先进传感器技术05气体湿度传感
气体传感器技术的新进展
气体传感器技术的新进展气体传感器技术是现代工业生产、环境监测等领域必不可少的一项技术。
传统的气体传感器技术主要采用电化学传感器、红外传感器、热导传感器等方法，随着半导体技术的发展，气体传感器技术得以进一步突破，新型的气体传感器技术也在不断涌现。
一、电化学传感器与红外传感器的局限性传统的气体传感器主要采用电化学传感器或红外传感器，但这些传感器存在一定的局限性。
例如，电化学传感器受温度、湿度、氧含量等影响较大，精度难以保证；而红外传感器只能检测特定气体，对检测环境的温度和湿度等变化也较为敏感。
此外，这些传感器的响应速度较慢，在实际应用中不能满足快速检测的需求。
二、新型气体传感器技术的进展随着半导体技术的发展，新型气体传感器技术也得以发展。
以下是其中一些较为重要的技术：1. MEMS气体传感器MEMS技术是一种能生产微型和纳米级尺度精密器件的工艺，MEMS气体传感器就是通过这种工艺制造而成的。
这种传感器结构简单、灵敏度高、响应速度快，并且可以检测多种气体。
由于其结构小巧，成本低廉，MEMS气体传感器被广泛应用于环境检测、医疗诊断、食品安全等领域。
2. 光纤传感器光纤传感器是利用光学原理来检测气体浓度的传感器。
它利用光线在光纤中传输时被气体吸收的特性，来检测气体的浓度。
这种传感器响应速度快、精度高、不受湿度、温度等环境因素影响。
由于光纤传感器可以远距离传递信号，因此被广泛应用于石油化工、环境监测等领域。
3. 飞秒激光探测飞秒激光探测是一种利用超短激光脉冲实现气体检测的技术。
这种技术的灵敏度高、精度高、并且可以同时检测多种气体。
飞秒激光探测方法可以被应用于火灾探测、空气污染监测等领域。
4. 谐振光学气体检测谐振光学气体检测是指利用光学腔来实现对气体浓度检测的方法。
这种方法可以获得高精度的气体浓度测量结果，精度甚至可以达到百万分之一。
由于谐振光学气体检测技术的精度和灵敏度高，因此在国际上备受关注，被广泛应用于国防、科研等领域。
气体传感器原理
气体传感器原理气体传感器是一种用于检测和测量环境中气体浓度的设备。
它广泛应用于工业生产、环境监测、生命科学等领域。
本文将介绍气体传感器的工作原理以及常见的气体传感技术。
一、气体传感器工作原理气体传感器的基本工作原理是通过感知环境中气体浓度的变化，并将其转化为电信号进行测量和分析。
1. 变化感知气体传感器通常使用特定的材料或化学物质，这些材料与目标气体发生化学反应或吸附。
当目标气体浓度发生变化时，传感器材料的性质也会发生变化。
例如，对于氧气传感器，它使用了氧离子导体，当氧气浓度增加时，氧离子浓度也会增加，导致电阻值发生变化。
2. 信号转化气体传感器将感知到的变化信号转化为电信号。
根据不同的传感技术，信号转化的方式也各不相同。
常见的信号转化方式包括电容变化、电阻变化、电荷转移和化学反应等。
3. 信号测量转化后的电信号可以由电路进行测量和分析。
通过将电阻、电容等物理量与气体浓度相关联，可以得到准确的浓度测量结果。
通常，在气体传感器中还会加入温度和湿度的补偿电路，以确保测量结果的准确性。
二、常见的气体传感技术1. 热导型传感器热导型传感器利用气体导热性的差异来测量气体浓度。
它包含一个加热元件和几个温度传感器。
当气体进入传感器时，不同气体的导热性会导致温度传感器的输出信号发生变化，通过测量温度差异可以确定气体浓度。
2. 电化学传感器电化学传感器基于气体与电极表面发生化学反应的原理。
它通常包含一个工作电极、一个参比电极和一个计数电极。
当特定气体与工作电极发生反应时，会产生电流或电压变化，通过测量这些变化可以确定气体浓度。
3. 光学传感器光学传感器利用特定波长的光与气体发生吸收或散射的原理来测量气体浓度。
传感器通过发射特定波长的光源并测量光的强度变化，通过比较原始光信号和经过气体吸收或散射后的光信号，可以得出气体浓度的结果。
4. 表面声波传感器表面声波传感器利用声波在材料表面的传播速度和衰减程度与气体浓度的关系来测量气体浓度。
气敏、湿敏传感器精选全文
一、气敏电阻传感器气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器，它的传感元件是气敏电阻。
气敏电阻形式繁多，可以检测各种特定对象的气体，如各种还原性气体。
1．还原性气体传感器所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。
还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。
【举例】各种可燃性气体传感器如，酒精传感器、煤气报警器、液化气报警器、一氧化碳传感器、甲烷传感器等。
2．二氧化钛氧浓度传感器半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。
其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。
当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。
TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路介绍【举例】氧浓度传感器可用于汽车尾气测量气敏半导体的灵敏度较高，它较适用于气体的微量检漏、浓度检测或超限报警。
二、湿敏电阻传感器湿度包括：绝对湿度和相对湿度，湿度对电子元件的影响很大。
检测湿度的手段很多，如毛发湿度计、干湿球湿度计、石英振动式湿度计、微波湿度计、电容湿度计、电阻湿度计等，本节介绍陶瓷湿敏电阻式湿度传感器。
图2－19是陶瓷湿敏电阻传感器的结构、外形及测量转换电路框图，它主要用于测量空气的相对湿度。
新型传感器包括气敏传感器、湿敏传感器、微传感器、光栅传感器、光电式传感器、光纤传感器、集成化智能传感器等。
本章分别介绍了这些新型传感器概念、工作原理、性能参数、应用领域等相关问题。
第10章气敏、湿敏传感器本章主要内容10.1 气敏传感器一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类1. 定义2. 结构：半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳。
3. 分类：按其制造工艺，分为烧结型、薄膜型和厚膜型；按加热方式不同，可分为直热式和旁热式两种气敏器件。
二. 半导体气敏材料的气敏机理三. SnO2 系列气敏器件1. 主要特性2. 检测电路四. 气敏传感器的应用1 简易家用气体报警2 有害气体鉴别、报警与控制电路3 防止酒后开车控制器10.2 湿敏传感器一．半导体陶瓷湿敏电阻1. 负特性湿敏半导瓷的导电原理2 正特性湿敏半导瓷的导电原理二. 典型半导瓷湿敏元件三. 湿敏传感器的应用1 湿度检测器2 高湿度显示器本章教学要求及重点、难点一．教学要求1.了解气敏、湿敏电阻传感器的结构2. 掌握气敏、湿敏电阻传感器的工作原理及应用二. 重点、难点重点：气敏、湿敏电阻传感器的原理及应用难点：气敏、湿敏电阻传感器的原理10.1 气敏传感器一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类1. 定义气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器，它的传感元件是气敏电阻。
传感器技术与应用-湿度检测
①
③
加热回路Байду номын сангаас源
E0
②
④
I0
RL
μA
测量回路电源 E
0 mV 100
图中E0为加热电源, E为测量电c)源基, 本电测阻中量气转敏换电电阻路值的变化引起电路中
电流的变化, 输出电压（信号电压）由电阻RL上取出。 特别在低浓度
下灵敏度高, 而高浓度下趋于稳定值。 因此, 常用来检查可燃性气体泄
漏并报警等。
湿度传感器的典型应用
常用温湿度计
最宜人的室内温湿度
• 冬天18至25℃，相对湿度为30%至80%； • 夏天23至28℃，相对湿度为30%至60%。
• 整理笔记 • 消化笔记 •P
作业
湿度测量方式
元件的电气特性（如电阻值）随湿度的变化 而变化的原理进行湿度测量的传感器。
在绝缘物上浸渍吸湿性物质，或通过蒸发、 涂覆等工艺在表面上制备一层金属、半导体 、高分子薄膜和粉末状颗粒而制成的元器件 。
湿敏传感器的分类
湿敏传感器
电阻式 电容式 其它
电解质式 陶瓷式 高分子式 陶瓷式
高分子式 光纤湿敏传感器 界限电流式湿敏传感器 二极管式、石英振子、SAW式、微波式、热导式等
传感器技术与应用
湿度检测
半导体气敏传感器主要结构类型
• 由气敏元件、加热器、封装部分组成； • 按制造工艺可分为烧结型（工艺最成熟
，应用最广泛）、薄膜型、厚膜型。 • 按加热方式分为内热式和旁热式。
半导体气敏传感器主要结构类型
• 烧结型气敏器件的制作是将一定比例的敏 感材料（SnO2、ZnO等）和一些掺杂剂（ Pt、Pb等）用水或粘合剂调合，经研磨后 使其均匀混合，然后将混合好的膏状物倒 入模具，埋入加热丝和测量电极，经传统 的制陶方法烧结。最后将加热丝和电极焊 在管座上，加上特制外壳就构成器件。
气体湿敏传感器
m—可燃性气体的浓度[％(Vol)]；
—由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。
ρ ，C和的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由可燃性气体的种类决定，在一定条件下，都
是确定的常数。则：E=k•m•b ， b Q
C
即A、B两点的电位差E与可燃性气体的浓度m成比例。测得E
（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ＰＨ表示。一般在(0.5～2.0)W范围。
气敏元件大多以金属氧化物半导体为基材。当被测气体在该
半导体表面吸附后引起其电特性(例如电导率)变化。SnO2、 ZnO、Fe2O3等材料存在气敏效应，当表面吸附某种气体时会引 起电导率的变化。作为敏感元件，要求这种反应必须可逆。
气敏元件的定性解释模型：表面电荷层模型等。
电阻型气体传感器件的主要特性参数与特点
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，在相同温度条件下在不同地区测定，其固有阻值也 出现差别。因此，必须在洁净的空气环境中进行测量。
（2）气敏元件的灵敏度 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
二氧化锆氧敏元件与多数固体电解质氧敏元件一样，作成浓差 电池形式。在二氧化锆两侧装上铂电极，两电极的电位不同时， 两极间产生浓差电动势，测定固体浓差电池的电动势，可测定 被测气体浓度。
湿度传感器ppt课件
电容式湿度传感器
二、湿度及湿度传感器
1、湿度及其表示方法 2、湿度传感器及其特性参数 3、湿度传感器的分类
1、湿度及其表示方法
❖ 在自然界中，凡是有水和生物的地方，在 其周围的大气里总是含有或多或少的水汽。
❖ 大气中含有水汽的多少，表示大气的干、
湿程度，用湿度来表示，也就是说，湿度是 表示大气干湿程度的物理量。 ❖ 大气湿度有两种表示方法：绝对湿度与相 对湿度。
2） 感湿特征量—相对湿度特性曲线
❖ 每一种湿敏元件都有其感湿特征量，如电 阻、电容、电压、频率等。
感湿特性曲线
❖ 湿敏元件的感湿特征量随 环境相对湿度变化的关系 曲线，称为该元件的感湿 特征量 —相对湿度特性曲 线，简称感湿特性曲线。
❖ 人们希望特性曲线应当在
全量程上是连续的，曲线
各处斜率相等，即特性曲
❖ 湿度传感器是指能将湿度转换为与其成一
定比例关系的电量输出的器件式装置。
❖ 主要特性参数有：
①湿度量程 ②感湿特征量 ③灵敏度 ④湿度温度系数 ⑤响应时间 ⑥湿滞回线和湿滞回差
1) 湿度量程
❖ 保证一个湿敏器件能够正常工作所允许环 境相对湿度可以变化的最大范围，称为这 个湿敏元件的湿度量程。
❖ 湿度量程越大，其实际使用价值越大。理 想的湿敏元件的使用范围应当是0－100％ RH的全量程。
❖ 根 据 道 尔 顿 分 压 定 律 ， 空 气 中 压 强 P＝Pa 十 PV(Pa为干空气分压，PV为湿空气气压)和理想状 态方程，又可将相对湿度用分压表示： 相对湿度＝ (PV/PW)×100%RH 式中：PV一待测气体的水汽分压； Pw一 同一温度下水蒸汽的饱和水汽压。
2、湿度传感器及其特性参数
K2O一Fe2O3湿度敏感器件的响应特性曲线
传感器技术及应用：湿度传感器
湿度传感器
图4-9 婴儿尿湿报警器电路原理图
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湿度传感器
内容二 尿湿报警器的制作与调试 1. 制作准备 制作婴儿尿湿报警器所需元器件清单见表4-1。
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湿度传感器 32
湿度传感器
2. 制作、调试过程 (1) 制作湿度传感器。 (2) 设计电路布局图。 (3) 焊接元器件。 (4) 检查。焊接完成后先自查，后请教师检查。 (5) 通电并调试电路。
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湿度传感器
4. 红外吸收法 水分对波长为1.94 μm的红外射线吸收较强，并且可用几 乎不被水分吸收的1.81 μm波长作为参比。由上述两种波长的 滤光片对红外光进行轮流切换，根据被测物对这两种波长的 能量吸收的比值便可判断含水量。
25
湿度传感器
5. 微波吸收法 水分对波长为1.36 cm附近的微波有显著的吸收现象，它 比植物纤维对此波段的吸收要大几十倍。利用这一原理可构 成测木材、烟草、粮食、纸张等物质中含水量的仪表。采用 微波法要注意的是被测物料的密度对检测结果的影响。使用
37
湿度传感器
图4-12 敦煌莫高窟壁画
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湿度传感器
本任务所使用的是AM1001湿度传感器模块，可以从网 上购买。湿度传感器模块是相对湿度传感器与电路一体化的 产品，如图4-13所示。
39
湿度传感器
图4-13 AM1001湿度传感器模块
40
湿度传感器 41
湿度传பைடு நூலகம்器
本任务要制作的电路实物图如图4-14所示，从电池正极 出来首先接三端稳压块7805，从7805出来后接AM1001的黄 色引线，黄色引线后接LED，其中AM1001的红、黑线分别 接电源正负极。
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内容二
《气湿敏传感器》课件
03
CATALOGUE
气湿敏传感器的发展趋势
提高灵敏度和精度
优化材料结构
通过改进材料结构，提高气湿敏传感器的灵敏度和响应速度。
表面修饰与功能化
采用表面修饰和功能化技术，提高气湿敏传感器的选择性，降低交 叉敏感性。
微纳技术与纳米材料
利用微纳加工技术和纳米材料，减小气湿敏传感器的尺寸，提高其 精度和稳定性。
农业领域的应用
在农业生产中，气湿敏传感器可 用于监测和控制温室内的气体和 湿度，以提高农作物的生长和产
量。
通过监测温室内的气体成分和湿 度，可以及时调整环境条件，满 足不同植物生长的需求，提高农
作物的品质和产量。
此外，气湿敏传感器还可以用于 农田环境的监测，例如检测土壤 中的气体和湿度，以指导农民合
加强基础研究与技术突破
总结词
基础研究和技术突破是推动气湿敏传感器发展的重要驱动力。
详细描述
加强基础研究，深入了解气湿敏传感器的原理和机制，探索新的材料、工艺和设 计方法。同时，鼓励技术突破，推动传感器技术的创新和进步，为气湿敏传感器 的发展注入新的活力。
拓展应用领域和范围
总结词ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
拓展应用领域和范围是气湿敏传感器发展的必然趋势。
理施肥和灌溉。
医疗领域的应用
在医疗领域，气湿敏传感器可用 于监测患者的呼吸和环境中的气 体成分，以协助医生诊断和治疗
。
对于某些疾病，如哮喘、慢性阻 塞性肺病等，气湿敏传感器可以 用于监测患者的呼吸状况，及时 发现异常情况并采取相应措施。
在手术室和重症监护室等医疗环 境中，气湿敏传感器可以用于监 测空气中的气体成分和湿度，以
详细描述
为了提高气湿敏传感器的稳定性与可靠性，可以采用先进的 材料和制造工艺，优化传感器结构，提高其长期稳定性和重 复性。此外，加强质量检测和控制也是必要的措施。
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1. 本理论适用于钙钛矿型原子
体控制复合氧化物；
2. 用ABO3一般式来表示钛矿
型氧化物，其导电过程是通 过B元素与氧组成的三维网 孔状结构进行的；
3. 氧的解离作用可以把网状构
造的某一部分切断，一旦发 生这种现象，复合氧化物的 电阻值将显著增加。
EXIT 《传感器原理及应用》
Ba Ti
BaTiO3的晶体结构示意图
以固定电位电解式为代表 （极谱式，原电池式）
物理科学与技术学院 王殿生 制作
11
半导体气敏传感器分类:
按构成气敏传感器材料可分为：
按半导体与气体相互作用时
半导体和非半导体两大类。
产生的变化只限于半导体表面或
目前半导体气敏传感器实际使用 最多。
深入到半导体内部可分为： 表面控制型和体控制型。
表面控制型：半导体表面吸
附气体与半导体间发生电子接受，
半导体气敏传感器:
结果使半导体的电导率等物理性
利用待测气体与半导体表面接触 时产生的电导率等物理性质变化来检 测气体。
质发生变化，但内部化学组成不 变。
体控制型：半导体与气体的 反应，半导体内部组成发生变化，
导致电导率等参量变化。
EXIT 《传感器原理及应用》
物理科学与技术学院 王殿生 制作
半导体气敏传感器分类: 按照半导体变化的物理特性又 可分为：电阻型和非电阻型。
电阻型：通过半导体敏感材料 接触气体时阻值变化来检测气体的 成分或浓度。
非电阻型：通过半导体气敏元 件的其它参数变化来检测被测气体， 如二极管伏安特性和场效应晶体管 的阈值电压变化。
EXIT 《传感器原理及应用》
物理科学与技术学院 王殿生 制作
EXIT 《传感器原理及应用》
物理科学与技术学院 王殿生 制作
第五章 气体/湿度传感器
气体传感器 环境领域
大气环境
微环境
➢发生源控制
➢VOCs监测
工作环境苛刻
高灵敏度
NOx,SOx,HC,CO ➢大气环境监测
(数十ppb) 高选择性
高灵敏度
甲醛,苯,甲苯,
(数十ppb) EXIT 《传感器原理及应用》
①环境标准 ②室内健康基准 ③恶臭限制法律 ④工作环境法 物⑤理室王科内殿学环生与境技制指术作学针院
第五章 气体/湿度传感器
一、气体传感器的定义和种类
1. 气体传感器概念 气体传感器是指能将被测气体浓度转换为与其成一定关系的 电量输出的装置或器件。Leabharlann EXIT 《传感器原理及应用》
物理科学与技1术0 学院 王殿生 制作
EXIT 《传感器原理及应用》
物理科学与技1术4 学院 王殿生 制作
二、 气敏机理
目前为大家所认可的气敏机理有：
1. 整体原子价控制理论 2. 能级生成理论 3. 表面电荷层理论 4. 接触粒界势垒理论
EXIT 《传感器原理及应用》
物理科学与技1术5 学院 王殿生 制作
1. 整体原子价控制理论(气敏机理之一)
向串接的双电桥电路，电桥输出电压 感压膜 与柱式容器内感压膜上面溶液的重量
成线性关系。因此可测量容器内储存
的溶液重量。
EXIT 《传感器原理及应用》
物理科学与技术学院 王殿生 制作
§4.5 应变式传感器的应用
桥梁固有频率测量
EXIT 《传感器原理及应用》
物理科学与技术学院 王殿生 制作
§4.5 应变式传感器的应用
二甲苯等物理科学与技术学院 王殿生 制作
气体传感器的应用领域
气体传感器 安全领域
工业安全
家庭安全
➢煤矿安全
➢煤气泄漏、
高可靠、低价格 ➢不完全燃烧
CH4、CO ➢化工、半导体
高可靠 低功耗
高灵敏度
低价格
高选择性等 甲烷,异丁烷，CO EXIT 《传感器原理及应用》
物理科学与技术学院 王殿生 制作
气体传感器的应用领域
机器人握力测量
EXIT 《传感器原理及应用》
物理科学与技术学院 王殿生 制作
§4.5 应变式传感器的应用
扭矩测量
应变式数显扭矩扳手 EXIT 《传感器原理及应用》
物理科学与技术学院 王殿生 制作
§4.5 应变式传感器的应用
振动式地音入侵探测器
金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏 行为均可及时发现。
3. 与此相反，若n型半导体吸附氧化性气体时，气体以
负离子形式吸着，而将空穴给予半导体，使导带电子
数目EX减IT 《少传，感而器使原元理件及应电用阻》值增加。
再进一步划分可如图所示：
接触燃烧式
2. 气体传感器的分类
半
半导体陶瓷型
导
厚膜型
从结构上可分为两大类体 ： 薄膜和超微粒子膜
式 干
a. 干式式 ：敏感材料为固固体体电介质式
（ZrO2—C2O)
b. 湿式：敏感材料为水溶液或电解液
气敏元件
红外线吸收式
导热率变化式（热线，热敏电阻）
湿
EXIT 《传感器式 原理及应用》
气体传感器在其他领域的应用
➢食品的质量(鲜度)评价
水产品、水果、酒类等
➢疾病诊断
早期癌症诊断、呼吸道疾病、
口腔疾病
➢ 高效农业
二氧化碳、湿度等
EXIT 《传感器原理及应用》
物理科学与技术学院 王殿生 制作
主要污染物浓度检测范围
EXIT 《传感器原理及应用》
N. Yamazoe / Sensors and Actuators B 108 (2005) 2–14
物理科学与技1术6 学院 王殿生 制作
2. 能级生成理论(气敏机理之二)
1. 以SnO2、ZnO等半导体传感器的n型半导体为例讨论 这种理论；
2. n型半导体吸附还原性气体时，还原性气体将电子交 给半导体，而以正电荷与半导体相吸着，进入n型半 导体内的电子，束缚其少数载流子的空穴，使空穴与 导带上参与导电的自由电子复合几率减少，这实际上 是加强了导电能力，因而减少了元件的电阻值。
§4.5 应变式传感器的应用
三、应变式容器内液体重量传感器
插入式测量容器内液体重量的传 感器有一根传压杆，上端安装微压传 感器，为了提高灵敏度，共安装了两 只。下端安装感压膜，感压膜感受上
电阻应变片 （反、正两面共4片）
微压 传感器
面液体的压力。当容器中溶液增多时，
感压膜感受的压力就增大。
传压杆
两个微压传感器的电桥，接成正
3. 气体传感器必须满足的条件
(1) 对于气体的敏感现象是可逆的； (2)能够检测爆炸气体的允许浓度、有害气体的允
许浓度相其它基准设定浓度； (3)对被测气体以外的共存气体或物质不敏感； (4)性能长期稳定性好； (5)响应迅速，重复性好； (6)对于周围环境（温度、湿度）依赖性小 (7)维护方便，价格便宜等。