第8章气体和湿度传感器ppt课件.pptx

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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-酒精测试仪装调,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, 以便提供有关待测气体的存在及浓度大小的信息。 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 半导体型气体传感器 利用半导体气敏元件同气体接触

2、，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 半导体器件表面原来吸附的气体与半导体材料之间会有电子施受发生。 以N型半导体器件为例，通常器件置于空气中，吸附了空气中的氧这样的电子复合量大的气体以后，半导体表面会失去电子，被吸附的氧所俘获，为负电荷吸附。 其结果表现为N型半导体器件表面电子数减少，器件处于高电阻状态。,一旦器件与被测气体接触，被测气体会与吸附的氧起反应，被氧俘获的电子释放出来，器

3、件表面电子数增加，器件电阻减小。 这类传感器多数是以可燃性气体为检测对象，但如果吸附能力强，即使是非可燃性气体也能作为检测对象。 其具有检测灵敏度高，响应速度快，实用价值大等优点。目前常用的半导体材料为氧化锡、氧化锌等较难还原的氧化物，掺有少量贵金属（如Pt等）作为激活剂。,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。,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

4、特性发生变化而制成。,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，同时将器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

5、使金属丝升温，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溶于电解液。 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

6、气体传感器 又称控制电位电解法气体传感器。 由工作电极（也称敏感电极）、辅助电极、参比电极以及用聚四氟乙烯材料制成的透气隔离膜组成。 工作电极与辅助电极、参比电极间充以电解液，被测气体通过透气隔离膜扩散到电解液中。 定位电解法气体传感器一氧化碳气体浓度测试电路如图8-1所示。,图8-1 定位电解法一氧化碳气体浓度测试电路,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，工作电极表面发生电化学反应（氧化反应）： COH2OCO22H2e 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

7、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， 作用是给工作电极提供固定电压。 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IC1放大，测量输出V0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

8、.6 气体传感器的应用1. 可燃性气体泄露报警器 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

9、要检测的气体有SO2、H2S、NOX、CO、CO2等， 因为需要定量测量，宜选用电化学气体传感器。,5. 在家电方面用的气体传感器 在家电中用于可燃气泄漏报警及换气扇、抽油烟机的自动控制， 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。 目前各类气体传感器已有实用商品。 半导体类气体传感器广泛由于控制系统。 电化学式气体传感器广泛由于环境监测设备。,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

10、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,2. 离子式 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，而且微粒本身也吸收射线，其结果是离子电流IK减小。 工作原理如图8-3所示。,图8-3 离子式烟雾传感器,8.2 湿度传感器,8.2.1 湿度传感器特性 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

11、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

12、，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

13、，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

14、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-印制的ZrO2感湿层（厚为几十微米）；2-由多孔高分子膜制成的防尘过滤膜；3-用丝网印刷法印制的Au梳状电极; 4-瓷衬底；5-电极引线,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

15、 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

16、 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，

17、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。,8.3 柔性传感器 柔性传感器

18、是指采用柔性材料制成的传感器，具有良好的柔韧性、延展性，甚至可以自由弯曲、折叠。 柔性传感器结构如图8-11所示，由柔性基体、电极、薄膜敏感材料及信号引出导线组成。 柔性基体由柔性材料做成。,图8-11 柔性传感器结构a) 结构组成正视图 b) A-A剖面图,常见的柔性材料有聚乙烯醇（PVA）、聚酯（PET）、聚酰亚胺（PI）、聚萘二甲酯乙二醇酯（PEN）、纸片、纺织面料等。 常用的是聚酯、聚酰亚胺、聚萘二甲酯乙二醇酯三种。 柔性传感器的电极有金属电极、导电氧化物电极、纳米复合电极等类型，用化学电镀法、真空蒸镀法、磁控溅射法等固定在柔性基底上。 柔性传感器敏感材料通常以薄膜的形式覆盖在电极上。

19、,柔性气体传感器是在电极表面覆盖有对气体敏感性高、制作工艺简便的薄膜材料，能很好地满足特殊环境下气体传感器的便携带、易安置、低功耗的需求，可对HN3、NO2、乙醇气体等进行简单精确的检测。 其中柔性乙醇气体传感器以聚酰亚胺做柔性基体，真空电子蒸镀制作金属电极，以SnO2PDDAC（聚二甲基二烯丙基氯化铵）作为敏感材料。,柔性湿度传感器有电阻式和电容式两大类。 湿敏电阻器是在柔性基片和电极上覆盖一层用感湿材料制成的膜。当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，湿敏电阻器的电阻值发生变化。 湿敏电容器是在柔性基片和电极上覆盖用高分子薄膜制成的敏感膜，当空气中的水蒸气吸附在高分子薄膜上时，湿敏电容器的电容值

20、发生变化。,8.4 气体和湿度传感器的应用,8.4.1 简单家用气体报警器 如图8-12所示是一种最简单的家用气体报警器电路。 采用直热式气敏器件TGS109作气体传感器。 当室内可燃气体增加时，由于气敏器件接触到可燃气体而其阻值降低，使流经测试回路的电流增加，可直接驱动蜂鸣器报警。,图8-12 简易家用气体报警器电路图,设计报警器时，重要的是如何确定开始报警的气体浓度。 一般情况下，对于丙烷、丁烷、甲烷等气体，都选定在爆炸下限的十分之一。,8.4.2 煤气泄露报警器 由于气敏传感器的线性一般较差，检测数据不准，但用于开关工作状态比较好用。因而气体检测的目的也多用于报警与控制。 煤气泄露报警器

21、电路如图8-13所示。 MQK2为气敏传感器，当检测到烟雾或可燃气体时，其A极和B极之间电阻减小， 集成电路IC1的2脚电位下降。,图8-13 煤气泄露报警器电路,当烟雾或可燃气体浓度较大，该点电位下降到低于IC1的8脚所加工作电压的三分之一时，IC1的3脚输出高电平。 该高电平经稳压二极管VD1稳压为4.2V ，加到语音信号发生器IC2和经LED1、R2加到晶体管VT1，为IC2和VT1提供电源。 IC2得电工作后，输出语音报警信号，经VT1放大，由C4耦合送IC3功率放大，驱动BL扬声器发出报警声音，同时点亮发光二极管LED2 。,8.4.3 二氧化碳传感器 二氧化碳有半导体、热传导、电化

22、学和红外线等检测方式。 TGS4160二氧化碳传感器采用固态电化学型气体敏感元件，为FIGARO（费加罗）公司生产，具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好、耐高湿和低温等特点，广泛用于自动通风换气系统和二氧化碳气体长期检测等场合。 二氧化碳传感器如图8-14所示。,图8-14 二氧化碳传感器内部结构,1、6端接5V直流加热电压，2、5端热敏电阻接温度补偿，3、4端输出二氧化碳检测电压。 检测电压经运算放大器AD627A放大，输出为0几百毫伏，再由可编程低功耗运算放大器LTC271放大，输出送检测显示，或驱动自动通风换气系统。 热敏电阻Rt阻值用于调节LTC271放大量，进行温度补偿。,8.4.4

23、 气体浓度检测电路 图8-15所示为用M008设计的气体浓度检测电路。 +12V电源由H、H1端输入，给M008加热，A、B间的电阻值随气体浓度的增大而减小，电位器RP2活动臂的电压则随气体浓度的增大而增大。 A1A4构成4个电压比较器，其反相输入端连在一起，与RP2活动臂相连。,图8-15 气体浓度检测电路,12V电源经R1R5分压后，分别给A1A4的同相输入端输入0.86V、1.71V、2.57V、3.43V电压。 若RP2活动臂电压高于0.86V，A1输出低电平，发光二极管VL4点亮。 气体浓度越高，RP2活动臂电压越高，点亮发光二极管越多。 由点亮发光二极管的只数，可以判别气体浓度的4

24、个等级。,8.4.5 空气湿度检测电路 图8-16所示808H5V5为湿度传感器集成电路，内部包括湿度传感器和信号放大电路，工作电源电压为5V，可检测湿度范围为0100，相应输出电压为0.83.9V。 808H5V5可安放于需检测湿度的位置，输出信号电压用引线引出，可直接驱动电压表指针指示，也可以经ICL7106显示驱动集成电路AD转换后，驱动液晶显示器显示。,图8-16 空气湿度检测电路,单电源使用时，ICL7106的1脚接正电源，21脚接地，双电源使用时，ICL7106的1脚接正电源，21脚接负电源。,8.4.6 结露报警电路 结露报警电路如图8-17所示，图中HOS103为结露传感器。

25、在低湿时，结露传感器的电阻值为2k左右，VT1基极电压低于0.6V而截止，VT2基极电压为5V，发射结无偏置电压而截止，结露指示LED发光二极管不亮。,图8-17 结露报警输出电路,在结露时，结露传感器的电阻值大于50k，VT1基极电压高于0.6V而导通，VT2基极电压降低，使发射结为正偏置且饱和导通，结露指示LED发光二极管点亮。 输出电压UOUT可用于控制摄像机、数码相机等设备进入结露停机保护，也可以用于控制浴室镜面水气自动清除电路工作。,8.4 实训酒精测试仪装调,1. 酒精测试仪电路如图8-18所示。（1）装配该酒精测试仪。 IC可选用NSC公司的LM3914系列LED点线显示驱动集成

26、电路。,图8-18 酒精测试仪电路,（2）改变电阻RP的阻值，以调整灵敏度。（3）将该酒精测试仪用于其它气体的检测。（4）将IC集成电路的第14脚信号引出，经放大后接蜂鸣器。当酒精的含量超过0.05%时，蜂鸣器便发出警报。,2. LM3914是美国国家半导体公司（NSC）生产的LED点线条图驱动器。 采用DIP18（双列直插式）封装，电源电压范围为325V。 其内部电路组成如图8-19所示， 包括1.25V基准电压源E0，10个电压比较器，由10个1k电阻组成的分压器，以及缓冲放大器和模式选择放大器等电路。,图8-19 LM3914LED点线条图驱动器内部电路组成,1.25V的基准电压E0分压

27、为参考电压U1U10，电压值分别为0.125V、0.25V、1.25V，依次相差0.25V，加于电压比较器同相输入端作为比较电压。 输入电压UIN由缓冲放大器放大后加于电压比较器反相输入端，与参考电压比较， 高于参考电压时，电压比较器输出电压为低电平，外接的LED被点亮。,模式选择器用于选择显示模式， 9脚接电源电压U时为条图显示模式，电压比较器输出电压为低电平的一串LED被点亮； 9脚开路时为单点显示模式，仅最上面的一只LED被点亮。,通常4脚接地，6脚、7脚短接。 通过调7脚与8脚之间的电阻和8脚与地之间的电阻，可以调比较电压值，以适应检测电平的高低。 同类型号还有LM3915等。 3. 考虑将LM3914、 LM3915用于其他传感器电路作为输出显示。,