進入21世紀後，特別是中國加入WTO後，國內產品面臨巨大挑戰。各行各業，尤其是傳統行業，迫切需要應用電子技術和自動控制技術進行轉型升級。比如紡織行業，溫濕度是影響紡織品質量的重要因素，但紡織企業的溫濕度測控手段還很粗糙落後。大部分還是用濕球濕度計和幹球濕度計，人工觀察和人工調節閥門和風扇，控制效果可想而知。醫藥行業基本都是這樣。在食品行業，基本憑經驗，很少有人用濕度傳感器。值得壹提的是，隨著農業向工業化發展，許多農民意識到有必要擺脫落後的傳統耕作和養殖方式，采用現代科學技術迎接進口農產品的挑戰，進入國外市場。各地新建了越來越多的大棚，種植反季節蔬菜和花卉；水產養殖業對環境的監控也越來越迫切；大量的調溫冷庫建築為溫濕度測控技術提供了廣闊的市場。我國從荷蘭、以色列等國引進了40多座先進的大型溫室，自動化程度高，成本高。我國正在逐步消化吸收相關技術，壹般先搞溫度調節、燈光調節、通風控制；第二步是自動溫度和濕度控制以及CO2測量和控制。此外，大量國家糧食儲備項目對溫濕度測控技術提出了要求。
然而，目前在濕度測試領域，大多數濕度傳感器的性能只能在通常的溫度環境下使用。大部分國產濕度傳感器，包括很多國外的濕度傳感器，在特殊環境下需要測量濕度的應用中都會“皺眉頭”！例如上述紡織印染行業、食品行業、耐高溫材料行業等。，有必要在高溫下測量濕度。壹般情況下，印染行業的錠子烘幹溫度可達120攝氏度以上；在食品工業中，食物的烘焙溫度可以達到80-200攝氏度左右；耐高溫材料，如陶瓷過濾幹燥，可以達到200攝氏度以上。在這些情況下，普通的濕度傳感器很難測量。
聚合物電容式濕度傳感器通常是在玻璃、陶瓷、矽等材料的絕緣基底上通過絲網印刷或真空鍍膜的方法制作，然後將濕敏膠通過浸漬或其他方法塗在電極上制成電容元件。在不同相對濕度的大氣環境中，由於濕敏膜吸收水分子，濕度傳感器的電容發生有規律的變化，這是濕度傳感器的基本機理。聚合物電容元件的溫度特性受溫度影響，不僅聚合物作為介質的介電常數ε和吸附水分子的介電常數ε，而且元件的幾何尺寸也受熱膨脹系數的影響。根據德拜理論，液體的介電常數ε是壹個與溫度和頻率有關的無量綱常數。水分子的ε在t = 5℃時為78.36，在t = 20℃時為79.63。有機物ε與溫度的關系因材料而異，並不完全遵循正比關系。在某些溫度區域，ε隨T的增加而增加，而在某些溫度區域，ε隨T的增加而減少。在聚合物濕敏電容元件的濕敏機理分析中，大部分文獻認為聚合物的介電常數較小，如聚酰亞胺的介電常數在低濕度下為3.0-3.8。而水分子介電常數是聚合物ε的幾十倍。因此，吸濕後吸水非均質層的介電常數由於水分子的偶極距而大大提高，這是由多相介質的復合介電常數的可加性決定的。由於ε的變化，濕敏電容元件的電容c與相對濕度成正比。在設計和制造過程中很難建立濕度感測特性的全濕範圍線性。作為電容器，聚合物介質膜的厚度d和平板電容器的有效面積s也與溫度有關。溫度變化引起的介質幾何形狀的變化會影響C值。聚合物的平均熱膨脹系數可以達到數量級。比如硝化纖維素的平均熱膨脹系數是108x10-5/℃。隨著溫度的升高，介質膜厚度d增加，對c有負貢獻；但濕敏膜的膨脹增加了介質對水的吸附，對c是正貢獻，可見濕敏電容的溫度特性受多種因素支配，在不同的濕度範圍內溫漂不同。它在不同的溫度區域具有不同的溫度系數；不同的濕敏材料具有不同的溫度特性。總之，高分子濕度傳感器的溫度系數不是壹個常數，而是壹個變量。因此，通常情況下，傳感器制造商可以在-10-60攝氏度範圍內對傳感器進行線性化處理，以減少溫度對濕敏元件的影響。
國外廠商的優質產品主要使用聚酰胺樹脂。產品結構總結如下:在硼矽玻璃或藍寶石襯底上真空蒸鍍金電極，然後噴塗濕敏介質材料形式的平面濕敏薄膜(如上所述)，再在薄膜上蒸鍍金電極。濕敏元件的電容與相對濕度成正比，線性度約為2%。雖然測濕性能還可以，但是耐溫性和耐腐蝕性不太理想。在工業領域，使用壽命、耐溫性、穩定性和耐腐蝕性都需要進壹步提高。
陶瓷濕度傳感器是近年來大力發展的壹種新型傳感器。優點是耐高溫、濕度滯後、響應速度快、體積小，便於大批量生產。但由於多孔材料，對灰塵影響大，日常維護頻繁，經常需要電加熱清洗，容易影響產品質量和濕度，在低濕高溫環境下線性度差，特別是使用壽命短，長期可靠性差，是這類濕度傳感器亟待解決的問題。
目前，在濕敏元件的開發和研究中，電阻式濕度傳感器應該是最適合濕度控制的。其代表產品氯化鋰濕度傳感器具有穩定性、耐溫性、使用壽命長等諸多重要優點。氯化鋰濕度傳感器有50多年的生產和研究歷史，有多種產品類型和制造方法，都應用了氯化鋰濕敏液體的優點，尤其是穩定性最強。
氯化鋰濕敏器件屬於電解質濕敏材料。在眾多濕敏材料中，氯化鋰電解質濕敏液體最先引起人們的關註，並被用於制造濕敏器件。氯化鋰電解質濕敏液體的等效電導隨著溶液濃度的增加而減小。電解質溶於水，以降低水表面的水蒸氣壓力。
氯化鋰濕度傳感器的基片結構分為柱狀和敷料狀，以氯化鋰聚乙烯醇塗層為主要成分的感濕液和金電極是氯化鋰濕度傳感器的三個組成部分。多年來，產品制造不斷改進，產品性能不斷提高。氯化鋰濕度傳感器特有的長期穩定性是其他濕敏材料不可替代的，也是濕度傳感器最重要的性能。在產品生產過程中，濕敏混合物的制備和工藝的嚴格控制是保持和發揮這壹特性的關鍵。
在國內，九春健科技依托國家計量科學研究院、中科院自動化所、化工所等大型科研單位，從事溫濕度傳感器產品的研究和生產。選擇氯化鋰濕敏材料作為主要方向，生產氯化鋰濕敏傳感器及相關變送器、自動化儀表等產品。在吸收國內外該項技術成功經驗的同時，努力克服傳統產品的弱點，取得實質性進展。產品采用Al2O3和SiO2陶瓷基板作為基板，大大減少了基板面積，並采用特殊工藝處理，大大提高了防潮性和附著力。采用燒結工藝，在基片上燒結了5個由9%工業純金制成的修整電極。氯化鋰濕敏混合溶液與新產品添加劑和固有組分混合。經過特殊的老化和鍍膜工藝，濕敏基片的使用壽命和長期穩定性得到了很大的提高，特別是耐溫性達到了-40℃-120℃。采用多種濕敏元件組合的獨特工藝，傳感器的濕度傳感範圍為1%RH-98%RH，具有15%RH以下的測量性能。漂移曲線和濕度感測曲線都達到了良好的線性化水平，這使得濕度補償易於實現，並且容易確保寬溫度範圍內的濕度測量精度。采用循環冷卻裝置的封閉系統，先對被測氣體取樣，再降溫保證絕對濕度恒定，使探頭的溫度耐受範圍提高到600℃左右，大大增強了高溫下的濕度測量功能。成功解決了濕度測量領域的“高溫高濕測量”問題。目前，不使用任何器件直接測量150度範圍內環境濕度的分離式高溫溫濕度傳感器JCJ200W已成功應用於木材幹燥、高低溫試驗箱等系統。同時，JCJ200Y產品可耐受高達600度的高溫，已成功應用於印染行業錠子自動烘幹系統、食品自動烘烤系統、特種陶瓷材料自動烘幹系統、出口大型烘幹機械等。取得了良好的效果，填補了國內自動控制領域高溫高濕測量的空白，為我國的工業化進程奠定了壹定的基礎。
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霍爾元件是壹種基於霍爾效應的磁傳感器，已經發展成為多種磁傳感器產品，並得到了廣泛的應用。本文簡要介紹其工作原理、產品特點和典型應用。
霍爾元件具有結構牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便、功耗低、頻率高(可達1MHZ)、耐振動、不怕灰塵、油、水蒸氣、鹽霧的汙染或腐蝕等優點。
霍爾線性器件精度高，線性度好；霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無反彈、位置重復精度高(達到微米水平)。霍爾元件具有多種補償和保護措施，工作溫度範圍寬，可達-55℃ ~ 150℃。
根據霍爾元件的功能，可分為霍爾線性器件和霍爾開關器件。前者輸出模擬量，後者輸出數字量。
根據檢測對象的性質，其應用可分為直接應用和間接應用。前者是直接檢測被檢測物體的磁場或磁特性，後者是檢測被檢測物體上人為設置的磁場，並將這個磁場作為被檢測信息的載體。通過它將力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉速、轉速、工作狀態變化時的時間等許多非電非磁的物理量轉換成電量進行檢測和探測。
霍爾元件的工作原理
在磁場的作用下，有電流的金屬片上產生橫向電位差，如圖1:
該電壓與磁場和控制電流成比例:
VH=K╳|H╳IC|
其中VH為霍爾電壓，H為磁場，ic為控制電流，K為霍爾系數。
霍爾效應在半導體中比在金屬中更顯著，所以霍爾元件壹般由半導體材料制成。
利用霍爾元件，可以進行非接觸式電流測量。眾所周知，當電流通過壹根長直導線時，導線周圍會產生磁場。磁場的大小與流經導線的電流成正比。這個磁場可以被軟磁材料收集，然後被霍爾元件檢測到。由於磁場與霍爾元件的輸出有很好的線性關系，霍爾元件測得的信號可以直接反映電流的大小，即I∞B∞VH。
其中I為通過導線的電流，B為通過導線的電流產生的磁場，VH為霍爾元件在磁場B中產生的霍爾電壓，當選取合適的比例系數時，可以表示為壹個方程。霍爾傳感器就是根據這壹工作原理制成的。
兩種霍爾傳感器的應用
1霍爾接近傳感器和接近開關
霍爾元件後面偏置壹塊永久磁鐵，它們和相應的處理電路安裝在壹個外殼內制成探頭。霍爾元件的輸入引線和處理電路的輸出引線通過電纜連接，形成壹個接近傳感器，如圖1所示。其功能塊見圖19。(a)是霍爾線性接近傳感器，而(b)是霍爾接近開關。
圖1霍爾接近傳感器外形圖
a)霍爾線性接近傳感器
(b)霍爾接近開關
圖2霍爾接近傳感器的功能框圖
霍爾線性接近傳感器主要用於黑色金屬的自動計數、厚度檢測、距離檢測、輪齒計數、速度檢測、測速調速、間隙傳感、張力檢測、條幹均勻度檢測、電磁量檢測、角度檢測等。
霍爾接近開關主要用於各種自動控制裝置中，完成所需的位置控制、加工尺寸控制、自動計數、各種計數、各種工序的自動連接、液位控制、速度檢測等。霍爾葉片開關
霍爾葉片開關是壹種使用中斷模式的產品。其外觀如圖20所示，內部結構和工作原理如圖21所示。
圖3霍爾葉片開關外形圖
2霍爾齒輪傳感器
如圖4所示，新壹代霍爾齒輪轉速傳感器廣泛應用於新壹代汽車智能發動機，作為點火正時的轉速傳感器，作為ABS(防抱死制動系統)的轉速傳感器。
在ABS中，車速傳感器是壹個非常重要的部件。ABS的工作原理圖如圖23所示。圖中1為速度檔傳感器；2是壓力調節器；3是控制器。在制動過程中，控制器3不斷接收並處理來自速度檔傳感器1的對應於車輪速度的脈沖信號，得到車輛的滑移率和減速度信號，並根據其控制邏輯及時準確地向制動壓力調節器2發出指令，調節器及時準確地響應，使制動氣室執行充氣、維持或放氣指令， 並調節制動器的制動壓力，防止車輪抱死，實現防滑甩尾，提高制動安全性和制動過程。 在該系統中，霍爾傳感器作為輪速傳感器，是制動過程中的實時速度采集器，是ABS中的關鍵部件之壹。
在汽車新壹代智能發動機中，霍爾齒輪傳感器用於檢測曲軸的位置和活塞在氣缸中的運動速度，從而提供更精確的點火時間，這是其他速度傳感器難以替代的。它有如下許多新的優點。
(1)相位精度高，可滿足0.4°曲柄角的要求，無需相位補償。
(2)可以滿足0.05°曲軸轉角的熄火檢測要求。
(3)輸出為矩形波，其幅度與車速無關。電子控制單元中的進壹步傳感器信號調節將降低成本。
有了檔位傳感器，不僅可以檢測轉速，還可以測量角度、角速度、流量、流速、旋轉方向等等。
圖4霍爾速度傳感器的內部結構
1.車輪速度傳感器2。壓力調節器3。電子控制器
2.圖4 ABS氣壓制動系統工作原理示意圖。
3旋轉傳感器
如圖5所示，磁體以各種方式布置，並且通過將它們與霍爾開關電路結合，可以形成各種旋轉傳感器。霍爾電路通電後，磁鐵每經過霍爾電路壹次，就輸出壹個電壓脈沖。
(a)徑向磁極(b)軸向磁極(c)阻斷型
圖5旋轉傳感器的磁體布置
因此對於旋轉物體可以檢測出轉數、轉速、角度、角速度等物理量。葉輪和磁鐵固定在轉軸上，用流體(氣體和液體)驅動葉輪轉動，就可以構成速度和流量傳感器。速度計、裏程表等。可以通過在輪軸上安裝磁鐵並在磁鐵附近安裝霍爾開關電路來實現。這些應用的例子如圖25所示。
帶有磁鐵的葉輪安裝在圖6的外殼中，霍爾開關電路安裝在磁鐵旁邊。被測流體從管道的壹端引入，帶動葉輪帶動與之相連的磁鐵旋轉。當通過霍爾元件時，電路輸出脈沖電壓，從脈沖數可以得到流體的流量。如果已知管道的內徑，則可以從速度和直徑獲得流量。霍爾電路由電纜35供電和輸出。
圖6霍爾流量計
從圖7可以看出，經過簡單的信號轉換，就可以得到數字顯示的車速。
使用鎖定的霍爾電路，不僅可以檢測轉速，還可以識別旋轉方向，如圖27所示。
曲線1對應於結構圖(a)，曲線2對應於結構圖(b)，曲線3對應於結構圖(c)。
圖7霍爾速度計框圖
圖8使用霍爾開關鎖測量方向和轉速。
4在大電流檢測中的應用
在冶金、化工、超導應用和高能物理(如受控核聚變)試驗裝置中，有許多超大電流消耗裝置。利用多霍爾探頭制成的電流傳感器來測量和控制大電流，不僅可以滿足精確測量的要求，而且可以省去像羅果夫斯基線圈法那樣昂貴的測試裝置。圖9示出了在D III-D托卡馬克中使用的霍爾電流傳感器裝置。使用這種霍爾電流傳感器，可以檢測高達300kA的電流。
圖9(a)顯示了G-10的安裝結構，其中電流總線在中心，(b)電纜型多霍爾探頭，以及(c)霍爾電壓放大器電路。
(a)G？10安裝結構(b)電纜型多霍爾探頭(c)霍爾電壓放大器電路
圖9多霍爾探針高電流傳感器
圖10霍爾鉗數字電流表電路原理圖
圖11霍爾功率計原理圖
(壹)霍爾控制電路
(b)霍爾磁場電路
圖12霍爾三相功率變送器中的霍爾乘法器
圖13霍爾電能表功能框圖
圖14霍爾隔離放大器功能框圖
5霍爾位移傳感器
如果霍爾元件的工作電流保持不變，它在均勻梯度磁場中運動，那麽它輸出的霍爾電壓VH的值只取決於它在磁場中的位移Z。圖15給出了產生梯度磁場的三種磁系統以及由它們和霍爾元件組成的位移傳感器的輸出特性曲線。將霍爾微位移傳感器固定在被測系統上即可構成霍爾微位移傳感器。從曲線可以看出，結構(b)在z軸上
圖15幾種產生梯度磁場的磁系統和幾種霍爾位移傳感器的靜態特性。
用霍爾元件測量位移有許多優點:慣性小、頻響快、工作可靠、壽命長。
基於微位移檢測，可以形成壓力、應力、應變、機械振動、加速度、重量、稱重等霍爾傳感器。
6霍爾壓力傳感器
霍爾壓力傳感器由彈性元件、磁系統和霍爾元件組成，如圖16所示。在圖16中，(a)的彈性元件是波紋管，(b)是彈簧片，(c)是波紋管。磁系統最好是如圖29(a)和(b)所示的能形成均勻梯度磁場的復合系統，或者是如圖(c)所示的單個磁體。施加壓力後，磁系統和霍爾元件之間發生相對位移，改變作用在霍爾元件上的磁場，從而改變其輸出電壓VH。測量壓力P的值可以從預先校準的P～F(VH)曲線中獲得。
圖16幾種霍爾壓力傳感器的組成原理
7霍爾加速度傳感器
圖17是霍爾加速度傳感器的結構原理和靜態特性曲線。同質彈簧片S固定在盒體的O點上，慣性塊M安裝在片S的中間U處，測量位移的霍爾元件H固定在片S的末端B處，霍爾元件H的上下安裝有壹對永磁體，它們以相同的極性相對安裝。箱體固定在被測物體上。當它們與被測物體壹起垂直加速時，慣性塊使霍爾元件H在慣性力的作用下相對於箱體產生位移，導致霍爾電壓VH的變化。加速度可以從VH和加速度的關系曲線中得到。
圖17霍爾加速度傳感器的結構和靜態特性
三角地
目前，霍爾傳感器已經從分立元件發展到集成電路，受到越來越多的關註並得到廣泛的應用。