电阻器的阻抗应不随环境温度和湿度变化而改变。这种使关系曲线线性化的方法只在一定相对湿度区间内适用，而且传感器阻抗的动态范围也将受到限制。无源线性化方法将在节8.3.1中与NTC热敏电阻一起详细讨论，因为按那种方式的应用较多。
图8-5 具有线性化和温度效应补偿电路的陶瓷湿敏传感器测量电路
陶瓷湿敏传感器特性线性化的有源方法是利用线性化器件的转换功能实现的，例如可以应用对数放大器，使特性指数曲线线性化，使传感器的动态范围缩小。图8-5示出了这样一个电路。从AC发生器输出一个8V的信号，经过一个由运放IC1构成的缓冲器后加载到传感器上。随后，从传感器输出的信号进入由运算放大器IC2和晶体管T1构成的对数放大器，经它后输入到信号调节电路中，以便将信号调整到与检测范围(这里是40%～１００%RH)相适应的水平。
为了放大来自传感器的、相对湿度在0%～４０％时的小信号，增加了一个辅助电路，还设计了一个对对数放大器晶体管T1进行温度补偿的电路。线路输出端的信号幅度为0～10V，并与相对湿度的变化成正比。
图8-6(a)CGS-H14的模拟测量电路
图8-6(b)CGS-H14DL的测量电路图中：IC1为LM358M(LM324N)；
VD1、VD2、VD3为1S 1588；VD4为硅整流管10D1；ZD1是RD-6A；
热敏电阻R25——5kΩ，B=4100;IC2a和IC2b均为FET
输入的运算放大器(TL——062，072，082)
图8-6(a)上示出了陶瓷湿敏传感器CGS-H14(SCIMAREC公司生产)与模拟输出电路间的连接。电路中用了一只NTC热敏电阻进行温度补偿。输出电压经整流，并经温度补偿。但在温度变化激烈的情况时，热敏电阻不可能对传感器作出完美的补偿，所以必须排除在类似条件下的测量工作，这样电路才能正常工作。
需要更的测量时，使用示于图8-6(b)的电路图。采用CGS-H14DL型陶瓷湿敏传感器和对数补偿，目的是降低传感器特性的动态范围。
这里所给出的电路可用于测量和控制空气中的湿度，控制增湿器和去湿器的工作等。
8.1.1.2 陶瓷湿敏传感器的频率/时间输出转换电路
频率/时间输出转换电路将相对湿度的变化转变成频率或时间周期，即它们是湿度-频率和湿度-时间宽度的转换器。
频率或时间输出的转换电路以频率发生器为基础，但它的频率取决于接入在电路中的陶瓷传感器。对它们的要求包括可以接入高阻抗的电阻性元件，例如陶瓷湿敏传感器等。所以首先考虑选用的是CMOS集成电路。
陶瓷湿敏传感器的频率和时间输出转换电路主要由以下单元构成：
分立元件； 集成多谐振荡器；
运算放大器； 集成计时器。
逻辑元件和脉冲触发器；
这类电路的一些实用例子将在以后讨论。
8.1.1.2.1 8.1.1.2.1 8.1.1.2.1 频率输出转换电路
图8-7湿度-频率转换电路(a)以双极和场
效应管为主器件；(b)以MOS晶体管为主器件
陶瓷湿敏传感器的湿度-频率转换电路示于图8-7。图8-7(a)的电路是以双极型和场效应晶体管为主构成的非对称多谐振荡器。当晶体管VT1饱和时，VT2和VT3截止，这时电容C通过VT1和陶瓷传感器RS充电，因而晶体管VT3的栅压下降，当达到场效应管的阈值电压VT时，VT3导通。随后电容C经过R1放电，并加到VT3和VT2，结果是在时间为T的周期内，发射极电压下降，并导致导通。这个过程将反复进行。当VT比VC1和VC2小得多时，脉冲宽度和脉冲间隔可用下式计算
(8.1)
(8.2)
振荡输出频率为f=1/(t1+t2)。电阻值约为几千欧姆 ，而传感器电阻RS可能为几百千欧姆。电路需要的元件数量不多，但要求有二个电源。
另一种转换电路示于图8-7(b)以MOS晶体管为基础。当VT1截止时，VT2导通，然后电容C1通过R1和VT2充电，直到VT1导通为止。电容C2通过RD1和RS放电，结果是二个晶体管交换了角色。此时，脉冲宽度和脉冲间隔由下式获得
(8.3)
(8.4)
式中，V0是低逻辑电平，VT是MOS管的阈值电压。此电路可在VC＜2VT的条件下工作。允许接入电路的陶瓷湿敏传感器阻抗可达100MΩ。但对电路有一个基本要求，即VT1和VT2的参数必须相同。
图8-8由运算放大器构成的湿度-频率转
换电路(a)示例图；(b)电路的输出信号
图8-9应用CMOS逻辑元件的湿度-频率转换电路
［图(a)和(b)］，以及其输出的信号［图(c)］
也可以应用运算放大器来构建湿敏-频率转换电路，示例线路示于图8-8。这里，运算放大器起着非稳态多谐振荡器的作用，它的振荡频率由接在转换电路输入端的RS和C值决定。通过电阻R1、R2、R3实施正反馈。电路在放大器输出信号的正饱和和负饱和两种状态之间“振荡”。发生的脉冲占空比为0.5，而脉冲周期由下式决定
(8.5)
接在电路上的传感器电阻可以从10kΩ～10MΩ。电路的工作频率一方面与RS和C有关，另一方面也与所选用的运放频率特性有关。
电路的主要缺点是所产生的脉冲是正负双极性的，这对电路输出端上接入的二极整流管有限制。如果接有整流管时，则需要利用电阻R4防止运放电路过载。
应用CMOS逻辑集成电路，实现与陶瓷湿敏传感器连接的转换电路，相对而言，要简单些。图8-9示出了多谐振荡器与传感器线路的原理图，其中使用了二只CMOS转换器。产生的脉冲周期由下列关系式决定
(8.6)
式中，VCC是CMOS集成电路的电源电压，VD为保护二极管上的电压，VT则是逻辑元件的开关电压。如果忽略不计VD，并假设VT＝0.5VCC，那么周期公式可简化为
(8.7)
这个电路所产生的频率是很稳定的，因为转换器的输入阻抗很高，允许接入的传感器电阻可达几十分之一兆欧。但不能低于1～２kΩ，否则高逻辑电平会降低，并且集成电路的消耗功率会增大。
这类电路的不足是，发生的信号频率与电源电压相关，因为在转换电路输入端的保护二极管的作用很有限。
用于陶瓷湿敏传感器连接的多谐振荡电路可以用集成电路单稳态多谐振荡器来构筑。适合于这类目的的例如有4047型电路，它是一种CMOS型单稳态多谐振荡器。它可以以两种模式工作，单稳态或非稳态振荡。图8-10(a)中示出了4047A电路与陶瓷湿度传感器的连接线路。在输出端产生的方波信号，其占空比为0.5，脉冲周期则为
(8.8)
在此工作模式中也可以利用取自OSC输出的脉冲，但它的频率是经倍频的()，其占空比不一定保持0.5。在实际应用上述的电路时，当湿度从30%～100%时，转换器的频率变化为150Hz～7.1kHz。
图8-10湿度-频率转换电路(a)以CMOS单稳态多谐振荡器
4047为主；(b)以CMOS计时器7555为主
同样可以用计时器来实现湿度-频率的转换。这类集成电路设计用于生成方波脉冲，按时间周期分割，输出的参数(频率和时间脉宽)有很高的稳定性。计时器的结构可以用非稳态多谐振荡器，或单稳态多谐振荡器来实施。CMOS计时器具有许多基本优点，能耗低，电源电压范围很宽(2～１８V)，在所有输入端，其输入阻抗都很高等。图8-10(b)中示出了一个由CMOS计时器7555构成的、陶瓷湿敏传感器的转换电路。传感器的电阻变化可以从1kΩ～100MΩ。当电源电压从5V改变到15V的过程中，转换器的频率变化不超过1%。所产生的脉冲频率非常稳定，并由下式决定
(8.9)
8.1.1.2.2 时间(PWM)输出转换电路
如前所述，时间输出转换电路将湿度转换成时间脉冲，这类电路的原则结构示意图示于图8-11。电路由二只多谐振荡器组成，其中第二只是单稳态多谐振荡器，和只是同步工作的。当ΔRS=0(即RH=0%)时，二只振荡器的脉冲宽度是相同的(t1=t2)，因而在输出端τ=0。当湿敏传感器的阻值发生了变化(ΔRS≠0)时，那么τ=t2-t1即τ的变化是与传感器电阻的改变值ΔRS成正比的。如果产生的脉冲周期为T=2t1，并且脉冲幅度等于VCC，那么输出电压的算术平均值由下式决定
(8.10)
图8-11湿度-时间脉冲转换电路(a)非稳态和单稳态多
谐振荡器构成的电路图，(b)线路的时序图
要保证二只多谐振荡器的参数是匹配的，将它们制造在一个芯片上，同时基准电阻RREF的温度系数也应与被测传感器的相同，那么比值τ/T才可能不随温度变化而改变。还有，供电电压必须是经稳压的。
图8-12湿度-时间脉冲转换电路(a)CMOS计时
器组成的线路，(b)线路工作的时序图
图8-12(a)示出了已经谈到过的、IC7556(二只CMOS计时器)为主件的、湿度-时间脉冲转换电路。图8-12(b)示出的是线路工作的时序图。只计时器的工作类似于非稳态多谐振荡器，电容C1的充电电流流经R1和R2，因而正脉冲宽度为
(8.11)
电容C1通过R2放电，因而
(8.12)
第二只计时器类似于单稳态多谐振荡器工作，产生的脉冲宽度由下式决定
(8.13)
计时器的输出信号经转换后，然后与另一信号一起进入OR执行电路，在其输出端得到宽度为τ的脉冲信号，τ=t3-t2
如果在相对湿度RH=0%时，t3=t2，那么τ=0，因而下列等式成立
(8.14)
式中，RSO是RH=0%时的传感器阻值，而R2、C1和C2是可以选择的。如果湿度发生了变化，那么传感器的电阻相应改变了一个ΔRS值，因而它的阻值RS=RSO+ΔRS，这样，合并诸项，并代入式(8.14)，可得到τ
τ=t3-t2
=1.1(RSO+ΔＲＳ)C2-0.7R2C1
=1.1ΔRSＣ２ (8.15)
由此可见，脉冲宽度的变化与传感器电阻改变ΔRS成正比。
根据式(8.10)，电路的输出电压应为
(8.16)
图8-13湿度-时间脉冲转换电路(a)CMOS逻辑
电路4001组成的电路图，(b)电路工作时序图
式中，
显然，输出电压的算术平均值也和传感器电阻变化值ΔRS成正比。因此，电路能够产生二类输出——PWM输出和DC输出。
图8-13(a)上示出了一个类似的电路图，但它是由二只CMOS IC 4001(四个双输入“或非”门)构成的，图8-13(b)则是该电路工作的时序图。此电路也有二组输出，即PWM输出和DC输出。利用二个集成电路中的一个的逻辑元件生成二个多谐振荡器的功能，此时
τ=t1-t3=0.7(R1C1-RSC2) (8.17)
考虑到RS=RSO+ΔRS，τ可改写为
τ=0.7ΔRSC2 (8.18)
从式(8.10)及以上各式可得输出电压值
VOUT=K′ΔRSVCC (8.19)
式中，
8.1.2 陶瓷湿敏传感器的实际应用
陶瓷湿敏传感器已广泛应用于各类机具中，例如湿度计、空调器、增湿机、去湿机、微波炉等。
8.1.2.1 湿度计
湿度计是测量各种介质中含湿量的仪器。基于陶瓷湿敏传感器，已制成一系列不同的湿度计。介绍一种名为“Chichidu湿度计CH-1”的数字式湿度计，生产者是Chichidu Cement公司。它有下列工作特性：
湿度测量范围 15%～１００％RH
测量 ±4%RH
湿度计的工作温度范围 0～４０℃
传感器的输出信号 幅度变化为0～１０Ｖ
电源消耗 22W(包括加热器加热功率15W)
湿度计显示出有很高的灵敏度和可靠性。采用了热敏电阻对陶瓷传感器的特性进行温度补偿。
8.1.2.2 空调器
空气调节系统需要多种传感器，例如温度、湿度和空气成分等的监控。空调器中装备了带有微处理器的传感器之后，可以大幅度降低能源消耗，提高系统的效率，并且能提供合适的生活条件。
陶瓷湿敏传感器在空调器中的安装有二种方式。种方式是将传感器安置在进气流中，这种方式的主要优点是传感器的响应较快，但缺点是进气的湿度已经经调控了的，它可能与房间中空气的湿度不一样，而且它可能因与污染气体相接触，比较容易损坏。第二种方式是将传感器安置在进气通道的外面，例如安装在控制电路板上。这时，传感器的响应能力可能有一定的下降，不过，由于尘粒碰撞传感器表面，从而引起它失效的可能性较小，因而采用这种方式的较多。
8.1.2.3 空气增湿器和除湿器
陶瓷湿敏传感器可以用于空气增湿器和除湿器的相对湿度监控。用于这方面的目的时，传感器要么安装在风扇产生的空气流中，要么安装在控制单元上。在种安置方式时，为了延长传感器的工作寿命，应该在空气进入传感器的前方增设一个空气过滤器。
8.1.2.4 微波炉
在微波炉中，陶瓷湿敏传感器用于监测食品烹制成熟程度。食品原料或多、或少地含有水份，加热时它们将蒸发成水汽，因此通过测定炉中的湿度可以监控食品的加工过程。微波炉中的湿度变化范围很大，约从百分之几的相对湿度一直到百分之百。同时，温度上升很快，在几分钟之内达到100℃左右。此外，除了水蒸汽，还有大量不同的有机挥发物从食品原料中发散到微波炉中。在这种条件下，大多数湿度传感器无法正常工作。只有一定类型的陶瓷传感器才能克服这些难点。
用于微波炉的陶瓷湿敏传感器安装在食品加工过程散发的水蒸汽流经的通风区域。由于空气中的杂质、油蒸汽、颗粒物等会粘附在陶瓷传感器上，使它的灵敏度下降。因此，为了使它能保持原有的性能，通常选用再生型(例如通过热处理)的陶瓷传感器。在食品加工开始前和结束后，对传感器进行热清洁处理，把传感器表面上的沾污物清除掉。
微波炉开关接通后，就会有一个信号执行热清洁处理，传感器性能得以复原。微波炉的烹调过程可以分为两个阶段。个阶段(初始加热过程)中，磁控管启动后食品开始加热。相对湿度开始时增大，但然后开始减少，并达到某个值。进入第二阶段时，继续加热重又产生更多的水蒸汽，相对湿度重新增大，一直到食品终加工完成。第二阶段包括的时间是从相对湿度的谷开始，一直到烹调的完成。显然，这个时间的长短与食品原料有关，因此它的设定应与初始加热时间成比例，并按不同食品原料性质调整。
采用上述微波炉的控制方法，只要通过按钮选定被加工食品的类型，而不再需要按照食品的体积、重量选择加热时间等旋钮，就可以加工任何品种的食物。
由于陶瓷湿敏传感器的这些特点、参数、特性，它们还被广泛用于不同工业领域的装备中，例如化学工业、造纸工业、食品工业等，也可用于林业，例如土壤监测、暖房种植业等，用于医学卫生例如消毒灭菌、微生物培养等，以及制药业和许多其他领域。