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1、第8章 气体和湿度传感器,8.1 气体传感器8.2 湿度传感器 8.3 气体和湿度传感器的应用8.4 实训,8.1 气体传感器,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。,表8-1 气敏传感器主要检测对象及其应用场所,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。,8.1.1 半导体气体传感器利用半导体气敏元件同气体接
2、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。,表8-2 半导体气体传感器的分类,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。,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。,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
3、。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。,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。,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。,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
4、性质变化而制成。,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。,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。,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。,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
5、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。,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。,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。,3. 定位电解法气体传感器 由工作电
6、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,图8-1 定位电解法一氧化碳气体浓度测试电路,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,参比电极（R）表面同样发生氧化反应，产
7、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。,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。,8.1.6 气体传感器的应用 1. 可燃性气体泄露
8、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。,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。,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。,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
9、需要定量测量，宜选用电化学气体传感器。,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。,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。,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。,图8-2 散射式烟雾传感器,
10、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。,图8-3 离子式烟雾传感器,8.2 湿度传感器,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,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。,3.露点在一定大气压下，将含水蒸
11、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。,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。,图8-4 湿度传感器的感湿特性,(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
12、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。,(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。,图8-5 湿度传感器的湿滞特性,(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。,8.2.2 陶瓷型湿度传感器陶瓷表面多孔性吸湿后，导
13、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。,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。,图8-6 MgCr2O4TiO2湿度传感器结构示意图,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。,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
14、-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,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。,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
15、较好的敏感性能。高分子电容式湿度传感器如图8-8所示。,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,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。,图8-9 结露传感器的特性曲线,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
16、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。,图8-10 MOS型Al2O3湿度传感器的结构,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：,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。,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。,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。,
