《传感器与检测技术 教学课件 ppt 作者 朱自勤 主编 第5章完 环境量检测传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器与检测技术 教学课件 ppt 作者 朱自勤 主编 第5章完 环境量检测传感器（73页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、传感器与检测技术,主编 朱自勤,第5章 环境量检测传感器,5.1 温度传感器 5.1.1 热电偶 5.1.2 热电阻 5.1.3 热敏电阻 5.2 气敏传感器 5.3 湿敏传感器 5.3.1 氯化铝湿敏电阻 5.3.2 半导体陶瓷湿敏电阻 5.3.3 湿敏传感器应用举例自动去湿器 5.4 离子敏传感器,5.1.1 热电偶,1.热电偶测温原理 2.热电偶基本定律 3.热电偶的类型 4.热电偶的结构形式 5.热电偶的补偿导线及冷端温度的补偿方法 6.热电偶测温线路,5.1 温度传感器,1.热电偶测温原理 两种不同材料的导体(或半导体)组成一个闭合回路，如图5-1所示。,图5-1 热电偶回路,2.热
2、电偶基本定律,(1)中间导体定律：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电动势呢？中间导体定律说明，在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电动势没有影响。 (2)中间温度定律：如图5-3所示，在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，热电偶A和B在接点温度为t和t0时的热电动势eAB(t,t0)等于热电偶A和B在接点温度为t和tC时的热电动势eAB(t,tc)和接点温度为tC和t0时的热电势eAB(tc,t0)的代数和，即,2.热电偶基本定律,2.热电偶基本定律,图5-2 热电偶测温系统简图 1
3、热电偶 2连接导线 3显示仪表,2.热电偶基本定律,图5-3 中间温度定律,3.热电偶的类型,表5-1 标准化热电偶的主要性能和特点,3.热电偶的类型,表5-1 标准化热电偶的主要性能和特点, 此栏中t为被测温度()，在同一栏给出的两种允差值中，取绝对值较大者。,3.热电偶的类型,表5-2 S型(铂-铂)热电偶分度表,3.热电偶的类型,表5-3 B型(铂铂)热电偶分度表,3.热电偶的类型,表5-4 K型(镍铬-镍硅)热电偶分度表,3.热电偶的类型,表5-5 E型(镍铬-铜镍)热电偶分度表,4.热电偶的结构形式 为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶按结构形式可分为普通型、铠装型和薄膜等。
4、,图5-4 普通型热电偶结构 1接线盒 2保护管 3绝缘套管 4热端 5热电极,4.热电偶的结构形式,(1)普通型热电偶：普通型热电偶工业上使用最多其结构如图5-4所示，由热电极5、绝缘套管3、保护管2和接线盒1组成。 (2)铠装型热电偶：铠装型热电偶又称套管热电偶其结构如图5-5所示，由热电偶丝3、7绝缘基板2和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体。 (3)薄膜热电偶：薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料用真空蒸镀、化学涂层等办法蒸镀到绝缘基板上而制成的一种特殊热电偶，如图5-6所示。,5.热电偶的补偿导线及冷端温度的补偿方法 当热电偶材料选定以后，热电动势只与热端和冷端温度有关。,图5-6
5、薄膜热电偶,5.热电偶的补偿导线及冷端温度的补偿方法,图5-6 薄膜热电偶 1接线盒 2.连接器 3热电极 4绝缘材料 5保护套管,5.热电偶的补偿导线及冷端温度的补偿方法,(1)热电偶的补偿导线：在实际测温时，需要将热电偶输出的电动势信号传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表，这样，冷端温度t0比较稳定。,表5-6 常用热电偶的补偿导线,(2)冷端温度修正法：冷端温度t00，需要对热电偶回路的测量电动势值eAB(t,t0)加以修正。 解：查镍铬-镍硅热电偶分度表得eAB(30，0)=1.203mV,由式(5-2)可得,5.热电偶的补偿导线及冷端温度的补偿方法,(3)冷端0恒温法
6、：在实验室及精密测量中，通常把热电偶的冷端放入0恒温器或装满冰水混合物的容器中，以使冷端温度保持0，这种方法又称冰浴法。 (4)冷端温度自动补偿法(补偿电桥法)：补偿电桥法是利用不平衡 电桥产生的不平衡电压Uab作为补偿信号，来自动补偿热电偶测量过程中因冷端温度不为0或变化而引起热电动势的变化。,5.热电偶的补偿导线及冷端温度的补偿方法,图5-7 补偿电桥 eAB热电势 RS电源内阻,6.热电偶测温线路 用热电偶测温时，可以直接与显示仪表(如电子电位差计和数字表等)配套使用，也可与温度变送器配套，转换成标准电流信号，图5-8为热电偶典型测温线路。,图5-8 热电偶典型测温线路 a)普通测温线路
7、 b)带有补偿器的测温线路 c)具有温度变送器的测温线路；d)具有一体化温度变送器的测温线路,6.热电偶测温线路,图5-9 多点测温线路 1恒温箱 2辅助热电偶 3主热电偶动 4补偿导线 5接线端子排 6、9铜导线 7切换开头 8显示仪表,6.热电偶测温线路,图5-10 热电阻传感器,5.1.2 热电阻,1.常用热电阻 2.热电阻的测量电路与应用举例,1.常用热电阻 用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率、R-t关系最好为线性、物理化学性能稳定和复现性好等。,图5-11 工业用铂热电阻体结构 1铆钉 2铂丝 3骨架 4银导线,(1)铂热电阻：铂热电阻的特点是精度高、稳定
8、性好、性能可靠，故具在温度传感器中得到了广泛应用。,1.常用热电阻,表5-7 铂电阻分度表,(2)铜热电阻：由于铂是贵重金属，因此，在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测温，它的测量范围为-50150。,1.常用热电阻,表5-8 铜电阻(分度号为Cu50)分度表,表5-9 铜电阻(分度号为Cu100)分度表,图5-12 铜热电阻体结构 1引出线 2补偿线阻 3铜热电阻丝 4引出线,2.热电阻的测量电路与应用举例,(1)测量电路：在实际的温度测量中，常用电桥作热电阻的测量电路。,图5-13 测量电路 a)三线式电桥连接测量电路 b)四线电阻测量电路 电压表两端等效电阻 通过
9、电压表电流 通过恒流源电流,(2)应用举例：用热电阻测量真空度。,5.1.3 热敏电阻,1.测温原理及特性 2.热敏电阻的应用,1.测温原理及特性 NTC热敏电阻研制得较早，也较成熟。,图5-14 铂电阻测温电路,2.热敏电阻的应用 热敏电阻具有尺寸小、响应速度快、阻值大和灵敏度高等优点，因此在许多领域得到广泛应用。,图5-15 热敏电阻的特性曲线 1突变型NTC 2负指数型NTC 3线性型PTC 4突变型PTC,2.热敏电阻的应用,图5-16 热敏电阻的结构外形与符号 a)圆片形 b)柱形 c)珠形 d)热敏电阻符号 1热敏电阻 2玻璃外壳 3引出线,2.热敏电阻的应用,图5-17 热敏电阻
10、温度计的原理图,(1)热敏电阻测温:热敏电阻温度计的原理如图5-17所示。 (2)热敏电阻用于温度补偿 : 热敏电阻可在一定的温度范围内对某些元件进行温度补偿。,2.热敏电阻的应用,图5-18 温度补偿电路,(3)热敏电阻用于温度控制:热敏电阻用途十分广泛，,2.热敏电阻的应用,如空调、干燥器、热水取暖器和电烘箱箱体温度检测等都用到热敏电阻。 1)继电保护。,5-19 线性补偿电路 串联补偿电路 (b) 并联补偿电路 ( c) 串联补偿电路 电阻的特性曲线 (d) 并联补偿电路电阻的特性曲线,2.热敏电阻的应用,5-20 热继电器原理图,5.2 气敏传感器,气敏传感器是用来测量气体的类别、浓度
11、和成分的传感器。SnO2（氧化锡）敏感材料是目前应用最多的一种气敏材料，它已被广泛地应用于工矿企业、民用住宅和宾馆饭店等对可燃和有害气体的检测。因此，本节将以较多的篇幅介绍SnO2气 敏材料的气敏传感器。,5.2 气敏传感器,1电阻型半导体气敏传感器的结构,(1)气敏元器件按照制造工艺分类：可分为烧结型、薄膜型和厚膜型三类，典型结构如图5-22所示。,5-22 半导体传感器的器件结构 烧结型气敏元器件 (b) 薄膜型气敏元器件 ( c) 厚膜型器件(d) 厚膜型器件结构 1、5、13加热器 2、7、9、11电极 3烧结体温度 4玻璃 6、10半导体 8、12绝缘基片,1）烧结型气敏器件。,如图
12、5-22a所示，这类器件以SnO2半导体材料为基体，将铂电极和加热丝埋入SnO2材料中，用加热、加压和温度为700900C的制陶工艺烧结成形，因此被称为半导体导瓷，简称半导瓷。,(1)气敏元器件按照制造工艺分类,2）薄膜型气敏元器件,如图5-22b所示，这类器件采用蒸发或溅射工艺，在石英基片上形成氧化物半导体薄膜，制作方法简单。实验证明，SnO2导体薄膜的气敏特性最好，但这种半导体薄膜为物理性附着，器件间性能差异较大。,(1)气敏元器件按照制造工艺分类,3）厚膜型气敏器件,这种工艺制成的元件离散度小、机械强度高，适合大批量生产，是一种很有前途的器件。,(1)气敏元器件按照制造工艺分类,（2）气
13、敏器件按照加热方式分类,加热方式一般有直热式和旁热式两种，因而形成了直热式和旁热式气敏元器件。 ,直热式是将加热丝直接埋入SnO2和ZnO粉末中烧结而成，因此，直热式常用于烧结型 气敏结构。,1） 直热式,a)直热式结构b)直热式符号c)旁热式结构d) 旁热式符号 14、7、9、1316电极 5、12、17加热丝 6、8引线 10SnO2烧结体 11绝缘瓷管,2） 旁热式,旁热式是将加热丝和敏感元件同置于一个陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外再涂上SnO2等材料，其结构如图5-23c、d所示。,2气敏元器件的基本特性,(1)SnO2系：在气敏材料SnO2中添加铂（Pt）或钯（Pd）
14、等作为催化剂，可以提高其灵敏度和对气体的选择性。 (2)ZnO系：ZnO（氧化锌）系气敏元器件对还原性气体有较高的灵敏度。,图5-24 添加ThO2的SnO2 气敏元器件在不同体积分数的CO 气体中的灵敏度及振荡特性,图5-25 添加ThO2的SnO2气敏元器件在不同体积分数的CO气体中的幅频特性 注：工作温度为200C，添加1%（质量分数）的ThO2。,2气敏元器件的基本特性,图5-26 SnO2 气敏电阻温湿特性,图5-27 ZnO系气敏元器件的灵敏度特性,3非电阻型气敏器件,非电阻型气敏元器件也是半导体气敏传感器之一。它是利用MOS二极管的电容电压特性的变化以及MOS场效应晶体（MOSF
15、ET）的阈值电压的变化等物理特性而制成的气敏元器件。由于这类器件的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳定，且价格便宜。利用特定材料还可以使器件对某些气体物质特别敏感。,(1)MOS二极管气敏元器件,MOS二极管气敏元器件是在P型半导体硅片上，利用热氧化工艺生成一层厚度为50100nm的二氧化硅（SiO2）层，然后在其上面蒸发一层钯（Pd）的金属薄膜，作为栅电极，如图5-28a所示。由于SiO2层电容Ca固定不变，而Si和SiO2界面电容Cs是外加电压的函数，其等效电路如图5-28b所示。,图5-28 MOS二极管结构和等效电路 a)结构 b)等效电路 c) C-V特性曲线,(2)钯-MO
16、S场效应晶体管气敏元器件,钯-MOS场效应晶体管（Pd-MOSFET）与普通MOSFET的结构如图5-29所示。从图可知，它们的主要区别在于栅极G。Pd-MOSFET的栅电极材料是钯（Pd），而普通MOSFET为铝（Al）。,图5-29 Pd-MOSFET和普通MOSFET的结构 a)PdMOSFET结构 b) 普通MOSFET结构 S源极 G栅极 D漏极,4气敏传感器的应用,半导体气敏传感器由于具有灵敏度高、响应时间短、恢复时间快、使用寿命长以及成本低等优点而得到了广泛的应用。按其用途可分为以下几种类型；气体泄露报警、自动控制和自动测试等。,(1)自动排风扇控制器,当厨房由于油烟污染或由于液化石油气泄漏（或其他燃气）达到一定浓度时，自动排风扇控制器能自动开启排风扇，净化空气，防止事故。,图5-30 自动排风扇控制器电路,(2)简易酒精测试器,简易酒精测试电路如图5-31
