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1、02202 传感器与检测技术 自考 串讲 教案 广东工业大学 机电工程学院 肖体兵 47 第七章第七章 气敏 湿度 水份传感器气敏 湿度 水份传感器 7 1 气敏传感器气敏传感器 气敏传感器气敏传感器是一种将检测到的气体成份气体成份和浓度浓度转换为电信号的传感器 7 1 1 气敏元件的工作机理气敏元件的工作机理 1 工作原理工作原理 1 敏感元件敏感元件 气敏半导瓷 材料为氧化锡SnO2 N型半导体 对大多数可燃性气体有较 高的灵敏度 用作烟雾报警器 2 工作机理工作机理 吸附效应吸附效应 半导瓷气敏电阻的阻值将随吸附气体的数量和种类而改变 1 器件在加热到稳定状态的情况下 当有气体吸附时 吸
2、附分子首先在 表面自由扩散 其间一部分分子蒸发 一部分分子固定在吸附处 2 如果材料的功函数小于吸附分子的电子亲和力 吸附分子将从材料夺 取电子 夺 取电子而变成负离子吸附负离子吸附 如果材料的功函数大于吸附分子的离解能 吸附分子将向材料释放电子释放电子而 成为正离子吸附正离子吸附 O2和氮氧化合物倾向于负离子吸附 称为氧化型气体氧化型气体 H2 CO碳氢化合物和酒类倾向于正离子吸附 称为还原型气体还原型气体 3 氧化型 还原型 气体吸附到N型半导体上 将使载流子减少 增多 从而使材料的电阻率增大 下降 电阻就会增大 减少 4 根据阻值变化的情况得知吸附气体的种类和浓度 2 半导瓷气敏元件的特
3、点半导瓷气敏元件的特点 与半导体单晶体相比 具有工艺简单 使用方便 价格便宜 对气体浓度变 化响应快 即使在低浓度下灵敏度也很高等优点 故可用于制作多种具有实用 价值的气敏元件 其缺点是稳定性差 老化较快 需进一步提高其气体识别的 能力及稳定性 7 1 2 常用气敏元件的种类常用气敏元件的种类 按其结构可分为 烧结型 薄膜型和厚膜型 1 烧结型气敏元件烧结型气敏元件 02202 传感器与检测技术 自考 串讲 教案 广东工业大学 机电工程学院 肖体兵 48 以半导瓷氧化锡SnO2为基体材料 添加不同杂质 采用传统制陶方法烧 结而成的 特点特点 器件的一致性较差 机械强度也不高 但它价格便宜 工作
4、寿命较 长 应用广泛 2 薄膜型气敏元件薄膜型气敏元件 1 利用蒸发或溅射方法在石英基片上形成一薄层氧化物半导体薄膜 2 SnO2 ZnO薄膜的气敏性最好 3 为物理性附着系统 器件之间的性能差异仍较大 3 厚膜气敏元件厚膜气敏元件 一致性较好 机械强度高 适于批量生产 是一种有前途的器件 4 加热器的作用加热器的作用 能使附着在探测部分的雾 尘埃等烧掉 同时加速气体的吸附 从而提高 器件的灵敏度和响应速度 一般加热到 o 200 400 C 具体温度视所掺杂质不同 而异 7 1 3 气敏元件的几种应用实例气敏元件的几种应用实例 广泛用于防灾报警 如制成液化石油气 天然气 城市煤气 煤矿瓦斯以
5、及 有毒气体等方面的报警器 以及大气污染的监测和医疗上用于对O2 CO等气 体的测量 生活中 空调机 烹调装置 酒精浓度探测等方面 1 气敏电阻检漏报警器 2 矿灯瓦斯报警器 3 一氧化碳报警器 4 煤气传感器 它可分为半导式和接触燃烧式 7 2 湿度传感器湿度传感器 湿敏元件湿敏元件是利用湿敏材料湿敏材料吸收空气中的水份水份而导致本身电阻值电阻值发生变化变化的原 理制成的 优点 优点 灵敏度高 体积小 寿命长 可以进行遥测和集中控制 湿敏元件湿敏元件有 氯化锂湿敏元件 半导体陶瓷湿敏元件 热敏电阻湿敏元件 高氯化锂湿敏元件 半导体陶瓷湿敏元件 热敏电阻湿敏元件 高 分子膜湿敏元件分子膜湿敏元
6、件等 7 2 1 相对湿度与绝对湿度相对湿度与绝对湿度 02202 传感器与检测技术 自考 串讲 教案 广东工业大学 机电工程学院 肖体兵 49 1 湿度湿度是指大气中所含的水蒸气量 2 最常用的两种表示方法两种表示方法是绝对湿度和相对湿度 1 绝对湿度 绝对湿度 是指一定大小空间中水蒸气的绝对含量 用 3 Kg m表示 也称水气浓度水气浓度或 水气密度 水气密度 也可用水的蒸气压水的蒸气压表示 设空气水气密度为 V V V p M RT V p 蒸汽压力 M 水气的摩尔质量 R 摩尔气体常数 T 热力学温度 2 相对湿度相对湿度 是指为某一被测蒸气压与相同温度下饱和蒸气压比值的百分数 常用
7、RH 表示 这是一个无量纲值 7 2 2 氯化锂湿敏元件氯化锂湿敏元件 氯化锂湿敏电阻 利用吸湿性盐类潮解潮解 离子导电率导电率发生变化而制成的测湿元 件 湿度升高时 元件吸收水分后导致导电离子浓度下降 电阻率上升 故其 阻值变大 故可以根据其阻值的变化来实现湿度的测量 7 2 3 半导体陶瓷湿敏元件半导体陶瓷湿敏元件 1 半导陶湿敏元件的材料和电阻湿度特性半导陶湿敏元件的材料和电阻湿度特性 1 材料主要是不同类型的金属氧化物金属氧化物 2 电阻湿度特性 负特性湿敏半导瓷 电阻率随湿度的增加而下降 种类较多 正特性湿敏半导瓷 电阻率随着湿度的增加而增大 如Fe3O4半导瓷 2 半导陶湿敏元件特
8、点半导陶湿敏元件特点 具有较好的热稳定性 较强的抗沾污能力 能在恶劣 易污染的环境中测得 准确的湿度数据 而且有响应快 使用温度范围宽 可在150 以下使用 可 加热清洗等优点 3 有烧结型和涂覆膜型两种 有烧结型和涂覆膜型两种 02202 传感器与检测技术 自考 串讲 教案 广东工业大学 机电工程学院 肖体兵 50 7 2 4 热敏电阻式湿敏元件热敏电阻式湿敏元件 1 结构结构 如图7 24所示 由焊点 珠形热敏电阻 直径0 5mm孔 空气入口 白 金丝 密封 焊接连接等组成 两个珠形热敏电阻 通电流加热至200度左右 一个封入干燥空气中 封 闭式 另一个作为湿敏元件 开启式 分别接入电桥的
9、R2和R1臂 如图7 23 2 工作原理 工作原理 1 先在干燥空气中调整电桥元件 使电桥输出为零 2 当暴露在湿空气中时 水蒸气使电阻R1发生变化 电桥失去平衡 3 电桥的输出电压为绝对湿度绝对湿度的函数 3 特点特点 1 灵敏度高且响应速度快 90 响应 12s 2 无滞后现象 3 不像干湿球温度计需要水和纱布及其它维修保养 4 可连续测量 不需要加热清洗 5 抗受风 油 尘埃能力强 4 应用应用 用作绝对湿度传感器绝对湿度传感器 使用这种绝对湿度传感器的湿度调节 可制造出精密的恒湿槽 7 2 5 高分子膜湿敏元件高分子膜湿敏元件 1 工作原理工作原理 利用高分子膜吸收或放出水份而引起电导
10、率或电容变化这一特性实现湿度 测量 如高分子膜电容式湿度传感器 可用于测量相对湿度相对湿度 S C d 随相对湿度的变化而变化 2 电子湿度计的构成电子湿度计的构成 由高分膜湿度传感器构成的电子湿度计主要由检测部分 有携带型 墙装 02202 传感器与检测技术 自考 串讲 教案 广东工业大学 机电工程学院 肖体兵 51 型和凸缘型三种传感器 数字显示器和变换器等构成 3 应用应用 它用于工业湿度计 用于测量相对湿度相对湿度 广泛用于湿度监视 记录和控制 尤其可用于普通湿度计难以测量的小于20 RH的湿度中 湿度计使用在超过90 RH的高湿度区域中会出现结露 结露时 湿度传 感器在沾湿间歇不能测
11、量 一旦沾湿现象消失 恢复原来特性 7 2 6 金属氧化物陶瓷湿敏元件金属氧化物陶瓷湿敏元件 1 特点和应用特点和应用 热稳定好 具有耐久性好 测量范围广 价廉 易变换电信号 可靠 等 特点 常用于空调机的湿度控制系统等 2 结构结构 如图7 32所示 由保护器 陶瓷灯丝 陶瓷湿度传感器 氧化钌电极 基 座 铝 灯丝引线等组成 3 Al2O3湿敏元件特点湿敏元件特点 可连续测量5 99 RH 不确定度在 2 0 RH 以内 反应迅速 工作温度在 10 100 之间 不影响环境气体的流速 滞后现象少 抗机械冲击强 加热清洗周期长 不易污垢 小型 传感器电阻比一般的低一个数量级 容易在电路上使用
12、环境适应性强 7 2 7 结露传感器结露传感器 1 工作原理工作原理 敏感元件由树脂和导电粒子组成的膜状结构的结露传感器 其原理是基于吸 收水分后 导电粒子的间隔扩大 电阻增大 并且其电路具有开关特性 2 优点优点 02202 传感器与检测技术 自考 串讲 教案 广东工业大学 机电工程学院 肖体兵 52 1 实际使用时 传感器特性并不因表面的垃圾和尘埃以及其它气体的污染而 受影响 2 可以用于高湿状态 3 具有快速开关特性 所以工作点变动小 4 工作电路可用直流电压 3 应用应用 水分会使得磁带速度不稳定 或者会发生磁带走不动 应用于磁带录像机 测出机器内部的结露情况 使机器停止运转 以保护机
13、器 7 3 水份传感器水份传感器 1 水份水份是存在于物质中水的数量 以百分比百分比表示 该项指标是掌握物质保存状 态和质量管理的指标 2 水份传感器 水份计 有直流电阻型 高频电阻型 电容率型 气体介质型 近红外型 中子型和核磁共振型 3 直流电阻型水份传感器的工作原理 利用了被测物质的电学性质 高分子物质的电阻R与其含水率M间有关 通过测定电阻值 就能测定水份含量 如图7 34所示 在区域 范围内 随水份的增加 电阻R呈对数减少 02202 传感器与检测技术 自考 串讲 教案 广东工业大学 机电工程学院 肖体兵 53 第八章第八章 传感检测系统的构成传感检测系统的构成 8 1 传感检测系统
14、的组成传感检测系统的组成 1 信号和信息信号和信息 检测是为了获取信息 信息以信号的形式表现出来 2 传感检测系统的组成及其各环节的功能传感检测系统的组成及其各环节的功能 通常是由传感器 中间转换电路 微机接口电路 分析处理及控制显示电路 等部分组成 分别完成信息的获取 转换 传输 分析处理 控制显示记录等 功能 1 传感器为系统提供必需的原始信号 2 中间转换电路是将传感器的输出信号转换成易于测量或处理的电压或电 流信号 其种类和结构由传感器的类型决定 3 控制是对执行机械的控制 4 显示与记录是为了了解掌握检测数值的大小或变化的过程 3 显示的分类显示的分类 常用的显示有模拟 数字 图像显
15、示 1 模拟式显示 是利用指针对标尺的相对位置标示被测量数值的大小 2 数字式显示 直接以十进制数字形式显示读数 利于消除读数误差 3 图像显示 将输出信号送至记录仪 从而描绘出被测量随时间变化的曲线 作为检测结果 供分析使用 常用的自动记录仪有笔式记录仪 光线示波器 磁带记录仪等 8 2 电桥电桥 1 电桥的用途和特点电桥的用途和特点 把电阻 电感和电容等元件参数转换成电压或电流的一种测量电路 简单 直接 而且精度和灵敏度都较高 在检测系统中应用较多 2 电桥的分类电桥的分类 按电源的不同电桥分为直流电桥和交流电桥 直流电桥 采用直流电源供电的电桥 交流电桥 采用交流电源供电的电桥 0220
16、2 传感器与检测技术 自考 串讲 教案 广东工业大学 机电工程学院 肖体兵 54 按电桥的工作方式可分为平衡电桥和不平衡电桥 电桥的平衡状态 电桥的输出为零 平衡电桥 不平衡电桥 按电桥被测电阻的接入方式可分单臂电桥和差动电桥 8 2 1 电桥工作原理电桥工作原理 1 直流电桥直流电桥 开路输出电压 1423 1234 os R RR R UU RRRR s U 直流电源的电压 直流电桥的平衡条件 1423 R RR R 2 交流电桥交流电桥 各桥臂的复阻抗分别为 1234 ZZZZ 111 222 333 444 ZZ ZZ ZZ ZZ 开路输出电压 1423 1234 os Z ZZ Z UU ZZZZ ii 交流电桥的平衡条件 1423 Z ZZ Z 1423 1423 ZZZZ 3 电桥的桥臂元件电桥的桥臂元件 电阻式应变片 或热敏电阻式测量变换元件 4 电桥的测量方法电桥的测量方法 主要有零测法和偏差测量法 1 零测法 读数时电桥处于平衡状态 有一个桥臂如R2为可调电阻 不工作零时 电桥处于平衡状态 当被 测量使桥臂的某一个电阻如R1发生变化时 电桥失去平衡 检流计指针发 0
