《傳感器技術(shù)及應(yīng)用》 項目四 氣體成分及濕度的測量

.,項目四氣體成分及濕度的測量,.,任務(wù)一使用氣敏傳感器檢測氣體,任務(wù)導(dǎo)入,用數(shù)字萬用表檢測氣敏傳感器QM-3,采用如圖所示簡單電路就可以了解氣敏傳感器的特性，電路使用QM-3型氣敏傳感器，用數(shù)字萬用表顯示測量數(shù)據(jù)，可以檢查器件的好壞。當(dāng)電源開關(guān)S斷開時，傳感器沒有驅(qū)動電流（加熱電流），A、B之間電阻大于20M。當(dāng)接通開關(guān)S時，器件內(nèi)的微加熱絲f-f得電發(fā)熱。此時若將內(nèi)盛酒精的小瓶瓶口靠近傳感器，可以看到電阻顯示值立即由20M以上降到0.51M。移開小瓶等待2040s之后，A、B間電阻又恢復(fù)至大于20M的狀態(tài)。以上反應(yīng)可以重復(fù)實驗，但需注意要使空氣恢復(fù)到潔凈狀態(tài)。,.,任務(wù)一使用氣敏傳感器檢測氣體,一、了解氣敏傳感器,氣敏傳感器是一種能將氣體中的特定成分（濃度）檢測出來，并將其轉(zhuǎn)換成電信號的器件。氣敏傳感器一般用于環(huán)境監(jiān)測和工業(yè)過程檢測，前者包括有毒有害氣體檢測、容器管道檢測等；后者包括鍋爐及汽車的燃料燃燒監(jiān)控、化工等自動控制檢測。氣敏傳感器主要有半導(dǎo)體式和接觸燃燒式兩種。半導(dǎo)體式氣敏傳感器多由金屬氧化物半導(dǎo)體材料制成，如SnO2系列、ZnO系列等。傳感器制作時添加物不同，能檢測的氣體也不同。半導(dǎo)體式氣敏傳感器適用于檢測低濃度的可燃和有毒氣體，如CO、H2S、CH4、C4H10等。接觸燃燒式氣敏傳感器主要用于可燃?xì)怏w的檢測。,.,任務(wù)一使用氣敏傳感器檢測氣體,一、了解氣敏傳感器,（1）半導(dǎo)體氣敏傳感器,半導(dǎo)體氣敏傳感器如圖所示，是利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)變化，來檢測氣體的成分或濃度的氣體傳感器。半導(dǎo)體氣敏傳感器大體可分為電阻式和非電阻式兩大類。,.,任務(wù)一使用氣敏傳感器檢測氣體,一、了解氣敏傳感器,半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類及特性,（1）半導(dǎo)體氣敏傳感器,.,任務(wù)一使用氣敏傳感器檢測氣體,一、了解氣敏傳感器,（2）接觸燃燒式氣敏傳感器,接觸燃燒式氣敏傳感器如圖所示，是將鉑等金屬線圈埋設(shè)在氧化催化劑中構(gòu)成，使用時對金屬線圈通以電流，使之保持在300600的高溫狀態(tài)，同時將元件接入電橋電路中的一個橋臂，調(diào)節(jié)橋路使其平衡。一旦有可燃性氣體與傳感器表面接觸，燃燒熱量進(jìn)一步使金屬絲升溫，造成器件阻值增大，從而破壞了電橋的平衡。其輸出的不平衡電流或電壓與可燃性氣體濃度成比例，檢測出這種電流和電壓即可測得可燃?xì)怏w的濃度。,.,任務(wù)一使用氣敏傳感器檢測氣體,一、了解氣敏傳感器,可燃?xì)怏w的基本特性,.,任務(wù)一使用氣敏傳感器檢測氣體,二、常用電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器結(jié)構(gòu),電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器可分為表面電阻型和體電阻型兩大系列，它有三種結(jié)構(gòu)類型：燒結(jié)型、薄膜型及厚膜型。燒結(jié)型傳感器分為內(nèi)熱式和旁熱式兩種，如圖所示。它一般用于還原性氣體、可燃性氣體和液化氣體的檢測。,.,任務(wù)一使用氣敏傳感器檢測氣體,二、常用電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器結(jié)構(gòu),薄膜型氣敏傳感器是在絕緣襯底（如石英晶片）上，蒸發(fā)或濺射上一塊氧化物半導(dǎo)體薄膜（厚度為數(shù)微米），其結(jié)構(gòu)如圖所示。該結(jié)構(gòu)的氣敏傳感器特點是：機械強度高、成本低，但是器件的性能與工藝和薄膜的物理化學(xué)狀態(tài)有關(guān)，器件之間的一致性差。,.,任務(wù)一使用氣敏傳感器檢測氣體,二、常用電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器結(jié)構(gòu),厚膜型氣敏傳感器是將半導(dǎo)體氧化粉末、添加劑、粘合劑和載體混合，配成漿料，然后用絲網(wǎng)印刷的方法將漿料印到基片上，形成厚度為數(shù)微米到數(shù)十微米的厚膜，經(jīng)400800溫度燒結(jié)一小時而成，如圖所示。,.,任務(wù)一使用氣敏傳感器檢測氣體,三、氣敏傳感器的應(yīng)用,1.礦井瓦斯超限報警器,當(dāng)無瓦斯或瓦斯?jié)舛群艿蜁r，QM-N5的A、B極間電阻很大，電位器RP的滑動觸點電壓小于0.7V，VTH不被觸發(fā)，警笛聲電路無電源，不發(fā)聲；當(dāng)瓦斯氣體超過安全標(biāo)準(zhǔn)時，A、B極間電阻迅速減小，當(dāng)RP的滑動觸點電壓大于0.7V時，VTH被觸發(fā)導(dǎo)通，警笛聲電路得電，發(fā)出報警聲,.,任務(wù)一使用氣敏傳感器檢測氣體,三、氣敏傳感器的應(yīng)用,2.有害氣體報警電路,在傳感器接觸到有害可燃?xì)怏w后，A、B極間電阻變小，B點電位升高并向電容C2充電，當(dāng)充電電位達(dá)到U850的導(dǎo)通電位（約1.4V）時，VT導(dǎo)通，驅(qū)動報警器KD9561報警。一旦有害氣體濃度降低，使B電位低于1.4V，VT截止，報警解除。,.,任務(wù)一使用氣敏傳感器檢測氣體,三、氣敏傳感器的應(yīng)用,3.防止酒后開車控制器,若司機沒喝酒，在駕駛室內(nèi)合上開關(guān)S，此時氣敏器件的阻值很高，Ua為高電平，U1為低電平，U3為高電平，繼電器K2線圈失電，其常閉觸點K2-2閉合，發(fā)光二極管VD1導(dǎo)通，發(fā)綠光，能點火啟動發(fā)動機。,.,任務(wù)一使用氣敏傳感器檢測氣體,實踐操作,簡易酒精測試器的制作,當(dāng)無酒精蒸氣時，氣敏電阻的阻值很大，負(fù)載獲得的電壓很低，即對外輸出電壓很低，LED不點亮；當(dāng)有酒精蒸氣時，隨著酒精蒸氣濃度的增加，氣敏電阻值減小，其輸出電壓上升，則LM3914的LED（共10個）點亮數(shù)目也隨著增加。測試時，人只要向傳感器呼一口氣，根據(jù)LED點亮的情況與數(shù)目可知是否喝酒，并可大致了解飲酒多少，確定被試者是否適宜駕駛車輛。,.,任務(wù)一使用氣敏傳感器檢測氣體,實踐操作,簡易酒精測試器的制作,LM3914基本電路如圖所示，5腳為LM3914集成電路的信號輸入端，1、1018腳為驅(qū)動輸出端，接10只LED。當(dāng)5腳輸入一個01.2V的電壓時，通過比較器即可點亮010只發(fā)光二極管。,.,任務(wù)一使用氣敏傳感器檢測氣體,實踐操作,簡易酒精測試器的制作,主要實驗器材,.,任務(wù)一使用氣敏傳感器檢測氣體,實踐操作,簡易酒精測試器的制作,1）在萬能電路板上安裝、焊接LM3914集成電路插座，將外圍電阻元件與LED連接并焊接。2）安裝、焊接7805集成穩(wěn)壓電路及濾波電容。3）按照本項目任務(wù)一中的電阻測試法將MQ-3氣敏傳感器的4只信號輸出腳短接成兩個腳，按圖連接在集成穩(wěn)壓電路與LM3914驅(qū)動電路之間。4）在穩(wěn)壓電路的輸入端加上67V的直流電壓，用萬用表電壓檔測試LM3914集成電路插座的5腳電壓，將裝有酒精的小瓶瓶口靠近傳感器，觀察此電壓的變化。5）斷開電源，插上LM3914集成電路，再將酒精瓶口靠近傳感器，觀察LED點亮的情況。反復(fù)將酒精瓶口靠近、遠(yuǎn)離傳感器，觀察LED的變化。6）調(diào)試儀器，讓24小時內(nèi)沒有飲酒的人呼氣，使得僅1支LED發(fā)光，然后微調(diào)電阻R2，使之不發(fā)光即可。,制作步驟,.,任務(wù)二使用濕敏傳感器檢測濕度,任務(wù)導(dǎo)入,用萬用表檢測濕敏電阻傳感器,濕敏電阻是在絕緣基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜并引出兩根電極制成的，其特點是當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，濕敏電阻的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，即隨著濕度的上升電阻減小，利用這一特性可進(jìn)行濕敏元件的檢測和濕度測量。用萬用表的電阻檔測試濕敏電阻的阻值，觀察它在干燥處的電阻值，然后將其移至熱水杯的上方，觀察電阻值的變化，并記錄下現(xiàn)象。提示：隨著溫度的上升，電阻值逐漸減小，當(dāng)濕度達(dá)到一定程度并穩(wěn)定時（可用濕度儀監(jiān)視），濕敏電阻的阻值應(yīng)基本穩(wěn)定不變。,.,任務(wù)二使用濕敏傳感器檢測濕度,一、了解濕敏傳感器,濕度傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域及其應(yīng)用濕度范圍,.,任務(wù)二使用濕敏傳感器檢測濕度,一、了解濕敏傳感器,所謂濕敏傳感器，是指能夠檢測環(huán)境濕度變化并能將濕度變化信號轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。濕敏傳感器種類較多，主要有電阻式、電容式兩大類，分別由濕敏電阻和濕敏電容構(gòu)成。左圖所示為濕敏元件的外形和結(jié)構(gòu)示意圖。濕敏傳感器的特點是線性度及抗污染性差。在檢測環(huán)境濕度時，濕敏傳感器要長期暴露在待測環(huán)境中，很容易因被污染而影響其測量精度及長期穩(wěn)定性。,.,任務(wù)二使用濕敏傳感器檢測濕度,二、濕敏電阻的類型,濕敏電阻按照感濕層所用材料不同，又分為氯化鋰、金屬氧化物、硫酸鈣、碘化物等多種形式。目前應(yīng)用較多的是金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻，其中半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻按結(jié)構(gòu)可分為燒結(jié)型和涂覆膜型兩大類。,燒結(jié)型金屬氧化物半導(dǎo)體材料一般為多孔結(jié)構(gòu)的多晶體，其結(jié)構(gòu)不甚緊密，各晶粒之間帶有一定的空隙，呈多孔毛細(xì)管狀，因而水分可以通過陶瓷材料中的細(xì)孔，在各晶粒表面和晶粒間界面上吸附，且在晶粒間界面處凝聚。由于晶粒間界面處的接觸電阻是陶瓷整體電阻的主要部分，使材料的電阻率下降。因此，利用這一特性就可以實現(xiàn)濕度檢測。,1.燒結(jié)型濕敏電阻,.,任務(wù)二使用濕敏傳感器檢測濕度,二、濕敏電阻的類型,鉻酸鎂二氧化鈦陶瓷濕敏傳感器隨著濕度的增加，電阻值急劇下降，基本上按負(fù)指數(shù)規(guī)律變化，其電阻濕度特性，如圖所示。,.,任務(wù)二使用濕敏傳感器檢測濕度,二、濕敏電阻的類型,2.涂覆膜型濕敏電阻,涂覆膜型濕敏電阻，是由金屬氧化物粉末或某些金屬氧化物燒結(jié)體研磨成的粉末，通過一定方式調(diào)和，然后噴灑或涂覆在具有電極的陶瓷基片上制成的。由于粉粒之間結(jié)構(gòu)松散，相互之間具有極大的接觸電阻，在總體電阻中起主導(dǎo)作用。這種松散的結(jié)構(gòu)使其粉末具有很大的準(zhǔn)自由表面，這些表面非常有利于水分子附著，特別是粉粒與粉粒之間不太緊密的接觸處更有利于水分子附著。當(dāng)水分子在粉粒接觸處附著后使其接觸程度強化，其接觸電阻顯著降低。因此，環(huán)境濕度越高，水分子附著越多，元件的電阻就越低。從而將濕度變化信號轉(zhuǎn)換成電阻變化信號。,.,任務(wù)二使用濕敏傳感器檢測濕度,二、濕敏電阻的類型,3.結(jié)露傳感器,當(dāng)需檢測空氣中的水蒸氣是否將要結(jié)露時，可使用結(jié)露傳感器。結(jié)露傳感器實際上是一個開關(guān)型的濕敏傳感器，它對低濕不敏感，僅對高濕敏感。它是利用摻入碳粉的有機高分子材料吸濕后膨脹現(xiàn)象進(jìn)行工作的，即在高濕下，高分子材料的膨脹將引起其中所含碳粉間距離變化而產(chǎn)生電阻突變，利用這種現(xiàn)象就可制成具有開關(guān)特性的結(jié)露傳感器。結(jié)露傳感器一般不用于測濕，而是作為提供開關(guān)信號的結(jié)露信號器，用于自動控制或報警。,.,任務(wù)二使用濕敏傳感器檢測濕度,三、濕敏電阻的應(yīng)用,1.直讀式濕度計,直讀式濕度計電路原理圖如圖所示，圖中RH為氯化鋰濕敏傳感器。由VT1、VT2、T1等組成測濕電橋的電源，其振蕩頻率為2501000Hz。電橋的輸出經(jīng)變壓器T2、C3耦合到VT3，經(jīng)VT3放大后的信號，經(jīng)VD1VD4橋式整流后，輸入給微安表，指示出由于相對濕度的變化而引起電流的改變，經(jīng)標(biāo)定并把濕度刻劃在微安表盤上，就成為一個簡單而實用的直讀式濕度計了。,.,任務(wù)二使用濕敏傳感器檢測濕度,三、濕敏電阻的應(yīng)用,2.汽車后窗玻璃自動除濕電路,在常溫常濕條件下，由于RH的阻值較大，VT1導(dǎo)通而VT2截止，繼電器K不吸合，加熱電阻無電流通過。當(dāng)車內(nèi)濕度較大時，濕度傳感器RH的阻值減小，使VT1截止，VT2翻轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)，繼電器K工作，其動合觸點K1閉合，發(fā)光二極管LED點亮，加熱電阻開始加熱。當(dāng)后窗玻璃杯加熱到一定程度，潮氣被驅(qū)散，濕度減小，RH阻值降低，施密特觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)到初始狀態(tài)。發(fā)光二極管LED熄滅，電阻絲停止加熱，從而實現(xiàn)了自動除濕控制。,.,任務(wù)二使用濕敏傳感器檢測濕度,實踐操作,簡易嬰兒尿濕報警器的制作,VT1相當(dāng)于一個受濕度控制的電子開關(guān)，平時濕敏傳感器處于開路狀態(tài)，VT1（PNP型晶體管）集電極無電壓輸出，當(dāng)嬰兒尿布尿濕后，濕敏傳感器被尿液短路，VT1導(dǎo)通，VT1的集電極電位升高，延時電路便開始工作計時，約10