第8章-氣體和濕度傳感器課件

第8章氣體和濕度傳感器

8.1氣體傳感器

8.2濕度傳感器

8.3氣體和濕度傳感器的應(yīng)用

8.4實(shí)訓(xùn)-酒精測試儀裝調(diào)

第8章氣體和濕度傳感器8.1氣體傳18.1氣體傳感器8.1氣體傳感器2氣體傳感器是一種把氣體中的特定成分檢測出來,并將它轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件,

以便提供有關(guān)待測氣體的存在及濃度大小的信息。

見表8-1。氣體傳感器是一種把氣體中的特定成分檢測出來,并3表8-1氣敏傳感器主要檢測對(duì)象及其應(yīng)用場所分類檢測對(duì)象氣體應(yīng)用場合易燃易爆氣體液化石油氣、焦?fàn)t煤氣、發(fā)生爐煤氣、天然氣甲烷氫氣家庭用煤礦冶金、試驗(yàn)室有毒氣體一氧化碳（不完全燃燒的煤氣）硫化氫、含硫的有機(jī)化合物鹵素，鹵化物，氨氣等煤氣灶等石油工業(yè)、制藥廠冶煉廠、化肥廠環(huán)境氣體氧氣（缺氧）水蒸氣（調(diào)節(jié)濕度，防止結(jié)露）大氣污染（SOx,NOx,CL2等）地下工程、家庭電子設(shè)備、汽車、溫室工業(yè)區(qū)工業(yè)氣體燃燒過程氣體控制，調(diào)節(jié)燃/空比一氧化碳（防止不完全燃燒）水蒸氣（食品加工）內(nèi)燃機(jī)，鍋爐內(nèi)燃機(jī)、冶煉廠電子灶其它災(zāi)害煙霧，司機(jī)呼出酒精火災(zāi)預(yù)報(bào)，事故預(yù)報(bào)表8-1氣敏傳感器主要檢測對(duì)象及其應(yīng)用場所分類檢測對(duì)象4氣體傳感器的性能必須滿足下列條件：（1）能夠檢測并能及時(shí)給出報(bào)警、顯示與控制信號(hào)；（2）對(duì)被測氣體以外的共存氣體或物質(zhì)不敏感；（3）性能穩(wěn)定性、重復(fù)性好；（4）動(dòng)態(tài)特性好、響應(yīng)迅速；（5）使用、維護(hù)方便，價(jià)格便宜。氣體傳感器的性能必須滿足下列條件：58.1.1半導(dǎo)體型氣體傳感器利用半導(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。半導(dǎo)體氣體傳感器大體可分為電阻式和非電阻式兩大類。見表8-2。電阻式是用氧化錫、氧化鋅等金屬氧化物材料制作。非電阻式是一種半導(dǎo)體器件。8.1.1半導(dǎo)體型氣體傳感器6表8-2半導(dǎo)體氣體傳感器的分類主要的物理特性傳感器舉例工作溫度代表性被測氣體電阻式表面控制型氧化錫、氧化鋅室溫～450οC可燃性氣體體控制型LaI-xSrxCoO3，F(xiàn)eO氧化鈦、氧化鈷、氧化鎂、氧化錫300～450οC700οC以上酒精、可燃性氣體、氧氣非電阻式表面電位氧化銀室溫乙醇二極管整流特性鉑/硫化鎘、鉑/氧化鈦室溫～200οC氫氣、一氧化碳、酒精晶體管特性鉑柵MOS場效應(yīng)管150οC氫氣、硫化氫表8-2半導(dǎo)體氣體傳感器的分類主要的物理特性傳感器舉例工71.表面控制型氣體傳感器

半導(dǎo)體器件表面原來吸附的氣體與半導(dǎo)體材料之間會(huì)有電子施受發(fā)生。

以N型半導(dǎo)體器件為例，通常器件置于空氣中，吸附了空氣中的氧這樣的電子復(fù)合量大的氣體以后，半導(dǎo)體表面會(huì)失去電子，被吸附的氧所俘獲，為負(fù)電荷吸附。

其結(jié)果表現(xiàn)為N型半導(dǎo)體器件表面電子數(shù)減少，器件處于高電阻狀態(tài)。1.表面控制型氣體傳感器8

一旦器件與被測氣體接觸，被測氣體會(huì)與吸附的氧起反應(yīng)，被氧俘獲的電子釋放出來，器件表面電子數(shù)增加，器件電阻減小。

這類傳感器多數(shù)是以可燃性氣體為檢測對(duì)象，但如果吸附能力強(qiáng)，即使是非可燃性氣體也能作為檢測對(duì)象。

其具有檢測靈敏度高，響應(yīng)速度快，實(shí)用價(jià)值大等優(yōu)點(diǎn)。目前常用的半導(dǎo)體材料為氧化錫、氧化鋅等較難還原的氧化物，摻有少量貴金屬（如Pt等）作為激活劑。一旦器件與被測氣體接觸，被測氣體會(huì)與吸附的氧起92.體電阻控制型氣體傳感器體控制型電阻式氣體傳感器是利用體電阻的變化來檢測氣體的半導(dǎo)體器件。檢測對(duì)象主要有：

液化石油氣，主要是丙烷；

煤氣，主要是CO、H2；

天然氣，主要是甲烷。2.體電阻控制型氣體傳感器103.非電阻型氣體傳感器二極管氣體傳感器是利用一些氣體被金屬與半導(dǎo)體的界面吸收，對(duì)半導(dǎo)體禁帶寬度或金屬的功函數(shù)的影響，而使二極管整流特性發(fā)生變化而制成。3.非電阻型氣體傳感器11場效應(yīng)管FET型氣體傳感器是根據(jù)柵壓域值的變化來檢測未知?dú)怏w。電容型氣體傳感器是根據(jù)CaO—BaTiO3等復(fù)合氧化物隨CO2濃度變化、其靜電容量有很大變化而制成。場效應(yīng)管FET型氣體傳感器是根據(jù)柵壓域值的變化128.1.2固體電解質(zhì)式氣體傳感器

這類傳感器內(nèi)部不是依賴電子傳導(dǎo)，而是靠陰離子或陽離子進(jìn)行傳導(dǎo)。因此，把利用這種傳導(dǎo)性能好的材料制成的傳感器稱為固體電解質(zhì)傳感器。8.1.2固體電解質(zhì)式氣體傳感器138.1.3接觸燃燒式氣體傳感器

接觸燃燒式氣體傳感器是將白金等金屬線圈埋設(shè)在氧化催化劑中構(gòu)成。使用時(shí)對(duì)金屬線圈通以電流，使之保持在300~600οC的高溫狀態(tài)，同時(shí)將器件接入電橋電路中的一個(gè)橋臂。8.1.3接觸燃燒式氣體傳感器14一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可測得可燃性氣體的濃度。一旦有可燃性氣體與傳感器表面接觸，燃燒熱量進(jìn)一158.1.4電化學(xué)式氣體傳感器1.離子電極型氣體傳感器由電解液、固定參照電極和pH電極組成。通過透氣膜使被測氣體溶于電解液。以被測氣體為CO2為例，在電解液中達(dá)到如下化學(xué)平衡：

CO2+H2O=H++HCO3―

根據(jù)pH值就能知道CO2

的濃度。8.1.4電化學(xué)式氣體傳感器162.加伐尼電池式氣體傳感器由隔離膜、鉛電極（陽）、電解液、白金電極（陰）組成一個(gè)加伐尼電池。當(dāng)被測氣體通過聚四氟乙烯隔膜擴(kuò)散到達(dá)負(fù)極表面時(shí)，即可發(fā)生還原反應(yīng)。溶液中產(chǎn)生電流，流過外電路。該電流數(shù)值和氣體的速度成比例。2.加伐尼電池式氣體傳感器173.定位電解法氣體傳感器

又稱控制電位電解法氣體傳感器。

由工作電極（也稱敏感電極）、輔助電極、參比電極以及用聚四氟乙烯材料制成的透氣隔離膜組成。

工作電極與輔助電極、參比電極間充以電解液，被測氣體通過透氣隔離膜擴(kuò)散到電解液中。

定位電解法氣體傳感器一氧化碳?xì)怏w濃度測試電路如圖8-1所示。3.定位電解法氣體傳感器18圖8-1定位電解法一氧化碳?xì)怏w濃度測試電路圖8-1定位電解法一氧化碳?xì)怏w濃度測試電路19

圖中NAP－505為日本生產(chǎn)的小型、低功耗一氧化碳傳感器。

一氧化碳通過透氣膜進(jìn)入電解液到達(dá)工作電極（W）表面，工作電極表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)（氧化反應(yīng)）：CO＋H2O→CO2＋2H＋＋2e－

產(chǎn)生的電子在工作電極上，產(chǎn)生的氫離子在工作電極旁的電解液中。圖中NAP－505為日本生產(chǎn)的小型、低功耗一氧20

電子使工作電極產(chǎn)生負(fù)電壓，電子由外電路向輔助電極（C）流動(dòng)。氫離子在電解液中向輔助電極流動(dòng)，接收輔助電極上的電子和電極旁的氧氣，發(fā)生還原反應(yīng)：2H＋＋O2／2＋2e－→H2O

參比電極（R）表面同樣發(fā)生氧化反應(yīng)，作用是給工作電極提供固定電壓。

工作電極流出的電流（電子）與一氧化碳濃度成比例。電流在10Ω電阻上產(chǎn)生電壓由IC1放大，測量輸出V0可知一氧化碳濃度。電子使工作電極產(chǎn)生負(fù)電壓，電子由外電路向輔助電218.1.5集成型氣體傳感器一類是把敏感部分、加熱部分和控制部分集成在同一基底上，以提高器件的性能；另一類是把多個(gè)具有選擇性的元件，用厚膜或薄膜的方法制在一個(gè)襯底上。用微機(jī)處理和信號(hào)識(shí)別的方法對(duì)被測氣體進(jìn)行有選擇性的測定，這樣既可以對(duì)氣體進(jìn)行識(shí)別又可以提高檢測靈敏度。8.1.5集成型氣體傳感器228.1.6氣體傳感器的應(yīng)用1.可燃性氣體泄露報(bào)警器為防止常用氣體燃料如煤氣（H2、CO等），天然氣（CH4等）、液化石油氣（C3H8、C4H10等）及CO等氣體泄漏引起中毒、燃燒或爆炸，

可以應(yīng)用可燃性氣體傳感器配上適當(dāng)電路制成報(bào)警器。8.1.6氣體傳感器的應(yīng)用232.在汽車中應(yīng)用的氣體傳感器控制燃空比，需用氧傳感器；

控制污染，檢測排放氣體，需用CO、NOx、HCl、O2等傳感器；

內(nèi)部空調(diào)，需用CO、煙、濕度等傳感器。2.在汽車中應(yīng)用的氣體傳感器243.在工業(yè)中應(yīng)用的氣體傳感器在Fe和Cu等礦物冶煉過程中常使用氧傳感器。在半導(dǎo)體工業(yè)中需用多種氣體傳感器。在食品工業(yè)中也常用氧傳感器。3.在工業(yè)中應(yīng)用的氣體傳感器254.檢測大氣污染方面用的氣體傳感器對(duì)于污染環(huán)境需要檢測的氣體有SO2、H2S、NOX、CO、CO2等，

因?yàn)樾枰繙y量，宜選用電化學(xué)氣體傳感器。4.檢測大氣污染方面用的氣體傳感器265.在家電方面用的氣體傳感器在家電中用于可燃?xì)庑孤﹫?bào)警及換氣扇、抽油煙機(jī)的自動(dòng)控制，

也用于微波爐和燃?xì)鉅t等家用電器中，以實(shí)現(xiàn)烹調(diào)的自動(dòng)控制。5.在家電方面用的氣體傳感器276.在其他方面的應(yīng)用除上述以外，氣體傳感器還被廣泛用于醫(yī)療診斷，礦井安全等場合。

目前各類氣體傳感器已有實(shí)用商品。

半導(dǎo)體類氣體傳感器廣泛由于控制系統(tǒng)。

電化學(xué)式氣體傳感器廣泛由于環(huán)境監(jiān)測設(shè)備。6.在其他方面的應(yīng)用288.1.7煙霧傳感器煙霧是比氣體分子大得多的微粒懸浮在氣體中形成的，必須利用微粒的特點(diǎn)檢測。1.散射式在發(fā)光管和光敏元件之間設(shè)置遮光屏，無煙霧時(shí)光敏元件接收不到光信號(hào)，有煙霧時(shí)借助微粒的散射光使光敏元件發(fā)出電信號(hào)，如圖8-2所示。這種傳感器的靈敏度與煙霧種類無關(guān)。8.1.7煙霧傳感器29圖8-2散射式煙霧傳感器

圖8-2散射式煙霧傳感器302.離子式用放射性同位素镅Am241放射出微量的α射線，使附近空氣電離。當(dāng)平行平板電極間有直流電壓時(shí)，產(chǎn)生離子電流IK。有煙霧時(shí)，微粒將離子吸附，而且微粒本身也吸收α射線，其結(jié)果是離子電流IK減小。工作原理如圖8-3所示。2.離子式31μA+––+Am圖8-3離子式煙霧傳感器

圖8-3離子式煙霧傳感器328.2濕度傳感器8.2濕度傳感器338.2.1濕度傳感器特性濕度是指物質(zhì)中所含水蒸氣的量，目前的濕度傳感器多數(shù)是測量氣氛中的水蒸氣含量。通常用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度和露點(diǎn)（或露點(diǎn)溫度）來表示。1.絕對(duì)濕度絕對(duì)濕度是指單位體積的氣氛中含水蒸氣的質(zhì)量，其表達(dá)式為8.2.1濕度傳感器特性342.相對(duì)濕度（RH）相對(duì)濕度為待測氣氛中水汽分壓與相同溫度下水的飽和水汽壓的比值的百分?jǐn)?shù)。2.相對(duì)濕度（RH）353.露點(diǎn)在一定大氣壓下，將含水蒸氣的空氣冷卻，當(dāng)降到某溫度時(shí)，空氣中的水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)，開始從氣態(tài)變成液態(tài)而凝結(jié)成露珠，這種現(xiàn)象稱為結(jié)露。此時(shí)的溫度稱為露點(diǎn)或露點(diǎn)溫度。如果這一特定溫度低于0οC，水汽將凝結(jié)成霜。

3.露點(diǎn)36

濕度傳感器是由濕敏元件及轉(zhuǎn)換電路組成的，具有把環(huán)境濕度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的能力。其主要特性有以下幾點(diǎn)：(1)感濕特性感濕特性為濕度傳感器特征量（如：電阻值、電容值、頻率值等）隨濕度變化的關(guān)系。常用感濕特征量和相對(duì)濕度的關(guān)系曲線來表示，如圖8-4所示。濕度傳感器是由濕敏元件及轉(zhuǎn)換電路組成的，具有把環(huán)37圖8-4濕度傳感器的感濕特性圖8-4濕度傳感器的感濕特性38(2)濕度量程濕度量程為濕度傳感器技術(shù)規(guī)范規(guī)定的感濕范圍（RH值，相對(duì)濕度）。全量程為（0~100%）。(3)靈敏度靈敏度為濕度傳感器的感濕特征量（如：電阻、電容值等）隨環(huán)境濕度變化的程度，也是該傳感器感濕特性曲線的斜率。(2)濕度量程39(4)濕滯特性濕度傳感器在吸濕過程和脫濕過程中吸濕與脫濕曲線不重合，而是一個(gè)環(huán)形回線，這一特性就是濕滯特性，如圖8-5所示。(5)響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間為在一定環(huán)境溫度下，當(dāng)相對(duì)濕度發(fā)生躍變時(shí)，濕度傳感器的感濕特征量達(dá)到穩(wěn)定變化量的90%所需的時(shí)間。(4)濕滯特性40

圖8-5濕度傳感器的濕滯特性

圖8-5濕度傳感器的濕滯特性41(6)感濕溫度系數(shù)當(dāng)環(huán)境濕度恒定時(shí)，溫度每變化1οC，引起濕度傳感器感濕特征量的變化量。(7)老化特性濕度傳感器在一定溫度、濕度氣氛下存放一定時(shí)間后，其感濕特性將發(fā)生變化的特性。(6)感濕溫度系數(shù)428.2.2陶瓷型濕度傳感器陶瓷表面多孔性吸濕后，導(dǎo)電阻值將發(fā)生改變。陶瓷濕敏元件隨外界濕度變化而使電阻值變化的特性便是用來制造濕度傳感器的依據(jù)。8.2.2陶瓷型濕度傳感器431.MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器是一種典型的多孔陶瓷濕度測量器件。具有靈敏度高、響應(yīng)特性好、測濕范圍寬和高溫清洗后性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，目前已商品化。結(jié)構(gòu)如圖8-6所示。1.MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器44圖8-6MgCr2O4—TiO2濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖8-6MgCr2O4—TiO2濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖452.ZrO2系厚膜型濕度傳感器

ZrO2系厚膜型濕度傳感器的感濕層是用一種多孔ZrO2系厚膜材料制成的，它可用堿金屬調(diào)節(jié)阻值的大小并提高其長期穩(wěn)定性。其結(jié)構(gòu)如圖8-7所示。2.ZrO2系厚膜型濕度傳感器46

圖8-7ZrO2濕度傳感器的結(jié)構(gòu)圖1-印制的ZrO2感濕層（厚為幾十微米）；2-由多孔高分子膜制成的防塵過濾膜；3-用絲網(wǎng)印刷法印制的Au梳狀電極;4-瓷襯底；5-電極引線圖8-7ZrO2濕度傳感器478.2.3有機(jī)高分子濕度傳感器1.高分子電阻式濕度傳感器水吸附在有極性基的高分子膜上，在低濕下，因吸附量少，不能產(chǎn)生荷電離子，所以電阻值較高。相對(duì)濕度增加時(shí)，吸附量也增加，集團(tuán)化的吸附水就成為導(dǎo)電通道，正負(fù)離子對(duì)起到載流子作用，電阻值下降。稱為電阻式高分子濕度傳感器。8.2.3有機(jī)高分子濕度傳感器482.高分子電容式濕度傳感器高分子材料吸水后，介電常數(shù)變化，引起電容的變化。當(dāng)含水量以水分子形式被吸附在高分子介質(zhì)膜中時(shí)，由于高分子介質(zhì)的介電常數(shù)（3~6）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水的介電常數(shù)（81），所以介質(zhì)中水的成分對(duì)總介電常數(shù)的影響比較大。使元件對(duì)濕度有較好的敏感性能。高分子電容式濕度傳感器如圖8-8所示。2.高分子電容式濕度傳感器4953412

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圖8-8高分子電容式濕度傳感器的結(jié)構(gòu)

1-微晶玻璃襯底；2-下電極；3-敏感膜；4-多孔浮置電極；5-引線圖8-8高分503.結(jié)露傳感器利用了摻入碳粉的有機(jī)高分子材料吸濕后的膨潤現(xiàn)象。在高濕下，高分子材料的膨脹引起其中所含碳粉間距變化而產(chǎn)生電阻突變。利用這種現(xiàn)象可制成具有開關(guān)特性的濕度傳感器。其特性如圖8-9所示。3.結(jié)露傳感器51020406080100100101102103104

電阻值KΩ相對(duì)靈敏度%RH圖8-9結(jié)露傳感器的特性曲線

020528.2.4半導(dǎo)體型濕度傳感器硅MOS型Al2Ｏ3濕度傳感器是在Si單晶上制成MOS晶體管。其柵極是用熱氧化法生長厚度為80nm的SiＯ2膜，在此SiＯ2膜上用蒸發(fā)及陽極化方法制得多孔Al2Ｏ3膜，然后再蒸鍍上多孔金（Au）膜而制成。響應(yīng)速度快、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高低溫沖擊。其結(jié)構(gòu)如圖8-10所示。8.2.4半導(dǎo)體型濕度傳感器53SiO2AlAlAl2O3AuSi圖8-10MOS型Al2O3濕度傳感器的結(jié)構(gòu)

圖8-10MOS型Al2O3濕度傳感器的結(jié)構(gòu)548.2.5含水量檢測通常將空氣或其它氣體中的水分含量稱為“濕度”，將固體物質(zhì)中的水分含量稱為“含水量”。1.稱重法將被測物質(zhì)烘干前后的重量GH和GD測出，含水量的百分?jǐn)?shù)便是：8.2.5含水量檢測552.電導(dǎo)法固體物質(zhì)吸收水分后電阻變小，用測定電阻率或電導(dǎo)率的方法便可判斷含水量。3.電容法水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于一般干燥固體物質(zhì)，因此用電容法測物質(zhì)的介電常數(shù)從而測含水量相當(dāng)靈敏，造紙廠的紙張含水量便可用電容法測量。2.電導(dǎo)法564.紅外吸收法水分對(duì)波長為1.94μm的紅外射線吸收較強(qiáng)，并且可用幾乎不被水分吸收的1.81μm波長作為參比。由上述兩種波長的濾光片對(duì)紅外光進(jìn)行輪流切換，根據(jù)被測物對(duì)這兩種波長的能量吸收的比值便可判斷含水量。4.紅外吸收法575.微波吸收法水分對(duì)波長為1.36cm附近的微波有顯著吸收現(xiàn)象，而植物纖維對(duì)此波段的吸收要比水小幾十倍。利用這一原理可構(gòu)成測木材、煙草、糧食、紙張等物質(zhì)中含水量的儀表。5.微波吸收法588.3柔性傳感器

柔性傳感器是指采用柔性材料制成的傳感器，具有良好的柔韌性、延展性，甚至可以自由彎曲、折疊。

柔性傳感器結(jié)構(gòu)如圖8-11所示，由柔性基體、電極、薄膜敏感材料及信號(hào)引出導(dǎo)線組成。

柔性基體由柔性材料做成。8.3柔性傳感器59

圖8-11柔性傳感器結(jié)構(gòu)a)結(jié)構(gòu)組成正視圖b)A-A剖面圖圖8-11柔性傳感器結(jié)構(gòu)60

常見的柔性材料有聚乙烯醇（PVA）、聚酯（PET）、聚酰亞胺（PI）、聚萘二甲酯乙二醇酯（PEN）、紙片、紡織面料等。

常用的是聚酯、聚酰亞胺、聚萘二甲酯乙二醇酯三種。

柔性傳感器的電極有金屬電極、導(dǎo)電氧化物電極、納米復(fù)合電極等類型，用化學(xué)電鍍法、真空蒸鍍法、磁控濺射法等固定在柔性基底上。

柔性傳感器敏感材料通常以薄膜的形式覆蓋在電極上。常見的柔性材料有聚乙烯醇（PVA）、聚酯（PE61

柔性氣體傳感器是在電極表面覆蓋有對(duì)氣體敏感性高、制作工藝簡便的薄膜材料，能很好地滿足特殊環(huán)境下氣體傳感器的便攜帶、易安置、低功耗的需求，可對(duì)HN3、NO2、乙醇?xì)怏w等進(jìn)行簡單精確的檢測。

其中柔性乙醇?xì)怏w傳感器以聚酰亞胺做柔性基體，真空電子蒸鍍制作金屬電極，以SnO2－PDDAC（聚二甲基二烯丙基氯化銨）作為敏感材料。柔性氣體傳感器是在電極表面覆蓋有對(duì)氣體敏感性高62

柔性濕度傳感器有電阻式和電容式兩大類。

濕敏電阻器是在柔性基片和電極上覆蓋一層用感濕材料制成的膜。當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)，濕敏電阻器的電阻值發(fā)生變化。

濕敏電容器是在柔性基片和電極上覆蓋用高分子薄膜制成的敏感膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在高分子薄膜上時(shí)，濕敏電容器的電容值發(fā)生變化。柔性濕度傳感器有電阻式和電容式兩大類。638.4氣體和濕度傳感器的應(yīng)用8.4氣體和濕度傳感器的應(yīng)用648.4.1簡單家用氣體報(bào)警器如圖8-12所示是一種最簡單的家用氣體報(bào)警器電路。采用直熱式氣敏器件TGS109作氣體傳感器。當(dāng)室內(nèi)可燃?xì)怏w增加時(shí)，由于氣敏器件接觸到可燃?xì)怏w而其阻值降低，使流經(jīng)測試回路的電流增加，可直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。8.4.1簡單家用氣體報(bào)警器65圖8-12簡易家用氣體報(bào)警器電路圖圖8-12簡易家用氣體報(bào)警器電路圖66

設(shè)計(jì)報(bào)警器時(shí)，重要的是如何確定開始報(bào)警的氣體濃度。一般情況下，對(duì)于丙烷、丁烷、甲烷等氣體，都選定在爆炸下限的十分之一。設(shè)計(jì)報(bào)警器時(shí)，重要的是如何確定開始報(bào)警的氣體濃度678.4.2煤氣泄露報(bào)警器

由于氣敏傳感器的線性一般較差，檢測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，但用于開關(guān)工作狀態(tài)比較好用。因而氣體檢測的目的也多用于報(bào)警與控制。

煤氣泄露報(bào)警器電路如圖8-13所示。MQK－2為氣敏傳感器，當(dāng)檢測到煙霧或可燃?xì)怏w時(shí)，其A極和B極之間電阻減小，集成電路IC1的2腳電位下降。8.4.2煤氣泄露報(bào)警器68圖8-13煤氣泄露報(bào)警器電路圖8-13煤氣泄露報(bào)警器電路69

當(dāng)煙霧或可燃?xì)怏w濃度較大，該點(diǎn)電位下降到低于IC1的8腳所加工作電壓的三分之一時(shí)，IC1的3腳輸出高電平。

該高電平經(jīng)穩(wěn)壓二極管VD1穩(wěn)壓為4.2V，加到語音信號(hào)發(fā)生器IC2和經(jīng)LED1、R2加到晶體管VT1，為IC2和VT1提供電源。

IC2得電工作后，輸出語音報(bào)警信號(hào)，經(jīng)VT1放大，由C4耦合送IC3功率放大，驅(qū)動(dòng)BL揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲音，同時(shí)點(diǎn)亮發(fā)光二極管LED2

。當(dāng)煙霧或可燃?xì)怏w濃度較大，該點(diǎn)電位下降到低于I708.4.3二氧化碳傳感器

二氧化碳有半導(dǎo)體、熱傳導(dǎo)、電化學(xué)和紅外線等檢測方式。

TGS4160二氧化碳傳感器采用固態(tài)電化學(xué)型氣體敏感元件，為FIGARO（費(fèi)加羅）公司生產(chǎn)，具有體積小、壽命長、選擇性和穩(wěn)定性好、耐高濕和低溫等特點(diǎn)，廣泛用于自動(dòng)通風(fēng)換氣系統(tǒng)和二氧化碳?xì)怏w長期檢測等場合。

二氧化碳傳感器如圖8-14所示。8.4.3二氧化碳傳感器71圖8-14二氧化碳傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖8-14二氧化碳傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)721、6端接5V直流加熱電壓，2、5端熱敏電阻接溫度補(bǔ)償，3、4端輸出二氧化碳檢測電壓。

檢測電壓經(jīng)運(yùn)算放大器AD627A放大，輸出為0～幾百毫伏，再由可編程低功耗運(yùn)算放大器LTC271放大，輸出送檢測顯示，或驅(qū)動(dòng)自動(dòng)通風(fēng)換氣系統(tǒng)。

熱敏電阻Rt阻值用于調(diào)節(jié)LTC271放大量，進(jìn)行溫度補(bǔ)償。1、6端接5V直流加熱電壓，2、5端熱敏電阻738.4.4氣體濃度檢測電路

圖8-15所示為用M008設(shè)計(jì)的氣體濃度檢測電路。

+12V電源由H、H1端輸入，給M008加熱，A、B間的電阻值隨氣體濃度的增大而減小，電位器RP2活動(dòng)臂的電壓則隨氣體濃度的增大而增大。

A1～A4構(gòu)成4個(gè)電壓比較器，其反相輸入端連在一起，與RP2活動(dòng)臂相連。8.4.4氣體濃度檢測電路74圖8-15

氣體濃度檢測電路圖8-15氣體濃度檢測電路75

＋12V電源經(jīng)R1～R5分壓后，分別給A1～A4的同相輸入端輸入0.86V、1.71V、2.57V、3.43V電壓。

若RP2活動(dòng)臂電壓高于0.86V，A1輸出低電平，發(fā)光二極管VL4點(diǎn)亮。

氣體濃度越高，RP2活動(dòng)臂電壓越高，點(diǎn)亮發(fā)光二極管越多。

由點(diǎn)亮發(fā)光二極管的只數(shù)，可以判別氣體濃度的4個(gè)等級(jí)。＋12V電源經(jīng)R1～R5分壓后，分別給A1～768.4.5空氣濕度檢測電路

圖8-16所示808H5V5為濕度傳感器集成電路，內(nèi)部包括濕度傳感器和信號(hào)放大電路，工作電源電壓為＋5V，可檢測濕度范圍為0～100％，相應(yīng)輸出電壓為0.8～3.9V。808H5V5可安放于需檢測濕度的位置，輸出信號(hào)電壓用引線引出，可直接驅(qū)動(dòng)電壓表指針指示，也可以經(jīng)ICL7106顯示驅(qū)動(dòng)集成電路A／D轉(zhuǎn)換后，驅(qū)動(dòng)液晶顯示器顯示。8.4.5空氣濕度檢測電路77圖8-16空氣濕度檢測電路圖8-16空氣濕度檢測電路78單電源使用時(shí)，ICL7106的1腳接正電源，21腳接地，雙電源使用時(shí)，ICL7106的1腳接正電源，21腳接負(fù)電源。單電源使用時(shí)，ICL7106的1腳接正電源，21腳接地，雙電79

8.4.6結(jié)露報(bào)警電路

結(jié)露報(bào)警電路如圖8-17所示，圖中HOS103為結(jié)露傳感器。

在低濕時(shí)，結(jié)露傳感器的電阻值為2kΩ左右，VT1基極電壓低于0.6V而截止，VT2基極電壓為＋5V，發(fā)射結(jié)無偏置電壓而截止，結(jié)露指示LED發(fā)光二極管不亮。8.4.6結(jié)露報(bào)警電路80圖8-17結(jié)露報(bào)警輸出電路圖8-17結(jié)露報(bào)警輸出電路81

在結(jié)露時(shí)，結(jié)露傳感器的電阻值大于50kΩ，VT1基極