信息與通信傳感器技術(shù) 第7講 聲氣濕敏傳感器

第7章聲氣濕敏傳感技術(shù)一、超聲涉及其物理性質(zhì)頻率在l6Hz～2×104Hz之間，能為人耳所聽到的機(jī)械波，稱為聲波；低于16Hz的機(jī)械波，稱為次聲波；高于2×104Hz的機(jī)械波，稱為超聲波，頻率在3×108Hz～3×1011Hz之間的波，稱為微波。7.1聲、超聲波傳感器

圖聲波的頻率界限圖

1、超聲波的波型及其傳播速度聲波的波型不同。通常有以下幾種。①縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播；②橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體介質(zhì)中傳播；

③外表波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間，沿著介質(zhì)外表傳播，只在固體的外表傳播。

在固體中，縱波、橫涉及其外表波三者的聲速有一定的關(guān)系，通?？烧J(rèn)為橫波聲速為縱波的一半，外表波聲速為橫波聲速的90%。氣體中縱波聲速為344m/s，液體中縱波聲速在900～1900m/s。

2、超聲波的反射和折射聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)，在兩個(gè)介質(zhì)的分界面上一局部聲波被反射，另一局部透射過界面繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱之為聲波的反射和折射。

當(dāng)波在界面處產(chǎn)生折射時(shí)，入射角的正弦與折射角的正弦之比等于入射波在第一介質(zhì)中的波速c1與折射波在第二介質(zhì)中的波速c2之比，即

當(dāng)超聲波垂直入射界面，即在==0時(shí)，那么反射系數(shù)和透射系數(shù)為

假設(shè)2c2≈1c1，那么反射系數(shù)R≈0，透射系數(shù)T≈1，此時(shí)聲波全部從第一介質(zhì)透射入第二介質(zhì)；假設(shè)2c2>>1c1，反射系數(shù)R≈1，那么聲波在界面上幾乎全反射。同理，當(dāng)1c1>>2c2，反射系數(shù)R≈1，聲波在界面上幾乎全反射。二、超聲波傳感器的原理

超聲波傳感器由發(fā)送器和接收器兩局部組成，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用，即為可逆元件。

專用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器〔接收器〕既可發(fā)送超聲波〔接收超聲波〕，又可接收超聲波〔發(fā)送超聲波〕。市售超聲波傳感器的諧振頻率〔中心頻率〕為23kHz，40kHz，75kHz，200kHz，400kHz等。

超聲波傳感器利用壓電效應(yīng)的原理，壓電效應(yīng)有逆壓電效應(yīng)和正壓電效應(yīng)，超聲波發(fā)送器就是利用逆壓電效應(yīng)的原理。超聲波接收器利用正壓電效應(yīng)的原理。

1、超聲波傳感器的組成它采用雙晶振子，即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起，在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其上面接到一個(gè)電極端，下面接到另一個(gè)電極端。

雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起局部支撐著，這兩處的支點(diǎn)就成為振子振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)。金屬板的中心有圓錐形振子，發(fā)送超聲波時(shí)，圓錐形振子有較強(qiáng)的方向性，高效率地發(fā)送超聲波；接收超聲波時(shí)，超聲波的振動(dòng)集中于振子的中心，高效應(yīng)地產(chǎn)生高頻電壓。

圖超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)

2、超聲波傳感器工作原理假設(shè)在發(fā)送器的雙晶振子〔諧振頻率為40kHz〕上施加40kHz的同頻電壓，壓電陶瓷片a、b就根據(jù)所加的高頻電壓極性伸長(zhǎng)與縮短，于是就發(fā)送40kHz頻率的超聲波。超聲波以疏密波形式傳播，送給超聲波接收器就被其接收。

超聲波接收器是利用壓電效應(yīng)的原理，產(chǎn)生一面為正極，另一面為負(fù)極的電壓。假設(shè)接收到發(fā)送器發(fā)送的超聲波，振子就以發(fā)送超聲波的頻率進(jìn)行振動(dòng)，于是，就產(chǎn)生與超聲波頻率相同的高頻電壓，當(dāng)然這種電壓非常小，要用放大器進(jìn)行放大。

圖超聲波傳感器工作原理示意圖三、超聲波傳感器應(yīng)用1、超聲波物位傳感器超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。如果從發(fā)射超聲脈沖開始，到接收換能器接收到反射波為止的這個(gè)時(shí)間間隔為，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對(duì)物位進(jìn)行測(cè)量。

根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能，傳感器可分為單換能器和雙換能器。單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波使用同一個(gè)換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射和接收各由一個(gè)換能器擔(dān)任。

對(duì)于單換能器來說，超聲波從發(fā)射器到液面，又從液面反射到換能器的時(shí)間為

那么

對(duì)于雙換能器，超聲波從發(fā)射到接收經(jīng)過的路程為2s，而

因此液位高度為

從以上公式中可以看出，只要測(cè)得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔，便可以求得待測(cè)的物位。在一般使用條件下，它的測(cè)量誤差為±0.1%，檢測(cè)物位的范圍為10?2m～104m。

2、超聲波流量傳感器

超聲波在流體中傳播時(shí)，在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳播速度是不同的，利用這一特點(diǎn)可以求出流體的速度，再根據(jù)管道流體的截面積，便可知道流體的流量。

如果在流體中設(shè)置兩個(gè)超聲波傳感器，它們既可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波，一個(gè)裝在上游，一個(gè)裝在下游，其距離為L(zhǎng)，如下圖。如設(shè)順流方向的傳播時(shí)間為t1，逆流方向的傳播時(shí)間為t2，流體靜止時(shí)的超聲波傳播速度為c，流體流動(dòng)速度為v，那么

一般來說，流體的流速遠(yuǎn)小于超聲波在流體中的傳播速度，因此超聲波傳播時(shí)間差為

由于c>>v，便可得到流體的流速，即:

在實(shí)際應(yīng)用中，超聲波傳感器安裝在管道的外部，從管道的外面透過管壁發(fā)射和接收超聲波，而不會(huì)給管道內(nèi)流動(dòng)的流體帶來影響，如下圖。

圖超聲波測(cè)流量原理

圖超聲波傳感器安裝位置

此時(shí)超聲波的傳輸時(shí)間由下式確定為

超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動(dòng)的特點(diǎn)，可測(cè)的流體種類很多，如自來水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水等進(jìn)行測(cè)量。還適用于下水道、農(nóng)業(yè)灌渠、河流等流速的測(cè)量。

3、超聲波自控淋浴開關(guān)電路電路組成超聲波收發(fā)電路、鎖相電路及控制執(zhí)行電路等。

核心是鎖相電路，它由LM567等組成，對(duì)輸入的外來信號(hào)和本身振蕩信號(hào)的頻率進(jìn)行比較，當(dāng)輸入到LM567的3腳的外來信號(hào)的頻率和本身振蕩信號(hào)的頻率相同時(shí)，8腳輸出電平由高變低，同時(shí)，利用鎖相電路本身的振蕩信號(hào)為超聲波發(fā)送電路提供信號(hào)源。電路的振蕩頻率fR8C5)，本電路為40kHz。

圖超聲波自控淋浴開關(guān)電路

工作原理超聲波發(fā)送電路由VT1等構(gòu)成，由鎖相電路LM567的6腳輸出的振蕩信號(hào)經(jīng)R3，加到VT1基極進(jìn)行放大，推動(dòng)超聲波發(fā)送器UCM-T40Kl發(fā)出超聲波信號(hào)。

超聲波接收電路由A1等構(gòu)成，平時(shí)，超聲波接收器UCM-R40K1接收不到UCM-T40K1發(fā)出的超聲波信號(hào)，LM567的8腳輸出為高電平，VT2截止，繼電器J處于釋放狀態(tài)，電磁閥關(guān)閉，淋浴器無水噴出。

當(dāng)有人站在淋浴器下時(shí)，UCM-T40Kl發(fā)出的超聲波經(jīng)人體反射后，被UCM-R40Kl接收并轉(zhuǎn)為相應(yīng)的電壓信號(hào)，經(jīng)A1放大后通過C2耦合到LM567的3腳，由于該信號(hào)的頻率與鎖相電路本身產(chǎn)生的振蕩信號(hào)的頻率完全相同，故8腳輸出低電平，此時(shí)，VT2處于導(dǎo)通狀態(tài)，繼電器J吸合，電磁閥得電翻開，淋浴器有水噴出。7.2氣敏傳感器一、概述1、用途用來檢測(cè)氣體類別、濃度和成分。主要用于工業(yè)上的天然氣、煤氣、石油化工等部門的易燃、易爆、有毒等有害氣體的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和自動(dòng)控制。

2、分類、原理按構(gòu)成氣敏傳感器材料可分為半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類。半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用待測(cè)氣體與半導(dǎo)體外表接觸時(shí)，產(chǎn)生的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)變化來檢測(cè)氣體的。

按照半導(dǎo)體與氣體相互作用時(shí)產(chǎn)生的變化只限于半導(dǎo)體外表或深入到半導(dǎo)體內(nèi)部，可分為外表控制型和體控制型，按照半導(dǎo)體變化的物理特性，又分為電阻型和非電阻型，電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用敏感材料接觸氣體時(shí)，其阻值變化來檢測(cè)氣體的成分或濃度。

非電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用其他參數(shù)，如二極管伏安特性和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾值電壓變化來檢測(cè)被測(cè)氣體的。

3、特性氣敏傳感器是暴露在各種成分的氣體中使用的，由于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度的變化很大，又存在大量粉塵和油霧等，因此，對(duì)氣敏元件有以下要求：能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，重復(fù)性好，響應(yīng)速度快，共存物質(zhì)產(chǎn)生的影響小等。

二、半導(dǎo)體氣敏傳感器的機(jī)理半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體外表的氧化和復(fù)原反響導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的。當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體外表而被吸附時(shí)，當(dāng)半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力時(shí)，吸附分子將從器件奪得電子而變成負(fù)離子吸附，半導(dǎo)體外表呈現(xiàn)電荷層。

例如氧氣被稱為氧化型氣體或電子接收性氣體。如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放出電子，而形成正離子吸附。如H2、CO、碳?xì)浠衔锖痛碱?，它們被稱為復(fù)原型氣體或電子供給性氣體。

當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，復(fù)原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，使電阻值增大。當(dāng)復(fù)原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，使半導(dǎo)體電阻值下降。假設(shè)

氣體濃度發(fā)生變化，其阻值也將變化。根據(jù)這一特性，可以從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度。半導(dǎo)體氣敏時(shí)間〔響應(yīng)時(shí)間〕一般不超過1min。N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。

三、半導(dǎo)體氣敏傳感器類型及結(jié)構(gòu)1．電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器結(jié)構(gòu)和類型1〕半導(dǎo)體氣敏傳感器的組成敏感元件、加熱器和外殼。2〕類型

按其制造工藝來分有燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型3類。燒結(jié)型氣敏器件以SnO2半導(dǎo)體材料為基體，將鉑電極和加熱絲埋入SnO2材料中，用加熱、加壓、溫度為700℃～900℃的制陶工藝燒結(jié)成形。因此，被稱為半導(dǎo)體陶瓷。

圖氣敏半導(dǎo)體傳感器的器件結(jié)構(gòu)

薄膜型器件它采用蒸發(fā)或?yàn)R射工藝，在石英基片上形成氧化物半導(dǎo)體薄膜〔其厚度約在100nm以下〕制作方法也很簡(jiǎn)單。

厚膜型器件這種器件是將氧化物半導(dǎo)體材料與硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠，再把厚膜膠印刷到裝有電極的絕緣基片上，經(jīng)燒結(jié)制成的，適合大批量生產(chǎn)。

這些器件全部附有加熱器，它的作用是將附著在敏感元件外表上的塵埃、油霧等燒掉，加速氣體的吸附。加熱器的溫度一般控制在200～400℃左右。

3〕加熱方式一般有直熱式和旁熱式兩種，直熱式器件是將加熱絲、測(cè)量絲直接埋入SnO2或ZnO等粉末中燒結(jié)而成的，工作時(shí)加熱絲通電，測(cè)量絲用于測(cè)量器件阻值。測(cè)量回路和加熱回路間沒有隔離而相互影響。國(guó)產(chǎn)QN型和日本費(fèi)加羅TGS#109型氣敏傳感器均屬此類結(jié)構(gòu)。

旁熱式氣敏器件的特點(diǎn)是將加熱絲放置在一個(gè)陶瓷管內(nèi)，管外涂梳狀金電極作測(cè)量極，在金電極外涂上SnO2等材料，旁熱式結(jié)構(gòu)的氣敏傳感器克服了直熱式結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，使測(cè)量極和加熱極別離，而且加熱絲不與氣敏材料接觸，防止了測(cè)量回路和加熱回路的相互影響，穩(wěn)定性、可靠性都較直熱式器件好，國(guó)產(chǎn)QM-N5型和日本費(fèi)加羅TGS#812、813型等氣敏傳感器都采用這種結(jié)構(gòu)。

2．測(cè)量電路SiO2氣敏器件所用檢測(cè)電路如下圖，當(dāng)所測(cè)氣體濃度變化時(shí)，氣敏器件的阻值發(fā)生變化，從而使輸出發(fā)生變化。

圖旁熱式氣敏器件的結(jié)構(gòu)及符號(hào)

圖測(cè)量電路

四、氣敏傳感器應(yīng)用1．礦井瓦斯超限報(bào)警器1〕電路組成及作用QM-N5為旁熱式氣敏傳感器，它和R1、RP組成瓦斯氣體檢測(cè)電路；晶體管VS作為無觸點(diǎn)電子開關(guān)。

LC179型三模擬聲報(bào)警專用集成電路，它采用雙列8腳直插塑料硬封裝，內(nèi)部集成了功率放大器，可直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲，可產(chǎn)生3種不同的模擬報(bào)警聲響，LC179的第1、2腳為外接振蕩電阻器端，可改變發(fā)聲音調(diào)；第3腳為負(fù)電源端；第4腳為音頻輸出端；第5腳為正電源端；第6、7腳為空腳端；第8腳為選聲端，

當(dāng)它“懸空〞時(shí)，可產(chǎn)生模擬警車電笛聲；當(dāng)它接電源正端時(shí)，可產(chǎn)生模擬消防車電笛聲；當(dāng)它接電源負(fù)端時(shí)，可產(chǎn)生模擬救護(hù)車電笛聲。LC179的主要電參數(shù)：工作電壓范圍3V～，工作電流＜150μA，最大輸出電流可達(dá)150mA，工作溫度范圍－10℃～60℃。

圖礦井瓦斯超限報(bào)警器

2〕工作原理當(dāng)無瓦斯或瓦斯?jié)舛群艿蜁r(shí)，QM-N5的A-B極間電阻很大，電位器RP滑動(dòng)觸點(diǎn)電壓小于，VS不被觸發(fā)，警笛聲電路無電源不發(fā)聲；當(dāng)瓦斯氣體超過平安標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，A-B極間電阻迅速減小，當(dāng)RP滑動(dòng)觸點(diǎn)電壓大于，VS被觸發(fā)導(dǎo)通，警笛電路得電，發(fā)出報(bào)警聲。

2．有害氣體報(bào)警電路電路中晶體管VT采用U850，它是一種高增益的達(dá)林頓晶體管。在純潔的空氣中，氣敏傳感器的A-B間內(nèi)阻較大，此時(shí)B點(diǎn)為低電位，VT不導(dǎo)通，因此，KD9561無工作電流而不報(bào)警。

當(dāng)傳感器接觸到有害可燃?xì)怏w后，A-B間電阻變小，B點(diǎn)電位升高并向C2充電，當(dāng)充電電位到達(dá)U850導(dǎo)通電位〔約〕，VT導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)報(bào)警器KD9561報(bào)警。一旦有害氣體濃度降低，使B電位低于時(shí)，VT截止，報(bào)警解除。假設(shè)將本電路的負(fù)載改為繼電器，如圖〔b〕所示，即可成為自動(dòng)排氣控制裝置。

圖有害氣體報(bào)警電路

3．實(shí)用酒精測(cè)試儀圖所示為實(shí)用酒精測(cè)試儀的電路。該測(cè)試儀只要被試者向傳感器吹一口氣，便可顯示出醉酒的程度，確定被試者是否適宜駕駛車輛。

氣體傳感器選用二氧化錫氣敏元件。當(dāng)氣體傳感器探測(cè)不到酒精時(shí)，加在A的第5腳電平為低電平；當(dāng)氣體傳感器探測(cè)到酒精時(shí)，其內(nèi)阻變低，從而使A的第5腳電平變高。

A為顯示推動(dòng)器，它共有10個(gè)輸出端，每個(gè)輸出端可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)發(fā)光二極管，顯示推動(dòng)器A根據(jù)第5腳電壓上下來確定依次點(diǎn)亮發(fā)光二極管的級(jí)數(shù)，酒精含量越高那么點(diǎn)亮二極管的級(jí)數(shù)越大。上面5個(gè)發(fā)光二極管為紅色，表示超過平安水平，酒精含量不超過0.05%。

圖酒精測(cè)試儀電路

4．防酒后駕車控制器圖中QM-J1為旁熱式氣敏傳感器元件，假設(shè)司機(jī)沒有喝酒，或酒精濃度較低時(shí)，在駕駛室內(nèi)合上開關(guān)S，此時(shí)氣敏器件間電阻很高，Ua為高電平，那么U1為低電平，555定時(shí)器截止，U3為高電平，K2線圈失電，其常閉觸點(diǎn)K2-2閉合，綠燈VD1亮，常閉觸點(diǎn)K2-1閉合，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)。

圖防止酒后駕車控制器原理圖

假設(shè)司機(jī)酗酒，氣敏器件阻值急劇下降，使Ua為低電平，那么U1為高電平，555定時(shí)器導(dǎo)通，U3為低電平，繼電器K2帶電吸合，K2-2常閉觸點(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)閉合，紅燈VD2亮，以示警告，常閉觸點(diǎn)K2-1斷開，發(fā)動(dòng)機(jī)無法啟動(dòng)。

假設(shè)司機(jī)拔出器敏器件，那么繼電器K1失電，其常開觸點(diǎn)K1-1斷開，仍然無法啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。常閉觸點(diǎn)K1-2的作用是長(zhǎng)期加熱氣敏器件，保證控制器處于準(zhǔn)備工作的狀態(tài)。7.3濕敏傳感器濕度是指大氣中的水蒸氣含量，通常采用絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度兩種表示方法。絕對(duì)濕度是指在一定溫度和壓力條件下，每單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量，單位為g/m3，一般用符號(hào)AH表示。相對(duì)濕度是指氣體的絕對(duì)濕度與同一溫度下到達(dá)飽和狀態(tài)的絕對(duì)濕度之比，一般用符號(hào)%RH表示。

濕敏傳感器是能夠感受外界濕度變化，并通過器件材料的物理或化學(xué)性質(zhì)變化，將濕度轉(zhuǎn)化成有用信號(hào)的器件。濕敏器件只能直接暴露于待測(cè)環(huán)境中，不能密封。通常，對(duì)濕敏器件有以下要求：在各種氣體環(huán)境下穩(wěn)定性好，響應(yīng)時(shí)間短，壽命長(zhǎng)，有互換性，耐污染和受溫度影響小等。微型化、集成化及廉價(jià)是濕敏器件的開展方向。

濕度的檢測(cè)已廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、科技、生活等各個(gè)領(lǐng)域，濕度不僅與工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量有關(guān)，而且是環(huán)境條件的重要指標(biāo)。

一、氯化鋰濕敏電阻氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解，離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的測(cè)濕元件。它由引線、基片、感濕層與電極組成。

在氯化鋰〔LiCl〕溶液中，Li和Cl均以正負(fù)離子的形式存在，而Li+對(duì)水分子的吸引力強(qiáng)，離子水合程度高，其溶液中的離子導(dǎo)電能力與濃度成正比。當(dāng)溶液置于一定溫濕場(chǎng)中，溶液將吸收水分，使?jié)舛冉档?，因此，其溶液電阻率增高。反之，環(huán)境相對(duì)濕度變低時(shí)，那么溶液濃度升高，其電阻率下降，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的測(cè)量。

但其耐熱性差，不能用于露點(diǎn)以下測(cè)量，器件性能重復(fù)性不理想，使用壽命短。

二、半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)而成為多孔陶瓷。

這些材料有ZnO—LiO2—V2O5系、Si—Na2O—V2O5系、TiO2—MgO—Cr2O3系、Fe3O4等，前3種材料的電阻率隨濕度增加而下降，故稱為負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷，最后一種的電阻率隨濕度增加而增大，故稱為正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷。

1．負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理由于水分子中的氫原子具有很強(qiáng)的正電場(chǎng)，當(dāng)水在半導(dǎo)瓷外表吸附時(shí)，就有可能從半導(dǎo)瓷外表俘獲電子，使半導(dǎo)瓷外表帶負(fù)電。如果該半導(dǎo)瓷是P型半導(dǎo)體，那么由于水分子吸附使外表電勢(shì)下降，將吸引更多的空穴到達(dá)其外表，于是，其外表層的電阻下降。

假設(shè)該半導(dǎo)瓷為N型，那么由于水分子的附著使外表電勢(shì)下降，如果外表電勢(shì)下降較多，不僅使外表層的電子耗盡，同時(shí)吸引更多的空穴到達(dá)外表層，這些空穴稱為反型載流子。它們同樣可以在外表遷移而表現(xiàn)出電導(dǎo)特性。

因此，由于水分子的吸附，使N型半導(dǎo)瓷材料的外表電阻下降。由此可見，不管是N型還是P型半導(dǎo)瓷，其電阻率都隨濕度的增加而下降。

2．正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理當(dāng)水分子附著半導(dǎo)瓷的外表使電勢(shì)變負(fù)時(shí)，導(dǎo)致其外表層電子濃度下降，但這還缺乏以使外表層的空穴濃度增加到出現(xiàn)反型程度，此時(shí)仍以電子導(dǎo)電為主。

于是，外表電阻將由于電子濃度下降而加大，這類半導(dǎo)瓷材料的外表電阻將隨濕度的增加而加大。如果對(duì)某一種半導(dǎo)瓷，它的晶粒間的電阻并不比晶粒內(nèi)電阻大很多，那么外表層電阻的加大對(duì)總電阻并不起多大作用。

3．典型半導(dǎo)瓷濕敏元件〔1〕MgCr2O4—TiO2濕敏元件氧化鎂復(fù)合氧化物—二氧化鈦濕敏材料通常制成多孔陶瓷型“濕—電〞轉(zhuǎn)換器件，它是負(fù)特牲半導(dǎo)瓷，MgCr2O4為P型半導(dǎo)體，它的電阻率低，阻值溫度特性好，兩面涂覆有多孔金電極。

金電極與引出線燒結(jié)在起，為了減少測(cè)量誤差、在陶瓷片外設(shè)置由鎳鉻絲制成的加熱線圈，以便對(duì)器件加熱清洗，排除惡劣氣氛對(duì)器件的污染。整個(gè)器件安裝在陶瓷基片上，電極引線一般采用鉑—銥合金。

〔2〕ZnO—Cr2O3陶瓷濕敏元件ZnO—Cr2O3濕敏元件的結(jié)構(gòu)是將多孔材料的金電極燒結(jié)在多孔陶瓷圓片的兩外表上，并焊上鉑引線，然后將敏感元件裝入有網(wǎng)眼過濾的方形塑料盒中用樹脂固定。

ZnO—Cr2O3傳感器能連續(xù)穩(wěn)定地測(cè)量濕度，而無須加熱除污裝置，因此功耗低于，體積小，本錢低，是一種常用測(cè)濕傳感器。

〔3〕四氧化三鐵〔Fe3O4〕濕敏器件四氧化三鐵濕敏器件由基片、電極和感濕膜組成。基片上制作一對(duì)梭狀金電極，然后將預(yù)先配制好的Fe3O4膠體液涂覆在梭狀金電極的外表，進(jìn)行熱處理和老化。

Fe3O4膠體之間的接觸呈凹狀，粒子間的空隙使薄膜具有多孔性，當(dāng)空氣相對(duì)濕度增大時(shí)，F(xiàn)e3O4膠膜吸濕，由于水分子的附著，降低粒間的電阻和增加更多的導(dǎo)流通路，所以元件阻值減小。

當(dāng)處于枯燥環(huán)境中，膠膜脫濕，粒間接觸面減小，元件阻值增大。當(dāng)環(huán)境溫度不同時(shí)，涂覆膜上所吸附的水分也隨之變化，使梭狀金電極之間的電阻產(chǎn)生變化。

Fe3O4濕敏器件在常溫、常濕下性能比較穩(wěn)定，有較強(qiáng)的抗結(jié)露能力，測(cè)濕范圍廣，有較為一致的濕敏特性和較好的溫度—濕度特性，但器件有較明顯的濕滯現(xiàn)象，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，吸濕過程〔60%RH98%RH〕需要2min，脫濕過程〔98%RH12%RH〕需5～7min。

三、濕敏傳感器的應(yīng)用1．直讀式濕度計(jì)其中RH為氯化鋰濕度傳感器。由VT1、VT2、T1等組成測(cè)濕電橋的電源，其振蕩頻率為250～1000Hz。

電橋輸出經(jīng)變壓器T2、C3耦合到VT3、經(jīng)VT3放大后的信號(hào)，由VD1～VD4橋式整流后，輸入給微安表，指示出由于相對(duì)濕度的變化引起電流的改變，經(jīng)標(biāo)定并把濕度刻劃在微安表盤上，就成為一個(gè)簡(jiǎn)單而實(shí)用的直讀式濕度計(jì)了。

2．自動(dòng)噴灌控制器電路工作原理

圖9-18直讀式濕度計(jì)電路圖

1)組成電源電路、濕度檢測(cè)電路和控制電路組成，如圖9-19所示。電源電路由電源變壓器T、整流橋UR、隔離二極管VD2、穩(wěn)壓二極管VS和濾波電容器C1、C2等組成。

2〕工作原理交流220V電壓經(jīng)T降壓、UR整流后，在濾波電容器C2兩端產(chǎn)生直流6V電壓。該電壓一路供給微型水泵的直流電動(dòng)機(jī)〔采用交流電動(dòng)機(jī)的大、中型水泵使用交流220V電源供電，見圖中虛線所示〕；另一路經(jīng)VD2降壓、VS穩(wěn)壓和C1濾波后，產(chǎn)生電壓，

圖自動(dòng)噴灌控制電路

供給VT1～VT3和繼電器K。濕度傳感器插在土壤中，對(duì)土壤濕度進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)土壤濕度較高時(shí)，濕度傳感器兩電極之間的電阻值較小，使VT1、VT2導(dǎo)通，VT3截止，繼電器K不吸合，水泵電動(dòng)機(jī)M不工作。

當(dāng)土壤濕度變小，使?jié)穸葌鞲衅鲀呻姌O之間的電阻值增大至一定值時(shí)，VT1和VT2將截止，使VT3導(dǎo)通，繼電器K吸合，其常開觸頭K接通，使水泵電動(dòng)機(jī)M通電，噴水設(shè)施開始工作。

當(dāng)土壤中的水分增加到一定程度，濕度傳感器兩電極間的電阻值減小至一定值時(shí)，VT1和VT2又導(dǎo)通，使VT3截止，繼電器K釋放，水泵電動(dòng)機(jī)M停轉(zhuǎn)。當(dāng)土壤水分減少至一定程度時(shí)，將重復(fù)進(jìn)行上述過程，從而使土壤保持較恒定的濕度。

3．磚坯水分檢測(cè)器電路工作原理1〕組成：濕度檢測(cè)探頭、穩(wěn)壓基準(zhǔn)電源、比較器、開關(guān)電路和聲光報(bào)警電路組成。

穩(wěn)壓基準(zhǔn)電源電路由電阻器R1和集成穩(wěn)壓器IC1組成，IC1選用TL431集成穩(wěn)壓器。比較器電路由集成電路IC2和電阻器R2、R3、電位器RP1、RP2等組成，IC2選用LM393集成電路。

開關(guān)電路由開關(guān)管VT1、二極管VD1、VD2和電阻器R4等組成。聲光報(bào)警電路由發(fā)光二極管VL1、VL2、電阻器R6、R7、音樂集成電路IC3、音頻放大管VT2和揚(yáng)聲器BL等組成。IC3選用KD9561或LC179音效集成電路。

工作原理將濕度檢測(cè)探頭插入磚坯中，兩支檢測(cè)探頭之間的電阻值將隨著磚坯含水量的上下而變化。當(dāng)磚坯的含水量在工藝允許范圍內(nèi)