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进入21世纪后，特别是中国加入WTO后，国内产品面临巨大挑战。各行各业，尤其是传统行业，迫切需要应用电子技术和自动控制技术进行转型升级。比如纺织行业，温湿度是影响纺织品质量的重要因素，但纺织企业的温湿度测控手段还很粗糙落后。大部分还是用湿球湿度计和干球湿度计，人工观察和人工调节阀门和风扇，控制效果可想而知。医药行业基本都是这样。在食品行业，基本凭经验，很少有人用湿度传感器。值得一提的是，随着农业向工业化发展，许多农民意识到有必要摆脱落后的传统耕作和养殖方式，采用现代科学技术迎接进口农产品的挑战，进入国外市场。各地新建了越来越多的大棚，种植反季节蔬菜和花卉；水产养殖业对环境的监控也越来越迫切；大量的调温冷库建筑为温湿度测控技术提供了广阔的市场。我国从荷兰、以色列等国引进了40多座先进的大型温室，自动化程度高，成本高。我国正在逐步消化吸收相关技术，一般先搞温度调节、灯光调节、通风控制；第二步是自动温度和湿度控制以及CO2测量和控制。此外，大量国家粮食储备项目对温湿度测控技术提出了要求。
然而，目前在湿度测试领域，大多数湿度传感器的性能只能在通常的温度环境下使用。大部分国产湿度传感器，包括很多国外的湿度传感器，在特殊环境下需要测量湿度的应用中都会“皱眉头”！例如上述纺织印染行业、食品行业、耐高温材料行业等。，有必要在高温下测量湿度。一般情况下，印染行业的锭子烘干温度可达120摄氏度以上；在食品工业中，食物的烘焙温度可以达到80-200摄氏度左右；耐高温材料，如陶瓷过滤干燥，可以达到200摄氏度以上。在这些情况下，普通的湿度传感器很难测量。
聚合物电容式湿度传感器通常是在玻璃、陶瓷、硅等材料的绝缘基底上通过丝网印刷或真空镀膜的方法制作，然后将湿敏胶通过浸渍或其他方法涂在电极上制成电容元件。在不同相对湿度的大气环境中，由于湿敏膜吸收水分子，湿度传感器的电容发生有规律的变化，这是湿度传感器的基本机理。聚合物电容元件的温度特性受温度影响，不仅聚合物作为介质的介电常数ε和吸附水分子的介电常数ε，而且元件的几何尺寸也受热膨胀系数的影响。根据德拜理论，液体的介电常数ε是一个与温度和频率有关的无量纲常数。水分子的ε在t = 5℃时为78.36，在t = 20℃时为79.63。有机物ε与温度的关系因材料而异，并不完全遵循正比关系。在某些温度区域，ε随T的增加而增加，而在某些温度区域，ε随T的增加而减少。在聚合物湿敏电容元件的湿敏机理分析中，大部分文献认为聚合物的介电常数较小，如聚酰亚胺的介电常数在低湿度下为3.0-3.8。而水分子介电常数是聚合物ε的几十倍。因此，吸湿后吸水非均质层的介电常数由于水分子的偶极距而大大提高，这是由多相介质的复合介电常数的可加性决定的。由于ε的变化，湿敏电容元件的电容c与相对湿度成正比。在设计和制造过程中很难建立湿度感测特性的全湿范围线性。作为电容器，聚合物介质膜的厚度d和平板电容器的有效面积s也与温度有关。温度变化引起的介质几何形状的变化会影响C值。聚合物的平均热膨胀系数可以达到数量级。比如硝化纤维素的平均热膨胀系数是108x10-5/℃。随着温度的升高，介质膜厚度d增加，对c有负贡献；但湿敏膜的膨胀增加了介质对水的吸附，对c是正贡献，可见湿敏电容的温度特性受多种因素支配，在不同的湿度范围内温漂不同。它在不同的温度区域具有不同的温度系数；不同的湿敏材料具有不同的温度特性。总之，高分子湿度传感器的温度系数不是一个常数，而是一个变量。因此，通常情况下，传感器制造商可以在-10-60摄氏度范围内对传感器进行线性化处理，以减少温度对湿敏元件的影响。
国外厂商的优质产品主要使用聚酰胺树脂。产品结构总结如下:在硼硅玻璃或蓝宝石衬底上真空蒸镀金电极，然后喷涂湿敏介质材料形式的平面湿敏薄膜(如上所述)，再在薄膜上蒸镀金电极。湿敏元件的电容与相对湿度成正比，线性度约为2%。虽然测湿性能还可以，但是耐温性和耐腐蚀性不太理想。在工业领域，使用寿命、耐温性、稳定性和耐腐蚀性都需要进一步提高。
陶瓷湿度传感器是近年来大力发展的一种新型传感器。优点是耐高温、湿度滞后、响应速度快、体积小，便于大批量生产。但由于多孔材料，对灰尘影响大，日常维护频繁，经常需要电加热清洗，容易影响产品质量和湿度，在低湿高温环境下线性度差，特别是使用寿命短，长期可靠性差，是这类湿度传感器亟待解决的问题。
目前，在湿敏元件的开发和研究中，电阻式湿度传感器应该是最适合湿度控制的。其代表产品氯化锂湿度传感器具有稳定性、耐温性、使用寿命长等诸多重要优点。氯化锂湿度传感器有50多年的生产和研究历史，有多种产品类型和制造方法，都应用了氯化锂湿敏液体的优点，尤其是稳定性最强。
氯化锂湿敏器件属于电解质湿敏材料。在众多湿敏材料中，氯化锂电解质湿敏液体最先引起人们的关注，并被用于制造湿敏器件。氯化锂电解质湿敏液体的等效电导随着溶液浓度的增加而减小。电解质溶于水，以降低水表面的水蒸气压力。
氯化锂湿度传感器的基片结构分为柱状和敷料状，以氯化锂聚乙烯醇涂层为主要成分的感湿液和金电极是氯化锂湿度传感器的三个组成部分。多年来，产品制造不断改进，产品性能不断提高。氯化锂湿度传感器特有的长期稳定性是其他湿敏材料不可替代的，也是湿度传感器最重要的性能。在产品生产过程中，湿敏混合物的制备和工艺的严格控制是保持和发挥这一特性的关键。
在国内，九春健科技依托国家计量科学研究院、中科院自动化所、化工所等大型科研单位，从事温湿度传感器产品的研究和生产。选择氯化锂湿敏材料作为主要方向，生产氯化锂湿敏传感器及相关变送器、自动化仪表等产品。在吸收国内外该项技术成功经验的同时，努力克服传统产品的弱点，取得实质性进展。产品采用Al2O3和SiO2陶瓷基板作为基板，大大减少了基板面积，并采用特殊工艺处理，大大提高了防潮性和附着力。采用烧结工艺，在基片上烧结了5个由9%工业纯金制成的修整电极。氯化锂湿敏混合溶液与新产品添加剂和固有组分混合。经过特殊的老化和镀膜工艺，湿敏基片的使用寿命和长期稳定性得到了很大的提高，特别是耐温性达到了-40℃-120℃。采用多种湿敏元件组合的独特工艺，传感器的湿敏范围为1%RH-98%RH，具有15%RH以下的测量性能。漂移曲线和湿度感测曲线都达到了良好的线性化水平，这使得湿度补偿易于实现，并且容易确保宽温度范围内的湿度测量精度。采用循环冷却装置的封闭系统，先对被测气体取样，再降温保证绝对湿度恒定，使探头的温度耐受范围提高到600℃左右，大大增强了高温下的湿度测量功能。成功解决了湿度测量领域的“高温高湿测量”问题。目前，不使用任何器件直接测量150度范围内环境湿度的分离式高温温湿度传感器JCJ200W已成功应用于木材干燥、高低温试验箱等系统。同时，JCJ200Y产品可耐受高达600度的高温，已成功应用于印染行业锭子自动烘干系统、食品自动烘烤系统、特种陶瓷材料自动烘干系统、出口大型烘干机械等。取得了良好的效果，填补了国内自动控制领域高温高湿测量的空白，为我国的工业化进程奠定了一定的基础。
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霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，已经发展成为多种磁传感器产品，并得到了广泛的应用。本文简要介绍其工作原理、产品特点和典型应用。
霍尔元件具有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便、功耗低、频率高(可达1MHZ)、耐振动、不怕灰尘、油、水蒸气、盐雾的污染或腐蚀等优点。
霍尔线性器件精度高，线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无反弹、位置重复精度高(达到微米水平)。霍尔元件具有多种补偿和保护措施，工作温度范围宽，可达-55℃ ~ 150℃。
根据霍尔元件的功能，可分为霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。
根据检测对象的性质，其应用可分为直接应用和间接应用。前者是直接检测被检测物体的磁场或磁特性，后者是检测被检测物体上人为设置的磁场，并将这个磁场作为被检测信息的载体。通过它将力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转速、转速、工作状态变化时的时间等许多非电非磁的物理量转换成电量进行检测和探测。
霍尔元件的工作原理
在磁场的作用下，有电流的金属片上产生横向电位差，如图1:
该电压与磁场和控制电流成比例:
VH=K╳|H╳IC|
其中VH为霍尔电压，H为磁场，ic为控制电流，K为霍尔系数。
霍尔效应在半导体中比在金属中更显著，所以霍尔元件一般由半导体材料制成。
利用霍尔元件，可以进行非接触式电流测量。众所周知，当电流通过一根长直导线时，导线周围会产生磁场。磁场的大小与流经导线的电流成正比。这个磁场可以被软磁材料收集，然后被霍尔元件检测到。由于磁场与霍尔元件的输出有很好的线性关系，霍尔元件测得的信号可以直接反映电流的大小，即I∞B∞VH。
其中I为通过导线的电流，B为通过导线的电流产生的磁场，VH为霍尔元件在磁场B中产生的霍尔电压，当选取合适的比例系数时，可以表示为一个方程。霍尔传感器就是根据这一工作原理制成的。
两种霍尔传感器的应用
1霍尔接近传感器和接近开关
霍尔元件后面偏置一块永久磁铁，它们和相应的处理电路安装在一个外壳内制成探头。霍尔元件的输入引线和处理电路的输出引线通过电缆连接，形成一个接近传感器，如图1所示。其功能块见图19。(a)是霍尔线性接近传感器，而(b)是霍尔接近开关。
图1霍尔接近传感器外形图
a)霍尔线性接近传感器
(b)霍尔接近开关
图2霍尔接近传感器的功能框图
霍尔线性接近传感器主要用于黑色金属的自动计数、厚度检测、距离检测、轮齿计数、速度检测、测速调速、间隙传感、张力检测、条干均匀度检测、电磁量检测、角度检测等。
霍尔接近开关主要用于各种自动控制装置中，完成所需的位置控制、加工尺寸控制、自动计数、各种计数、各种工序的自动连接、液位控制、速度检测等。霍尔叶片开关
霍尔叶片开关是一种使用中断模式的产品。其外观如图20所示，内部结构和工作原理如图21所示。
图3霍尔叶片开关外形图
2霍尔齿轮传感器
如图4所示，新一代霍尔齿轮转速传感器广泛应用于新一代汽车智能发动机，作为点火正时的转速传感器，作为ABS(防抱死制动系统)的转速传感器。
在ABS中，车速传感器是一个非常重要的部件。ABS的工作原理图如图23所示。图中1为速度档传感器；2是压力调节器；3是控制器。在制动过程中，控制器3不断接收并处理来自速度档传感器1的对应于车轮速度的脉冲信号，得到车辆的滑移率和减速度信号，并根据其控制逻辑及时准确地向制动压力调节器2发出指令，调节器及时准确地响应，使制动气室执行充气、维持或放气指令， 并调节制动器的制动压力，防止车轮抱死，实现防滑甩尾，提高制动安全性和制动过程。 在该系统中，霍尔传感器作为轮速传感器，是制动过程中的实时速度采集器，是ABS中的关键部件之一。
在汽车新一代智能发动机中，霍尔齿轮传感器用于检测曲轴的位置和活塞在气缸中的运动速度，从而提供更精确的点火时间，这是其他速度传感器难以替代的。它有如下许多新的优点。
(1)相位精度高，可满足0.4°曲柄角的要求，无需相位补偿。
(2)可以满足0.05°曲轴转角的熄火检测要求。
(3)输出为矩形波，其幅度与车速无关。电子控制单元中的进一步传感器信号调节将降低成本。
有了档位传感器，不仅可以检测转速，还可以测量角度、角速度、流量、流速、旋转方向等等。
图4霍尔速度传感器的内部结构
1.车轮速度传感器2。压力调节器3。电子控制器
2.图4 ABS气压制动系统工作原理示意图。
3旋转传感器
如图5所示，磁体以各种方式布置，并且通过将它们与霍尔开关电路结合，可以形成各种旋转传感器。霍尔电路通电后，磁铁每经过霍尔电路一次，就输出一个电压脉冲。
(a)径向磁极(b)轴向磁极(c)阻断型
图5旋转传感器的磁体布置
因此对于旋转物体可以检测出转数、转速、角度、角速度等物理量。叶轮和磁铁固定在转轴上，用流体(气体和液体)驱动叶轮转动，就可以构成速度和流量传感器。速度计、里程表等。可以通过在轮轴上安装磁铁并在磁铁附近安装霍尔开关电路来实现。这些应用的例子如图25所示。
带有磁铁的叶轮安装在图6的外壳中，霍尔开关电路安装在磁铁旁边。被测流体从管道的一端引入，带动叶轮带动与之相连的磁铁旋转。当通过霍尔元件时，电路输出脉冲电压，从脉冲数可以得到流体的流量。如果已知管道的内径，则可以从速度和直径获得流量。霍尔电路由电缆35供电和输出。
图6霍尔流量计
从图7可以看出，经过简单的信号转换，就可以得到数字显示的车速。
使用锁定的霍尔电路，不仅可以检测转速，还可以识别旋转方向，如图27所示。
曲线1对应于结构图(a)，曲线2对应于结构图(b)，曲线3对应于结构图(c)。
图7霍尔速度计框图
图8使用霍尔开关锁测量方向和转速。
4在大电流检测中的应用
在冶金、化工、超导应用和高能物理(如受控核聚变)试验装置中，有许多超大电流消耗装置。利用多霍尔探头制成的电流传感器来测量和控制大电流，不仅可以满足精确测量的要求，而且可以省去像罗果夫斯基线圈法那样昂贵的测试装置。图9示出了在D III-D托卡马克中使用的霍尔电流传感器装置。使用这种霍尔电流传感器，可以检测高达300kA的电流。
图9(a)显示了G-10的安装结构，其中电流总线在中心，(b)电缆型多霍尔探头，以及(c)霍尔电压放大器电路。
(a)G？10安装结构(b)电缆型多霍尔探头(c)霍尔电压放大器电路
图9多霍尔探针高电流传感器
图10霍尔钳数字电流表电路原理图
图11霍尔功率计原理图
(一)霍尔控制电路
(b)霍尔磁场电路
图12霍尔三相功率变送器中的霍尔乘法器
图13霍尔电能表功能框图
图14霍尔隔离放大器功能框图
5霍尔位移传感器
如果霍尔元件的工作电流保持不变，它在均匀梯度磁场中运动，那么它输出的霍尔电压VH的值只取决于它在磁场中的位移Z。图15给出了产生梯度磁场的三种磁系统以及由它们和霍尔元件组成的位移传感器的输出特性曲线。将霍尔微位移传感器固定在被测系统上即可构成霍尔微位移传感器。从曲线可以看出，结构(b)在z轴上
图15几种产生梯度磁场的磁系统和几种霍尔位移传感器的静态特性。
用霍尔元件测量位移有许多优点:惯性小、频响快、工作可靠、寿命长。
基于微位移检测，可以形成压力、应力、应变、机械振动、加速度、重量、称重等霍尔传感器。
6霍尔压力传感器
霍尔压力传感器由弹性元件、磁系统和霍尔元件组成，如图16所示。在图16中，(a)的弹性元件是波纹管，(b)是弹簧片，(c)是波纹管。磁系统最好是如图29(a)和(b)所示的能形成均匀梯度磁场的复合系统，或者是如图(c)所示的单个磁体。施加压力后，磁系统和霍尔元件之间发生相对位移，改变作用在霍尔元件上的磁场，从而改变其输出电压VH。测量压力P的值可以从预先校准的P～F(VH)曲线中获得。
图16几种霍尔压力传感器的组成原理
7霍尔加速度传感器
图17是霍尔加速度传感器的结构原理和静态特性曲线。同质弹簧片S固定在盒体的O点上，惯性块M安装在片S的中间U处，测量位移的霍尔元件H固定在片S的末端B处，霍尔元件H的上下安装有一对永磁体，它们以相同的极性相对安装。箱体固定在被测物体上。当它们与被测物体一起垂直加速时，惯性块使霍尔元件H在惯性力的作用下相对于箱体产生位移，导致霍尔电压VH的变化。加速度可以从VH和加速度的关系曲线中得到。
图17霍尔加速度传感器的结构和静态特性
三角地
目前，霍尔传感器已经从分立元件发展到集成电路，受到越来越多的关注并得到广泛的应用。