《传感器技术及实训 教学课件 ppt 作者 陈东群 第6章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器技术及实训 教学课件 ppt 作者 陈东群 第6章（48页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2019/5/25,1,第6章 气、湿敏传感器,学习要点 掌握气敏传感器的主要特性、基本工作原理。 了解气敏传感器的组成、特性参数，理解它们 的测量、应用电路。 掌握湿敏传感器的主要特性、基本工作原理。 了解湿敏传感器的组成，理解它们的测量、应 用电路,2019/5/25,2,6.1气敏传感器,6.1.1半导体气敏传感器 利用待测气体与半导体(主要是金属氧化物)表面接触时，产生的电导率等物性变化来检测气体 。 半导体气敏元件有N型和P型之分。N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小；P型阻值随气体浓度的增大而增大。 目前国产的气敏元件有2种。一种是直热式，加热丝和测量电极一同烧结在金属氧化物半导
2、体管芯内；另一种旁热式，旁热式气敏元件以陶瓷管为基底，管内穿加热丝，管外侧有两个测量极，测量极之间为金属氧化物气敏材料，经高温烧结而成。,2019/5/25,3,1. 电阻型气敏器件 按其结构，可分为烧结型，薄膜型和厚膜型三种 （1）烧结型 有直热式和旁热式两种结构,图6-1 直热式气敏器件,2019/5/25,4,图6-2 旁热式气敏器件 a)结构 b)符号,2019/5/25,5,（2）薄膜型 薄膜型气敏器件的制作首先须处理基片(玻璃石英式陶瓷)；焊接电极，之后采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,图6-3 薄膜型器件结构图,2019/5/25,6,（3）厚膜型,图6-
3、4 厚膜型器件的结构,2019/5/25,7,以上三种气敏器件都附有加热器。在实际应用时，加热器能使附着在控测部分上的油雾，尘埃等烧掉，同时加速气体的吸附，从而提高了器件的灵敏度和响应速度，一般加热到200400，具体温度视所掺杂质不同而异。 这种气敏器件的优点是：工艺简单，价格便宜，使用方便；对气体浓度变化时的响应快；即使在低浓度(3000mg/kg)下，灵敏度也很高。其缺点在于：稳定性差，老化较快，气体识别能力不强，各器件之间的特性差异大等。,2019/5/25,8,2. 非电阻型气敏器件,（1）二极管气敏传感器 这种传感器可用来检测氢气 （2）MOS二极管气敏器件 金属-氧化物-半导体(
4、MOS)二极管的结构和等效电路如图所示,2019/5/25,9,图2-24 MQN型气敏电阻结构及测量电路,2019/5/25,10,a）气敏烧结体 b）气敏电阻外形 c）基本测量转换电路 1引脚 2塑料底座 3烧结体 4不锈钢网罩 5加热电极 6工作电极 7加热回路电源 8测量回路电源,MQN型气敏半导体器件是由塑料底座、电极引线、不锈钢网罩、气敏烧结体以及包裹在烧结体中的两组铂丝组成。一组铂丝为工作电极，另一组（下图中的左边铂丝）为加热电极兼工作电极。 气敏电阻工作时必须加热到200300，其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁作用）。,气敏电阻外形,酒
5、精传感器,其他可燃性气体传感器,2019/5/25,12,酒精传感器的选择性,2019/5/25,13,3. 半导体气敏元件的特性参数,（1）气敏元件的电阻值 电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值 （2）气敏元件的灵敏度 1)电阻比灵敏度 2)气体分离度 3)输出电压比灵敏度,2019/5/25,14,（3）气敏元件的分辨率 表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制能力 （4）气敏元件的响应时间 表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度 （5）气敏元件的恢复时间 表示在工作温度下，被测气体由该元件上解吸的速度，一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时，直到其阻值恢复到在洁
6、净空气中阻值的63%时所需时间。 （6）初期稳定时间 （7）气敏元件的加热电阻和加热功率,2019/5/25,15,气敏半导体的灵敏度特性曲线,观察右图这些曲线，有何特点？可以得出哪些启示？请说明非线性特性对浓度超限报警是否有利，为什么？,2019/5/25,16,6.1.2 红外吸收式气敏传感器,1. 测量原理 光是由一系列单色光组成，红外光即是由一系列处于红外频率的单色光组成。大部分非对称双原子和多原子分子气体（如CH4，H20，NH3，C0，C2H2，SO2，NO和NO2等）在红外区都有自己特征频率的吸收频率。每种气体都有吸收自己对应频率红外光能量的性质，气体吸收红外光最强的频率就称作该
7、气体的特征吸收频率。 光线能量减弱的程度与气体浓度和光线在气体中经过的路程成比例，而这个关系服从朗伯一比尔定律。,2019/5/25,17,式中 一一气体吸收系数； 一一待测气体浓度； 一一光程长度。 光强在气体介质中随浓度及厚度按指数规律衰减。吸收系数取决于气体特性，各种气体的吸收系数互不相同。对同一气体，吸收系数则随入射波长而变。若吸收介质中含 种吸收气体，则式(6-5)应改为,光强在气体介质中随浓度,及厚度,2019/5/25,18,2.优点分析,（1)选择性好 （2)不易受有害气体的影响而中毒、老化 （3)响应速度快、稳定性好 （4)防爆性好 （5)信噪比高，使用寿命长、测量精度高 （
8、6)应用范围广,2019/5/25,19,6.1.3 气敏传感器的应用举例 家庭用煤气报警器,2019/5/25,20,家庭用液化气报警器,2019/5/25,21,一氧化碳传感器,2019/5/25,22,其他气体传感器,NH3传感器,甲烷传感器,2019/5/25,23,1）家用煤气、液化石油气泄漏报警器,2019/5/25,24,2）酒精检测报警器,2019/5/25,25,酒精测试仪,呼气管,2019/5/25,26,3）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
9、格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。,图2-26是用于汽车或燃烧炉排放气体中的氧浓度传感器结构图及测量转换电路。二氧化钛气敏电阻与补偿热敏电阻同处于陶瓷绝缘体的末端。当氧气含量减小时，RTiO2的阻值减小，Uo增大。 在图b中，与TiO2气敏电阻串联的热敏电阻Rt 起温度补偿作用。当环境温度升高时，TiO2气敏电阻的阻值会逐渐减小，只要Rt也以同样的比例减小，根据分压比定律，Uo不受温度影响，减小了测量误差。,2019/5/25,27,图2-26 TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路,a）结构 b）测量转换电路,1外壳（接地）2安装螺栓 3搭铁线 4保护管 5补偿电阻 6陶瓷片 7Ti
10、O2氧敏电阻 8进气口 9引脚,2019/5/25,28,氧浓度传感器外形,可用于汽车尾气测量,2019/5/25,29,汽车尾气分析,2019/5/25,30,有毒气体传感器的使用,2019/5/25,31,第四节 湿敏电阻传感器,绝对湿度：是指大气中水汽的密度，即每一立方米大气中所含水汽的质量(克数)。 相对湿度：是大气中实有水汽压与当时温度下饱和水汽压的百分比，是日常生活中常用来表示湿度大小的方法。当相对湿度达100%时，称饱和状态。,湿敏电阻的原理：水是一种强极性的电解质。水分子极易吸附于固体表面并渗透到固体内部，引起半导体的电阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二铝等吸湿材料制作湿
11、敏电阻。,2019/5/25,32,水蒸气的凝结将给仪器设备带来各种危害,2019/5/25,33,湿度对电子元件的影响,当环境的相对湿度增大时，物体表面就会附着一层水膜，并渗入材料内部。这不仅降低了绝缘强度，还会造成漏电、击穿和短路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引起有机材料的霉烂。,2019/5/25,34,露点,降低温度会产生结露现象。露点与农作物的生长有很大关系，结露也严重影响电子仪器的正常工作，必须予以注意。,测量露点的仪器,2019/5/25,35,湿度传感器的分类,2019/5/25,36,（1）电解质湿敏元件 利用潮解性盐类受潮后电阻发生变化制成的湿敏元件 （2）半导体陶瓷湿
12、敏传感器 许多金属氧化物如氧化铝、四氧化三铁、钽氧化物等都有较强的吸脱水性能，将它们制成烧结薄膜或涂布薄膜可制作多种湿敏元件 （3）高分子材料湿敏元件 利用有机高分子材料的吸湿性能与膨润性能制成的湿敏元件 （4）热敏电阻式湿度传感器 利用热敏电阻作湿敏元件 （5）红外线吸收式湿度传感器 利用水蒸气能吸收某波段的红外线制成的湿度传感器 （6）微波式湿度传感器 （7）超声波式湿度传感器,2019/5/25,37,6.2.1氯化锂湿敏传感器,氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。 典型的氯化锂湿度传感器有登莫(Dunmore)式和浸渍式两种。 登莫式传感器是在聚苯乙
13、烯圆管上做出两条相互平行的钯引线做电极，在该聚苯乙烯管上涂覆一层经过碱化处理的聚乙烯醋酸盐和氯化锂水溶液的混合液，以形成均匀薄膜。,2019/5/25,38,氯化锂湿敏电阻结构 它是在聚碳酸酯基片上制成一对梳状金电极，然后浸涂溶于聚乙烯醇的氯化锂胶状溶液，其表面再涂上一层多孔性保护膜而成。,2019/5/25,39,6.2.2半导体陶瓷湿敏传感器,1. 半导瓷湿敏材料的导电机理 2. 典型半导瓷湿敏电阻 (1) 烧结型湿敏电阻 (2) 涂覆膜型Fe3O4湿敏器件,2019/5/25,40,6.2.3 湿敏传感器的应用举例 露点传感器外形,2019/5/25,41,电子湿度计模块,封装后的外形,
14、2019/5/25,42,电子式温湿度计,2019/5/25,43,机械式、电子式温湿度计对比,2019/5/25,44,直读式湿度计电路,2019/5/25,45,陶瓷湿度传感器特性曲线,在右图所示的陶瓷湿度传感器特性曲线中，纵坐标的标度有何特点？ 其电阻率变化约有多少个数量级？,2019/5/25,46,电子相对湿度仪表的标定仪器,干湿球湿度计外形及原理,干球,湿球,用干湿球湿度计测量相对湿度的原理,上页中，左边的玻璃温度计（湿球）用湿棉球包裹，并浸没在水槽里。湿棉球由于水份蒸发，所以其温度低于室温，致使湿球的示值低于干球。查对应的湿度表就可知道空气的相对湿度。虽然干湿球湿度计的历史悠久，但现在还经常用它作为电子相对湿度仪表的标定仪器。,风,水槽,棉球,玻璃酒精温度计,2019/5/25,48,第六章 作业,P127，1、2、3、4、5,
