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1、传感器及应用 第7章,要点： 1.气体传感器的类型，烧结型气体传感器的特性，一氧化碳检测报警器电路组成 2.氧气传感器的原理 3.湿度的概念和检测方法，湿度传感器的类型及特性 4.湿度传感器传感器的应用注意事项、阻容值的测量方法、加热去污和基本应用电路。,第7章 气体与湿度传感器及应用,气体传感器可以识别气体的种类，测定气体的含量，广泛应用于一些生产过程和安全防范技术中。湿度检测对科研、工农业生产和节人们的生活环境都有着重要得意仪。,主要内容, 7.1 气体传感器及应用 7.2 湿度传感器及应用,气体检测的内容主要包括对可燃气体和有害气体的监测与报警，以防火灾、爆炸等事故发生；对混合气体中氧含
2、量的检测与分析，以提高塑料大棚作物的产量，提高锅炉和汽车发动机汽缸的燃烧效率，减少环境污染等等。,7.1.1 可检测气体的种类与性质 1.可检测气体的种类 目前已开发的气体传感器能够检测气体的种类和主要检测场所见表7-1。,7.1 气体传感器及其应用,2.可燃性气体的爆炸极限及允许浓度 见表7-2。,7.1.2 气体传感器 气体传感器是将气体中所含某种特定气体的成分或含量转换成相应的电信号的器件或装置。气体传感器的种类有：利用物理现象的气体传感器有热传导式、热敏电阻式、红外吸收光谱式；利用材料对气体的吸附反应的半导体类；利用化学效应的电化学类，如恒电位电解式、氧浓差电池（固体电解质型）等。在各
3、类气体传感器中，半导体传感器除了对气体选择性稍差外，几乎集中了其他各类的全部优点：灵敏度高、体积小、价格便宜、使用维修方便、应用面广，是气体传感器发展的主要方向。 半导体气敏传感器的类型可分电阻型和非电阻型两大类。电阻型有表面电阻型如氧化锡（SnO2）、氧化锌（ZnO）等和体电阻型（Fe2O3）系列；非电阻型有MOS场效应管型、二极管型（表面电流型-氢敏传感器）。,（1）表面控制型气体传感器的结构 类型：烧结型、薄膜型及厚膜型三种。 结构：烧结型SnO2气体传感器的结构与符号如图7-1所示。按加热方式分为直热式和间热式两种。,图7-1 烧结型气体传感器直热式的结构与符号 a）结构 b）符号 1
4、、2，3、4直热式热子兼电极 2、5间热式热子 1、3，4、6间热式电极 7SnO2烧结体 8绝缘瓷管,1.表面电阻控制型气体传感器,图7-1 烧结型气体传感器间热式的结构与符号 a）结构 b）符号 1、2，3、4直热式热子兼电极 2、5间热式热子 1、3，4、6间热式电极 7SnO2烧结体 8绝缘瓷管,国产直热式气敏传感器有QN型和MQ型，其外形如图7-2所示。 国产QM-N5等为间热式结构。,图7-2 部分国产半导体气敏元件的外形图 a)HQ系列 b)QN系列 c)MQ系列,（2）烧结型气体传感器工作特性 气敏特性：遇H2、CO、碳氢化合物等(还原性即可燃性)气体，材料表面层电阻率减小；遇
5、O2等氧化性气体时，材料表面层电阻率增大。在检测前，材料表面已经吸着氧，所以对可燃性气体更敏感。最佳工作温度一般多在200500范围内。,温湿度特性：SnO2传感器的阻值随温度、湿度上升而有规律地减小。因此除尽量保持恒温、恒湿外，其有效措施是选用温湿度特性好的气敏元件及在电路中进行温湿度补偿。,初期恢复特性及初期稳定特性：经短期存放再通电时，传感器电阻值有短暂的急剧变化（减小），这一特性称为初期恢复特性，它与元件种类、存放时间及存放环境有关。存放时间愈长，初期恢复时间亦愈长，存放7天到15天后的初期恢复时间一般约在25min之内。 当长期存放后再通电时，在一段时间内传感器阻值一般高出正常值20
6、左右，而以后慢慢恢复至正常稳定值，这一特性亦称作初期稳定特性。初期稳定时间与传感器种类及工作温度有关，直热式较长，傍热式较短。 为缩短初期恢复时间和初期稳定时间，在开始使用时，要进行一段时间的高温处理，同时在构成控制电路时应加延时电路。,（3）主要检测对象 烧结型气体传感器主要检测甲烷、丙烷、一氧化碳、氢气、酒精、硫化氢等。,2.表面电流变化型气敏传感器 表面电流变化型气敏传感器有Pd-TiO2氢敏二极管和MOS场效应氢敏传感器。MOS场效应氢敏传感器即Pd-MOSFET的伏安特性如图7-3所示。 3DOH是一种新型氢敏传感器集成电路，如图7-4所示。,图7-3 Pd-MOSFET 的ID-U
7、DS曲线,图7-4 3DOH氢敏传感器 a）外部管脚排列 b）内部结构示意图,3.固体电解质气敏传感器 具有离子导电性而无电子导电性的固体材料称为固体电解质。用适当的固体电解质作隔膜，Pt多孔薄膜作电极，制成电化学电池，即构成对气体有选择性的气敏传感器。,图7-5 汽车用氧浓淡电池结构 1、3Pt电极 2固体电解质,如图7-5所示为用于测量汽车引擎空燃比的ZrO-Y2O3氧浓淡电池结构。氧浓度高的一侧电位为正，氧浓度低的一侧电位为负。,7.2.1 湿度的概念和检测方法 1.气体的湿度 气体的湿度是指大气中水蒸气的含量。,7.2 湿度传感器及其应用,2.固体的湿度 固体的湿度是物质中所含水分的百
8、分数。物质中所含水分的质量与干物质质量之比，称为含水量。物质中所含水分的质量与其总质量之比，称为湿度。 3.湿度检测方法分类 湿度检测的方法可分为四类：毛发湿度计法，干湿球湿度计法，露点计法，阻容式湿度计法。其中干湿球湿度计与露点计的时效小，可用于高精度测量，但体积大，响应速度低，无电信号，不能用于遥测及湿度自动控制。阻容式湿度传感器体积小、响应速度快，便于把湿度转换为电信号，但稳定性差，不耐SO2的腐蚀。,7.2.2 湿度传感器 1.湿度传感器的特性参数和符号 （1）湿度传感器的特性参数 湿度传感器的特性参数主要有：湿度量程、灵敏度、温度系数、响应时间、湿滞回差、感湿特征量-相对湿度特性曲线
9、等。 湿度量程：各种湿度传感器并不都能适用于0100RH的整个相对湿度范围。因此，湿度量程是湿度传感器的重要参数。 感湿特征量-相对湿度特性曲线：即输出-输入特性曲线。湿度传感器的输入为环境相对湿度，输出变量称为其感湿特征量，如电阻、电容、击穿电压、沟道电阻等。 灵敏度：较普遍采用的方法是用器件在不同环境湿度下的感湿特征量之比来表示。例如，日本生产的MgCr204-TiO2湿度传感器的灵敏度是用一组器件电阻比表示的：R1%/R20%、R1%/R40%、R1%/R60%、R1%/R80%及R1%/R100%。角标表示该阻值所对应的相对湿度。如R1%表示相对湿度在1时器件的电阻值。 响应时间：响应
10、时间是表示传感器完成吸湿或脱湿以及动态平衡过程所需时间的特性参数。 电压与频率特性：湿度传感器加热清洗的激励电压不能用直流，必须用交流。加热使温度升高，因此电压不能过高。传感器的感湿特征值与交流电压频率有关，因此电压的频率应有上限和下限。,（2）湿度传感器的分类 湿度传感器的种类很多，据不完全统计，湿度传感器系列、类型见表7-8。,（3）湿度传感器的图形符号 湿敏传感器的图形符号如图7-12所示。,图7-12 图形符号,图形符号代表电阻Rp和电容Cp的并联。图中，A-A端为测量电极，B-B端为加热清洗电极。加热清洗电极通电后，内部电加热丝产生热量可排除传感器感湿层中的水分子。,2.电解质湿度传
11、感器 电解质湿敏元件分为无机电解质和高分子电解质湿敏元件两大类。 3.半导体陶瓷湿度传感器 这是湿度传感器中最大的一类，品种繁多。按其制作工艺可分为：涂覆膜型、烧结体型、厚膜型、薄膜型及MOS型等。金属氧化物半导体陶瓷为多孔结构材料，吸附水蒸气能力强且灵敏度高；物理化学性能稳定；响应速度快；可加热清洗，有利于在恶劣环境下工作；工作范围宽且兼有热敏和气敏特性，可制成多功能敏感元件；生产工艺简单，成本低，是制作湿度传感器的理想材料。主要缺点是：材料固有电阻大，高温性能不够稳定，难以集成化等。一般金属半导体氧化物陶瓷具有感湿负特性，湿度增大，电阻减小。,（1）MgCr2O4-TiO2陶瓷湿敏传感器（
12、MCT型）传感器的结构如图7-13a所示。每次使用前，给线圈通电加热清洗，将湿敏陶瓷片加热至350400，保持1060s，即可清除污染；停数分钟，元件电阻恢复原值后方能测湿。传感器具有感湿特性，其曲线如图7-13b所示。,图7-13 MgCr2O4-TiO2湿敏传感器结构与湿度特性 a)结构 b)特性 1康塔尔加热丝 2底座 3杜美丝引线 4引线环电极 5湿敏陶瓷 6RuO2电极,（2）ZnO-ZnCr2O4陶瓷湿度传感器 MgCr2O4陶瓷湿度传感器虽有抗污力强、寿命长等优点，但因阻值过高，难以实现高精度检测。ZnO-ZnCr2O湿度传感器的阻值远小于MgCr2O4传感器。 ZnO-ZnCr
13、2O4陶瓷湿度传感器的构造如图7-14所示。在片状多孔陶瓷的两表面烧结多孔金属电极模，焊接铂铑引线，封装于带筛网孔的方形塑料外壳内。这种传感器不需用加热器，只需0.5mW的微小功率即可使用。,图7-14 ZnO-ZnCr2O4 陶瓷湿度传感器结构 1网眼过滤器 2塑料外壳 3陶瓷元件 4多孔电极 5元件支架 6端子,（3）Mn3O4-TiO2半导体陶瓷温湿敏传感器 在氧化铝管上涂敷添加有热固性合成树脂有机溶剂的（Mn3O4）0.7（TiO2）0.3，经高温烧结，即形成具有温湿敏的坚固电阻膜，其阻值较前几种烧结型陶瓷传感器都小（Rmax106）。元件具有感湿、感温负特性，感温一般不高于400。
14、4.有机物及高分子聚合物结露传感器 该元件在94RH以上高湿时呈现开关式阻值变化特性。该元件的特点有：灰尘和其他气体产生的表面污染对元件的湿度特性影响很小；能够检测并区别结露、水分等高湿状态；由于具有急剧的开关特性，尽管滞后等因素会引起特性变化，但其工作点变动较小；因为是导电无极化现象，因此能使用直流电压设计电路。这种元件大量用于检测磁带机、照像机结露及小汽车玻璃窗除露等。其特性见表7-13。,表7-13 结露敏感元件主要技术特性,7.2.3 湿度传感器的应用技术 1.湿度传感器应用注意事项 电源选择：湿敏电阻必须工作于交流回路中。若用直流供电，会引起多孔陶瓷表面结构改变，湿敏特性变劣。采用交
15、流电源频率过高，将由于元件的附加容抗而影响测湿灵敏度和准确性，因此应以不产生正、负离子积聚为原则，使电源频率尽可能低。对离子导电型湿敏元件，电源频率应大于50Hz，一般以1000Hz为宜。对电子导电型，电源频率应低于50Hz。 线性化：一般湿敏元件的特性均为非线性，为便于测量，应将其线性化。 温度补偿：通常氧化物半导体陶瓷湿敏电阻湿度温度系数为0.10.3，故在测湿精度要求高的情况下必须进行温度补偿。,测湿范围：电阻式湿敏元件在温度超过95RH时，湿敏膜因湿润溶解，厚度会发生变化，若反复结露与潮解，特性变坏而不能复原。电容式传感器在8ORH以上高湿及100RH以上结露或潮解状态下，也难以检测。
16、另外，切勿将湿敏电容直接浸入水中或长期用于结露状态，也不要用手摸或嘴吹其表面。,2.阻容值的测量 测量湿度传感器阻值Rp和容值Cp的三种电路如图7-15所示。图a为低频交流供电，其中R0选值远大于Rp,限制电流为微安级且恒定，输出电压与Rp成正比。为了提高灵敏度而又限制温升，可采用图b所示的低频脉冲供电，电路中采用温度常数与Rp温度系数相等的热敏电阻Rt作采样电阻，以实现温度补偿。图c为电容值测量电路，当电源信号频率很高时，Rp的影响可忽略，CpCFU0Ui。,图7-15 Rp、Cp的三种测量电路 a)低频交流电源测RP b)低频脉冲电源测RP c)高频电源测CP,小结： 1.气体检测的内容和类型。 2.气体传感器的种类和特性。 3.湿度的定义和测量方法。 4.湿度传感器种类和特性。 5.湿度传感器的应用。 作业： 7-1、7-7、7-8、7-9。,
