傳感器及應(yīng)用 第07章 氣體與濕度傳感器及應(yīng)用課件

1、 傳感器及應(yīng)用第7章要點：1.氣體傳感器的類型，燒結(jié)型氣體傳感器的特性，一氧化碳檢測報警器電路組成2.氧氣傳感器的原理3.濕度的概念和檢測方法，濕度傳感器的類型及特性4.濕度傳感器傳感器的應(yīng)用注意事項、阻容值的測量方法、加熱去污和基本應(yīng)用電路。第7章 氣體與濕度傳感器及應(yīng)用 氣體傳感器可以識別氣體的種類，測定氣體的含量，廣泛應(yīng)用于一些生產(chǎn)過程和安全防范技術(shù)中。濕度檢測對科研、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和節(jié)人們的生活環(huán)境都有著重要得意儀。 主要內(nèi)容 7.1 氣體傳感器及應(yīng)用 7.2 濕度傳感器及應(yīng)用 氣體檢測的內(nèi)容主要包括對可燃?xì)怏w和有害氣體的監(jiān)測與報警，以防火災(zāi)、爆炸等事故發(fā)生；對混合氣體中氧含量的檢測與分析

2、，以提高塑料大棚作物的產(chǎn)量，提高鍋爐和汽車發(fā)動機汽缸的燃燒效率，減少環(huán)境污染等等。7.1.1 可檢測氣體的種類與性質(zhì) 1.可檢測氣體的種類 目前已開發(fā)的氣體傳感器能夠檢測氣體的種類和主要檢測場所見表7-1。 7.1 氣體傳感器及其應(yīng)用2.可燃性氣體的爆炸極限及允許濃度見表7-2。（1）表面控制型氣體傳感器的結(jié)構(gòu) 類型：燒結(jié)型、薄膜型及厚膜型三種。結(jié)構(gòu)：燒結(jié)型SnO2氣體傳感器的結(jié)構(gòu)與符號如圖7-1所示。按加熱方式分為直熱式和間熱式兩種。圖7-1 燒結(jié)型氣體傳感器直熱式的結(jié)構(gòu)與符號a）結(jié)構(gòu) b）符號1、2，3、4直熱式熱子兼電極 2、5間熱式熱子 1、3，4、6間熱式電極 7SnO2燒結(jié)體 8絕

3、緣瓷管1.表面電阻控制型氣體傳感器圖7-1 燒結(jié)型氣體傳感器間熱式的結(jié)構(gòu)與符號a）結(jié)構(gòu) b）符號1、2，3、4直熱式熱子兼電極 2、5間熱式熱子 1、3，4、6間熱式電極 7SnO2燒結(jié)體 8絕緣瓷管國產(chǎn)直熱式氣敏傳感器有QN型和MQ型，其外形如圖7-2所示。國產(chǎn)QM-N5等為間熱式結(jié)構(gòu)。 圖7-2 部分國產(chǎn)半導(dǎo)體氣敏元件的外形圖a)HQ系列 b)QN系列 c)MQ系列 （2）燒結(jié)型氣體傳感器工作特性 氣敏特性：遇H2、CO、碳?xì)浠衔锏?還原性即可燃性)氣體，材料表面層電阻率減??；遇O2等氧化性氣體時，材料表面層電阻率增大。在檢測前，材料表面已經(jīng)吸著氧，所以對可燃性氣體更敏感。最佳工作溫度一

4、般多在200500范圍內(nèi)。 溫濕度特性：SnO2傳感器的阻值隨溫度、濕度上升而有規(guī)律地減小。因此除盡量保持恒溫、恒濕外，其有效措施是選用溫濕度特性好的氣敏元件及在電路中進(jìn)行溫濕度補償。 2.表面電流變化型氣敏傳感器表面電流變化型氣敏傳感器有Pd-TiO2氫敏二極管和MOS場效應(yīng)氫敏傳感器。MOS場效應(yīng)氫敏傳感器即Pd-MOSFET的伏安特性如圖7-3所示。 3DOH是一種新型氫敏傳感器集成電路，如圖7-4所示。 圖7-3 Pd-MOSFET的ID-UDS曲線圖7-4 3DOH氫敏傳感器a）外部管腳排列 b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖7.2.1 濕度的概念和檢測方法 1.氣體的濕度 氣體的濕度是指大氣中水蒸

5、氣的含量。7.2 濕度傳感器及其應(yīng)用表7-7 常用濕度量的種類濕度量種類定 義單 位絕對濕度1m3氣體（空氣）中含有的水蒸氣重量（g）g/m3相對濕度一定體積氣體（空氣）中實際含有的水蒸氣分壓與相同溫度下該氣體所能包含的最大水蒸氣分壓之比RH=P/PS100%0100%RH容積比與重量比容積比：水蒸氣分壓與干燥載體氣體（空氣）分壓之比重量比：水蒸氣重量與干燥載體氣體（空氣）重量之比ppm(V)ppm(W)露點與霜點露點：氣體中水蒸氣的分壓等于飽和水蒸氣壓時的溫度霜點：露點在0以下時的溫度、7.2.2 濕度傳感器1.濕度傳感器的特性參數(shù)和符號（1）濕度傳感器的特性參數(shù) 濕度傳感器的特性參數(shù)主要有

6、：濕度量程、靈敏度、溫度系數(shù)、響應(yīng)時間、濕滯回差、感濕特征量-相對濕度特性曲線等。濕度量程：各種濕度傳感器并不都能適用于0100RH的整個相對濕度范圍。因此，濕度量程是濕度傳感器的重要參數(shù)。感濕特征量-相對濕度特性曲線：即輸出-輸入特性曲線。濕度傳感器的輸入為環(huán)境相對濕度，輸出變量稱為其感濕特征量，如電阻、電容、擊穿電壓、溝道電阻等。靈敏度：較普遍采用的方法是用器件在不同環(huán)境濕度下的感濕特征量之比來表示。例如，日本生產(chǎn)的MgCr204-TiO2濕度傳感器的靈敏度是用一組器件電阻比表示的：R1%/R20%、R1%/R40%、R1%/R60%、R1%/R80%及R1%/R100%。角標(biāo)表示該阻值所

7、對應(yīng)的相對濕度。如R1%表示相對濕度在1時器件的電阻值。響應(yīng)時間：響應(yīng)時間是表示傳感器完成吸濕或脫濕以及動態(tài)平衡過程所需時間的特性參數(shù)。電壓與頻率特性：濕度傳感器加熱清洗的激勵電壓不能用直流，必須用交流。加熱使溫度升高，因此電壓不能過高。傳感器的感濕特征值與交流電壓頻率有關(guān)，因此電壓的頻率應(yīng)有上限和下限。 （2）濕度傳感器的分類 濕度傳感器的種類很多，據(jù)不完全統(tǒng)計，濕度傳感器系列、類型見表7-8。表7-8 濕度傳感器的分類原理濕 度 敏 感 元 件 物 性 型電解質(zhì)系 氯化鋰-聚乙烯醇光硬化樹脂電解質(zhì)、氯化鋰植物纖維含浸系、聚苯乙烯磺酸及其鹽類、氟化鋇半導(dǎo)體及陶瓷系涂覆膜型 四氧化三鐵涂覆膜、

8、氧化鋁陶瓷燒結(jié)體型 三氧化鈦-氧化物非加熱式、鋅-鋰-釩系，Ni1-xFe2+xO4系、鐵- 鉀-鋁系，羥基磷灰石系，MgCr2O4-TiO2系，ZnCrO4系，氧化鋁- 氧化鎂陶瓷、Ba1-xSrxTiO5系厚膜型鎢酸鋯系、鎢酸鎳系、LiNbO3-PbO系非加熱式、鈦酸鋇-氧化瀾-氧化鋁系薄膜型三氧化二鋁絕對濕度、TaMnO2電容式MOS型MOS型電容式薄膜濕度傳感器有機物系親水性高分子-碳黑體、聚酰亞胺薄膜式、等離子聚苯乙烯薄膜電容式、聚丙烯酸系 結(jié)構(gòu)型毛發(fā)濕度傳感器、腸膜濕度傳感器、尼龍濕度傳感器其他形式干濕球式、鈦酸鎂微波吸收式、五氧化二磷電解式、石英晶體振子式、氯化鋰露點式、紅外線式

9、、中子法式 （3）濕度傳感器的圖形符號 濕敏傳感器的圖形符號如圖7-12所示。圖7-12 圖形符號圖形符號代表電阻Rp和電容Cp的并聯(lián)。圖中，A-A端為測量電極，B-B端為加熱清洗電極。加熱清洗電極通電后，內(nèi)部電加熱絲產(chǎn)生熱量可排除傳感器感濕層中的水分子。 2.電解質(zhì)濕度傳感器 電解質(zhì)濕敏元件分為無機電解質(zhì)和高分子電解質(zhì)濕敏元件兩大類。 3.半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器 這是濕度傳感器中最大的一類，品種繁多。按其制作工藝可分為：涂覆膜型、燒結(jié)體型、厚膜型、薄膜型及MOS型等。金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷為多孔結(jié)構(gòu)材料，吸附水蒸氣能力強且靈敏度高；物理化學(xué)性能穩(wěn)定；響應(yīng)速度快；可加熱清洗，有利于在惡劣環(huán)境下工作

10、；工作范圍寬且兼有熱敏和氣敏特性，可制成多功能敏感元件；生產(chǎn)工藝簡單，成本低，是制作濕度傳感器的理想材料。主要缺點是：材料固有電阻大，高溫性能不夠穩(wěn)定，難以集成化等。一般金屬半導(dǎo)體氧化物陶瓷具有感濕負(fù)特性，濕度增大，電阻減小。（1）MgCr2O4-TiO2陶瓷濕敏傳感器（MCT型）傳感器的結(jié)構(gòu)如圖7-13a所示。每次使用前，給線圈通電加熱清洗，將濕敏陶瓷片加熱至350400，保持1060s，即可清除污染；停數(shù)分鐘，元件電阻恢復(fù)原值后方能測濕。傳感器具有感濕特性，其曲線如圖7-13b所示。圖7-13 MgCr2O4-TiO2濕敏傳感器結(jié)構(gòu)與濕度特性a)結(jié)構(gòu) b)特性1康塔爾加熱絲 2底座 3杜美

11、絲引線4引線環(huán)電極 5濕敏陶瓷 6RuO2電極 （3）Mn3O4-TiO2半導(dǎo)體陶瓷溫濕敏傳感器 在氧化鋁管上涂敷添加有熱固性合成樹脂有機溶劑的（Mn3O4）0.7（TiO2）0.3，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)，即形成具有溫濕敏的堅固電阻膜，其阻值較前幾種燒結(jié)型陶瓷傳感器都?。≧max106）。元件具有感濕、感溫負(fù)特性，感溫一般不高于400。 4.有機物及高分子聚合物結(jié)露傳感器 該元件在94RH以上高濕時呈現(xiàn)開關(guān)式阻值變化特性。該元件的特點有：灰塵和其他氣體產(chǎn)生的表面污染對元件的濕度特性影響很??；能夠檢測并區(qū)別結(jié)露、水分等高濕狀態(tài)；由于具有急劇的開關(guān)特性，盡管滯后等因素會引起特性變化，但其工作點變動較??；因為

12、是導(dǎo)電無極化現(xiàn)象，因此能使用直流電壓設(shè)計電路。這種元件大量用于檢測磁帶機、照像機結(jié)露及小汽車玻璃窗除露等。其特性見表7-13。表7-13 結(jié)露敏感元件主要技術(shù)特性 電 阻 值 響應(yīng)時間s使用電壓 V工作溫度 測濕范圍RH濕度檢測量程RH75RH時：10k以下94RH時：220k100RH時：200k以上25、60RH60、100RH達(dá)到100k的時間100.8以下(AC或DC) -10160 0100 94100 測濕范圍：電阻式濕敏元件在溫度超過95RH時，濕敏膜因濕潤溶解，厚度會發(fā)生變化，若反復(fù)結(jié)露與潮解，特性變壞而不能復(fù)原。電容式傳感器在8ORH以上高濕及100RH以上結(jié)露或潮解狀態(tài)下，也難以檢測。另外，切勿將濕敏電容直接浸入水中或長期用于結(jié)露狀態(tài)，也不要用手摸或嘴吹其表面。 2.阻容值的測量 測量濕度傳感器阻值Rp和容值Cp的三種電路如圖7-15所示。圖a為低頻交流供電，