传感器技术与应用气体和湿传感器.pptx
气体传感器是一种把气体中的特定成分检测出来,并将它转换为电信号的器件。提供有关待测气体的存在及浓度大小的信息。主要检测对象和应用场所见表8-1。第1页/共75页表8-1 气敏传感器主要检测对象及其应用场所 分类分类检测对象气体检测对象气体应用场合应用场合易燃易爆气体易燃易爆气体液化石油气、焦炉煤气、发生炉煤气、液化石油气、焦炉煤气、发生炉煤气、天然气天然气甲烷甲烷氢气氢气家庭用家庭用煤矿煤矿 冶金、试验室冶金、试验室有毒气体有毒气体一氧化碳（不完全燃烧的煤气）一氧化碳（不完全燃烧的煤气）硫化氢、含硫的有机化合物硫化氢、含硫的有机化合物卤素，卤化物，氨气等卤素，卤化物，氨气等煤气灶等煤气灶等石油工业、制药石油工业、制药厂厂冶炼厂、化肥厂冶炼厂、化肥厂环境气体环境气体氧气（缺氧）氧气（缺氧）水蒸气（调节湿度，防止结露）水蒸气（调节湿度，防止结露）大气污染（大气污染（SOx,NOx,CL2等）等）地下工程、家庭地下工程、家庭电子设备、汽车、电子设备、汽车、温室温室工业区工业区工业气体工业气体燃烧过程气体控制，调节燃燃烧过程气体控制，调节燃/空比空比一氧化碳（防止不完全燃烧）一氧化碳（防止不完全燃烧）水蒸气（食品加工）水蒸气（食品加工）内燃机，锅炉内燃机，锅炉内燃机、冶炼厂内燃机、冶炼厂电子灶电子灶其它灾害其它灾害烟雾，司机呼出酒精烟雾，司机呼出酒精火灾预报，事故火灾预报，事故预报预报第2页/共75页 气体传感器的性能必须满足下列条件：（1）能够检测并能及时给出报警、显示与控制信号；（2）对被测气体以外的共存气体或物质不敏感；（3）性能稳定性、重复性好；（4）动态特性好、响应迅速；（5）使用、维护方便，价格便宜。第3页/共75页8.1.1 半导体气体传感器 利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化，来检测气体的成分或浓度。半导体气体传感器大体可分为电阻式和非电阻式两大类。见表8-2。电阻式是用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料制作。非电阻式是一种半导体器件。第4页/共75页表8-2 半导体气体传感器的分类主要的物理主要的物理特性特性传感器举例传感器举例工作温度工作温度代表性被测气体代表性被测气体电阻电阻式式表面控制型表面控制型氧化锡、氧化锌氧化锡、氧化锌室温室温450C可燃性气体可燃性气体体控制型体控制型LaI-xSrxCoO3，FeO氧氧化钛、化钛、氧化钴、氧化镁、氧化氧化钴、氧化镁、氧化锡锡300450C700C以上以上酒精、可燃性气酒精、可燃性气体、氧气体、氧气非电非电阻式阻式表面电位表面电位氧化银氧化银室温室温乙醇乙醇二极管整流二极管整流特性特性铂铂/硫化镉、铂硫化镉、铂/氧化钛氧化钛室温室温200C氢气、一氧化碳、氢气、一氧化碳、酒精酒精晶体管特性晶体管特性铂栅铂栅MOS场效应管场效应管150C氢气、硫化氢氢气、硫化氢第5页/共75页1.表面控制型气体传感器 平常器件工作在空气中，空气中的O2和NO2，接受来自N型半导体材料敏感膜的电子吸附。表现为N型半导体材料敏感膜的表面传导电子数减少，表面电导率减小，器件处于高阻状态。第6页/共75页 一旦器件与被测气体接触，就会与吸附的氧起反应，将被氧束缚的电子释放出来，使敏感膜表面电导率增大，器件电阻减少。第7页/共75页 目前常用的材料为氧化锡和氧化锌等较难还原的氧化物，也有研究用有机半导体材料的。在这类传感器中一般均参有少量贵金属（如Pt等）作为激活剂。这类器件目前已商品化的有SnO2、ZnO等气体传感器。第8页/共75页2.体电阻控制型气体传感器 体控制型电阻式气体传感器是利用体电阻的变化来检测气体的半导体器件。检测对象主要有：液化石油气，主要是丙烷；煤气，主要是CO、H2；天然气，主要是甲烷。第9页/共75页 例如利用SnO2气敏器件可设计酒精探测器，当酒精气体被检测到时，气敏器件电阻值降低，测量回路有信号输出，提供给电表显示或指示灯发亮。气敏器件工作时要提供加热电源。第10页/共75页3.非电阻型气体传感器 二极管气体传感器是利用一些气体被金属与半导体的界面吸收，对半导体禁带宽度或金属的功函数的影响，而使二极管整流特性发生性质变化而制成。第11页/共75页 场效应管FET型气体传感器是根据栅压域值的变化来检测未知气体。电容型气体传感器是根据CaOBaTiO3等复合氧化物随CO2浓度变化、其静电容量有很大变化而制成。第12页/共75页8.1.2 固体电解质式气体传感器 这类传感器内部不是依赖电子传导，而是靠阴离子或阳离子进行传导。因此，把利用这种传导性能好的材料制成的传感器称为固体电解质传感器。第13页/共75页8.1.3 接触燃烧式气体传感器 接触燃烧式气体传感器是将白金等金属线圈埋设在氧化催化剂中构成。使用时对金属线圈通以电流，使之保持在300600C的高温状态，同时将元件接入电桥电路中的一个桥臂。第14页/共75页 一旦有可燃性气体与传感器表面接触，燃烧热量进一步使金属丝升温，造成器件阻值增大，从而破坏了电桥的平衡。其输出的不平衡电流或电压可测得可燃性气体的浓度。第15页/共75页8.1.4 电化学式气体传感器1.离子电极型气体传感器 由电解液、固定参照电极和pH电极组成。通过透气膜使被测气体和外界达到平衡。以被测气体为CO2为例，在电解液中达到如下化学平衡：CO2+H2O=H+HCO3 根据pH值就能知道CO2 的浓度。第16页/共75页2.加伐尼电池式气体传感器 由隔离膜、铅电极（阳）、电解液、白金电极（阴）组成一个加伐尼电池。当被测气体通过聚四氟乙烯隔膜扩散到达负极表面时，即可发生还原反应。溶液中产生电流，流过外电路。该电流数值和气体的速度成比例。第17页/共75页3.定位电解法气体传感器 由工作电极、辅助电极及参比电极以及聚四氟乙烯制成的透气隔离膜组成，在电极间充以电解液。图8-1所示为定位电解法气体传感器气体浓度测试电路，图中NAP505为日本生产的小型、低功耗一氧化碳传感器。一氧化碳通过透气膜进入电解液到达工作电极（W）表面，工作电极表面发生氧化反应：COH2OCO22H2e 第18页/共75页图8-1 定位电解法一氧化碳气体浓度测试电路第19页/共75页 产生的电子在工作电极上，产生的氢离子在工作电极旁的电解液中。电子使工作电极产生负电压，电子由外电路向辅助电极（C）流动。氢离子在电解液中向辅助电极流动，接收辅助电极上的电子和电极旁的氧气，发生还原反应：2HO222eH2O第20页/共75页 参比电极（R）表面同样发生氧化反应，产生的电子使参比电极产生负电压，该电压由运算放大器IC2组成的积分电路积分，积分输出电压加在工作电极和辅助电极之间，以保持工作电极电压稳定，不随电子流出而下降。工作电极流出的电流（电子）与一氧化碳浓度成比例。电流在10电阻上产生电压，由运算放大器IC1放大输出，可知一氧化碳浓度。第21页/共75页8.1.5 集成型气体传感器 一类是把敏感部分、加热部分和控制部分集成在同一基底上，以提高器件的性能；另一类是把多个具有选择性的元件，用厚膜或薄膜的方法制在一个衬底上。用微机处理和信号识别的方法对被测气体进行有选择性的测定，这样既可以对气体进行识别又可以提高检测灵敏度。第22页/共75页8.1.6 气体传感器的应用1.可燃性气体泄露报警器 为防止常用气体燃料如煤气（H2、CO等），天然气（CH4等）、液化石油气（C3H8、C4H10等）及CO等气体泄漏引起中毒、燃烧或爆炸，可以应用可燃性气体传感器配上适当电路制成报警器。第23页/共75页2.在汽车中应用的气体传感器 控制燃空比，需用氧传感器；控制污染，检测排放气体，需用CO、NOx、HCl、O2等传感器；内部空调，需用CO、烟、湿度等传感器。第24页/共75页3.在工业中应用的气体传感器 在Fe和Cu等矿物冶炼过程中常使用氧传感器。在半导体工业中需用多种气体传感器。在食品工业中也常用氧传感器。第25页/共75页4.检测大气污染方面用的气体传感器 对于污染环境需要检测的气体有SO2、H2S、NOX、CO、CO2等，因为需要定量测量，宜选用电化学气体传感器。第26页/共75页5.在家电方面用的气体传感器 在家电中除用于可燃气泄漏报警及换气扇、抽油烟机的自动控制外，也用于微波炉和燃气炉等家用电器中，以实现烹调的自动控制。第27页/共75页6.在其他方面的应用 除上述以外，气体传感器还被广泛用于医疗诊断，矿井安全等场合，目前各类传感器已有实用商品。第28页/共75页8.1.7 烟雾传感器 烟雾是比气体分子大得多的微粒悬浮在气体中形成的，必须利用微粒的特点检测。1.散射式 在发光管和光敏元件之间设置遮光屏，无烟雾时光敏元件接收不到光信号，有烟雾时借助微粒的散射光使光敏元件发出电信号，如图8-2所示。这种传感器的灵敏度与烟雾种类无关。第29页/共75页图8-2 散射式烟雾传感器 第30页/共75页2.离子式 如图8-3所示，用放射性同位素镅Am241放射出微量的射线，使附近空气电离。当平行平板电极间有直流电压时，产生离子电流IK。有烟雾时，微粒将离子吸附，而且离子本身也吸收射线，其结果是离子电流IK减小。第31页/共75页 A+Am图8-3 离子式烟雾传感器 第32页/共75页8.2 湿度传感器第33页/共75页8.2.1 概述 湿度是指物质中所含水蒸气的量，目前的湿度传感器多数是测量气氛中的水蒸气含量。通常用绝对湿度、相对湿度和露点（或露点温度）来表示。1.绝对湿度 绝对湿度是指单位体积的气氛中含水蒸气的质量，其表达式为 第34页/共75页2.相对湿度（RH）相对湿度为待测气氛中水汽分压与相同温度下水的饱和水汽压的比值的百分数。第35页/共75页3.露点 在一定大气压下，将含水蒸气的空气冷却，当降到某温度时，空气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态变成液态而凝结成露珠，这种现象称为结露。此时的温度称为露点或露点温度。如果这一特定温度低于0C，水汽将凝结成霜。第36页/共75页 湿度传感器是由湿敏元件及转换电路组成的，具有把环境湿度转变为电信号的能力。其主要特性有以下几点：(1)感湿特性 感湿特性为湿度传感器特征量（如：电阻值、电容值、频率值等）随湿度变化的关系。常用感湿特征量和相对湿度的关系曲线来表示，如图8-4所示。第37页/共75页 图8-4 湿度传感器的感湿特性 第38页/共75页(2)湿度量程 湿度量程为湿度传感器技术规范规定的感湿范围（RH值，相对湿度）。全量程为（0 100%）。(3)灵敏度 灵敏度为湿度传感器的感湿特征量（如：电阻、电容值等）随环境湿度变化的程度，也是该传感器感湿特性曲线的斜率。第39页/共75页(4)湿滞特性 湿度传感器在吸湿过程和脱湿过程中吸湿与脱湿曲线不重合，而是一个环形回线，这一特性就是湿滞特性，如图8-5所示。(5)响应时间 响应时间为在一定环境温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的感湿特征量达到稳定变化量的90%所需的时间。第40页/共75页 图8-5 湿度传感器的湿滞特性 第41页/共75页(6)感湿温度系数 当环境湿度恒定时，温度每变化1C，引起湿度传感器感湿特征量的变化量。(7)老化特性 湿度传感器在一定温度、湿度气氛下存放一定时间后，其感湿特性将发生变化的特性。第42页/共75页8.2.2 陶瓷型湿度传感器 陶瓷表面多孔性吸湿后，导电阻值将发生改变。陶瓷湿敏元件随外界湿度变化而使电阻值变化的特性便是用来制造湿度传感器的依据。第43页/共75页1.MgCr2O4-TiO2系湿度传感器 是一种典型的多孔陶瓷湿度测量器件。具有灵敏度高、响应特性好、测湿范围宽和高温清洗后性能稳定等优点，目前已商品化。结构如图8-6所示。第44页/共75页图8-6 MgCr2O4TiO2湿度传感器结构示意图 第45页/共75页2.ZrO2系厚膜型湿度传感器 ZrO2系厚膜型湿度传感器的感湿层是用一种多孔ZrO2系厚膜材料制成的，它可用碱金属调节阻值的大小并提高其长期稳定性。其结构如图8-7所示。第46页/共75页 图8-7 ZrO2湿度传感器的结构图1-电极引线；2-印制的ZrO2感湿层（厚为几十微米）；3-瓷衬底；4-由多孔高分子膜制成的防尘过滤膜；5-用丝网印刷法印制的Au梳状电极 第47页/共75页8.2.3 有机高分子湿度传感器1.高分子电阻式湿度传感器 水吸附在有极性基的高分子膜上，在低湿下，因吸附量少，不能产生荷电离子，所以电阻值较高。相对湿度增加时，吸附量也增加，集团化的吸附水就成为导电通道，正负离子对起到载流子作用，电阻值下降。称为电阻式高分子湿度传感器。第48页/共75页2.高分子电容式湿度传感器 高分子材料吸水后，介电常数变化，引起电容的变化。当含水量以水分子形式被吸附在高分子介质膜中时，由于高分子介质的介电常数（36）远远小于水的介电常数（81），所以介质中水的成分对总介电常数的影响比较大。使元件对湿度有较好的敏感性能。高分子电容式湿度传感器如图8-8所示。第49页/共75页 5 3 4 1 2 4 3 2 5 图8-8 高分子电容式湿度传感器的结构1-微晶玻璃衬底；2-下电极；3-敏感膜；4-多孔浮置电极；5-引线 第50页/共75页3.结露传感器 利用了掺入碳粉的有机高分子材料吸湿后的膨润现象。在高湿下，高分子材料的膨胀引起其中所含碳粉间距变化而产生电阻突变。利用这种现象可制成具有开关特性的湿度传感器。其特性如图8-9所示。第51页/共75页 0 20 40 60 80 100 100 101 102 103 104 电阻值K相对灵敏度%RH图8-9 结露传感器的特性曲线 第52页/共75页8.2.4 半导体型湿度传感器 硅MOS 型Al23湿度传感器是在Si单晶上制成MOS晶体管。其栅极是用热氧化法生长厚度为80nm的Si2膜，在此Si2膜上用蒸发及阳极化方法制得多孔Al23膜，然后再蒸镀上多孔金（Au）膜而制成。响应速度快、化学稳定性好、耐高低温冲击。其结构如图8-10所示。第53页/共75页SiO2 AlAl Al2O3 AuSi图8-10 MOS型Al2O3湿度传感器的结构 第54页/共75页8.2.5 含水量检测 通常将空气或其它气体中的水分含量称为“湿度”，将固体物质中的水分含量称为“含水量”。1.称重法 将被测物质烘干前后的重量GH和GD测出，含水量的百分数便是：第55页/共75页2.电导法 固体物质吸收水分后电阻变小，用测定电阻率或电导率的方法便可判断含水量。3.电容法 水的介电常数远大于一般干燥固体物质，因此用电容法测物质的介电常数从而测含水量相当灵敏，造纸厂的纸张含水量便可用电容法测量。第56页/共75页4.红外吸收法 水分对波长为1.94m的红外射线吸收较强，并且可用几乎不被水分吸收的1.81m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。第57页/共75页5.微波吸收法 水分对波长为1.36cm附近的微波有显著吸收现象，而植物纤维对此波段的吸收要比水小几十倍。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。第58页/共75页8.3 气敏、湿敏传感器的应用第59页/共75页8.3.1 煤气浓度检测电路 M008是可以检测多种可燃、有毒气体的气敏传感器。图8-11所示为用M008设计的气体浓度检测电路。12V电源由H、H1端输入，给M008加热，A、B间的电阻值随气体浓度的增大而减小，电位器RP2活动臂的电压则随气体浓度的增大而增大。气体浓度越高，RP2活动臂电压越高，点亮发光二极管越多。第60页/共75页图8-11 气体浓度检测电路第61页/共75页8.3.2 自动空气净化换气扇 如图8-12所示。当室内空气污浊，烟雾或其它污染气体使SnO2气敏器件阻值下降，晶体管2SC711导通，继电器动作接通风扇电源，排放污浊气体，换进新鲜空气。当室内污浊气体浓度下降到希望的数值时，气敏器件阻值上升，2SC711截止，继电器断开，风扇电源切断，风扇停止工作。第62页/共75页图8-12 自动换气扇电路图 第63页/共75页8.3.3 自动去湿装置 如图8-13所示。H为湿敏传感器，Rs为加热电阻丝。在常温常湿情况下调好各电阻值，使V1导通，V2截止。第64页/共75页图8-13 自动去湿装置 第65页/共75页 当阴雨等天气使室内环境湿度增大而导致H的阻值下降到某值时，RF与R2并联之阻值小到不足以维持VT1导通。由于VT1截止而使VT2导通，其负载继电器K通电，常开触点闭合，加热电阻丝RS通电加热，驱散湿气。当湿度减小到一定程度时，电路又翻转到初始状态，VT1导通，VT2截止，常开触点断开，RS断电停止加热。第66页/共75页8.3.4 空气湿度检测电路 如图8-14所示。808H5V5为湿度传感器集成电路，内部包括湿度传感器和信号放大电路，工作电源电压为5V，可检测湿度范围为0100，相应输出电压为0.83.9V。输出信号电压用引线引出，可直接驱动电压表指针指示，也可以经ICL7106显示驱动集成电路AD转换后，驱动液晶显示器显示。第67页/共75页图8-14 空气湿度检测电路第68页/共75页8.4 实训第69页/共75页8.4.1 结露报警电路装配与调试 如图8-15所示。HOS103为结露传感器。低湿时，结露传感器的电阻值为2k左右，VT1基极电压低于0.6V而截止，VT2基极电压为5V，发射结无偏置电压而截止，结露指示LED不亮。在结露时，结露传感器的电阻值大于50k，VT1基极电压高于0.6V而导通，VT2基极电压降低，使发射结为正偏置且饱和导通，结露指示LED点亮。第70页/共75页图8-15 结露报警输出电路第71页/共75页8.4.2 酒精测试仪电路装配与调试 如图8-16所示。（1）装配该酒精测试仪。IC可选用NSC公司的LM3914系列LED点线显示驱动集成电路。第72页/共75页图8-16 酒精测试仪电路第73页/共75页（2）改变电阻RP的阻值，以调整灵敏度。（3）将该酒精测试仪用于其它气体的检测。（4）将IC集成电路的第14脚信号引出，经放大后接蜂鸣器。当酒精的含量超过0.05%时，蜂鸣器便发出警报。第74页/共75页谢谢您的观看！第75页/共75页
