傳感器技術(shù)與應(yīng)用 第5版 課件 第7、8章 位移傳感器、氣體和濕度傳感器

第7章位移傳感器

7.1機械位移傳感器

7.2光柵位移傳感器

7.3磁柵位移傳感器

7.4熱釋電式自動門開關(guān)電路

7.5磁電式轉(zhuǎn)速傳感器

7.6

導(dǎo)電式液位傳感器

7.7

流量及流速傳感器

7.8降雨量測量

7.9實訓(xùn)7.1機械位移傳感器機械位移傳感器用來測量位移、距離、位置、尺寸、角度、角位移等幾何學(xué)量。根據(jù)傳感器的信號輸出形式，可以分為模擬式和數(shù)字式兩大類，如圖7-1所示。根據(jù)被測物體的運動形式可細分為線性位移傳感器和角位移傳感器。機械位移傳感器是應(yīng)用最多的傳感器之一，品種繁多。機械位移傳感器數(shù)字式模擬式光柵式磁柵式電位器式電阻應(yīng)變式電容式螺旋管電感式差動變壓器式渦流式光電式霍爾器件式微波式超聲波式圖7.1機械位移傳感器的分類7.1.1電位器式機械位移傳感器1.電位器的基本概念圖7-2是電位器的結(jié)構(gòu)圖。由電阻體、電刷、轉(zhuǎn)軸、滑動臂、焊片等組成，電阻體的兩端和焊片A、C相連，因此AC端的電阻值就是電阻體的總阻值。轉(zhuǎn)軸和滑動臂相連，在滑動臂的一端裝有電刷，靠滑動臂的彈性壓在電阻體上并與之緊密接觸，滑動臂的另一端與焊片B相連。圖7-2電位器的一般結(jié)構(gòu)

圖7-3是電位器電路圖。電位器轉(zhuǎn)軸上的電刷將電阻體電阻R0分為R12和R23兩部分，輸出電壓為U12。改變電刷的接觸位置，電阻R12亦隨之改變，

輸出電壓U12也隨之變化。圖7-3電位器電路常見用于傳感器的電位器有：線繞式電位器、合成膜電位器、金屬膜電位器、導(dǎo)電塑料電位器、導(dǎo)電玻璃釉電位器、光電電位器。2.電位器的主要技術(shù)參數(shù)(1)最大阻值和最小阻值，指電位器阻值變化能達到的最大值和最小值；(2)電阻值變化規(guī)律，指電位器阻值變化的規(guī)律，例如對數(shù)式、指數(shù)式、直線式等；(3)線性電位器的線性度，指阻值直線式變化的電位器的非線性誤差；(4)滑動噪聲，指調(diào)電位器阻值時，滑動接觸點打火產(chǎn)生的噪聲電壓的大小。7.1.2電容式位移傳感器將機械位移量轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器稱為電容式位移傳感器。變極距式電容傳感器可進行線位移的測量，變面積式電容傳感器可進行角位移的測量。圖7-4是變極距式電容傳感器用于軋制板材厚度自動控制的工作原理圖。圖7-4自動控制軋制板材設(shè)備

在被軋制板材的上、下兩側(cè)各置一塊面積相等、與板材距離相等的金屬極板，極板與板材形成兩個電容器C1、C2。兩塊極板連接為一個電極，板材為另一個電極，則總電容為兩個電容器并聯(lián)，CX＝C1＋C2?？傠娙軨X和調(diào)節(jié)電容C0、變壓器次級L1、L2構(gòu)成交流電橋。

電橋輸出信號為

當(dāng)軋制板材的厚度為要求值時，交流電橋平衡，無輸出信號。

當(dāng)被軋制板材的厚度相對于要求值發(fā)生變化時，則CX變化。若CX增大，表明板材厚度變厚，若CX減小，表明板材變薄。電橋失去平衡，輸出和CX變化成比例的信號。計算后顯示變化的板材厚度。該變化信號送到壓力調(diào)節(jié)設(shè)備，調(diào)節(jié)軋輥，使軋制的板材的厚度向要求值變化。

鐵芯隨被測物體一起移動，導(dǎo)致線圈電感量發(fā)生變化。其檢測位移量可從數(shù)毫米到數(shù)百毫米。缺點是靈敏度低。

7.1.4差動變壓器式機械位移傳感器如圖7-6所示。初級線圈L1加交流勵磁電壓Uin，次級線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。由于兩個次級線圈相反極性串接，所以兩個次級線圈中的感應(yīng)電壓UOUT1和UOUT2的相位相反，當(dāng)鐵芯處于中心對稱位置時，則UOUT1=UOUT2，所以UOUT=0。當(dāng)鐵芯向兩端位移時，UOUT1大于或小于UOUT2，使UOUT不等于零，其值與鐵芯的位移成正比。圖7-6差動變壓器結(jié)構(gòu)原理圖7.2光柵位移傳感器7.2.1莫爾條紋由大量等寬等間距的平行狹縫組成的光學(xué)器件稱為光柵，如圖7-7所示。用玻璃制成的光柵稱為透射光柵，它是在透明玻璃上刻出大量等寬等間距的平行刻痕，每條刻痕處是不透光的，而兩刻痕之間是透光的。圖7-7光柵結(jié)構(gòu)放大圖

光柵的刻痕密度一般為每厘米10、25、50、100線?？毯壑g的距離為柵距W。如果把兩塊柵距W相等的光柵面平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角θ時，這時光柵上會出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋。圖7-8莫爾條紋

莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶，它由一系列四棱形圖案組成，如圖7-8中d－d線區(qū)所示。圖7-8中f－f線區(qū)則是由于光柵的遮光效應(yīng)形成的。莫爾條紋有兩個重要的特性：(1)當(dāng)指示光柵不動，主光柵左右平移時，莫爾條紋將沿著指示柵線的方向上下移動。查看莫爾條紋的上下移動方向，即可確定主光柵左右移動方向。(2)莫爾條紋有位移的放大作用。當(dāng)主光柵沿與刻線垂直方向移動一個柵距W時，莫爾條紋移動一個條紋間距B。當(dāng)兩個等距光柵的柵間夾角θ較小時，主光柵移動一個柵距W，莫爾條紋移動KW距離，K為莫爾條紋的放大系數(shù)：當(dāng)θ角較小時，例如θ=30′，則K=115，表明莫爾條紋的放大倍數(shù)相當(dāng)大。

這樣，可把肉眼看不見的光柵位移變成為清晰可見的莫爾條紋移動，可以用測量條紋的移動來檢測光柵的位移。

可以實現(xiàn)高靈敏的位移測量。條紋間距與柵距的關(guān)系為：7.2.2光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理如圖7-9所示，由主光柵、指示光柵、光源和光電器件等組成。主光柵和被測物體相連，它隨被測物體的直線位移而產(chǎn)生移動。當(dāng)主光柵產(chǎn)生位移時，莫爾條紋便隨著產(chǎn)生位移。用光電器件記錄莫爾條紋通過某點的數(shù)目，便可知主光柵移動的距離，也就測得了被測物體的位移量。圖7-9光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖

7.2.3光柵位移傳感器的應(yīng)用測量精度高（分辨率為0.1μm），動態(tài)測量范圍廣（0～1000mm），可進行無接觸測量，容易實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化和數(shù)字化。廣泛應(yīng)用于量具、數(shù)控機床的閉環(huán)反饋控制、工作母機的坐標(biāo)測量等方面。7.3磁柵位移傳感器磁柵是一種有磁化信息的標(biāo)尺。它是在非磁性體的平整表面上鍍一層約0.02mm厚的Ni-Co-P磁性薄膜。并用錄音磁頭沿長度方向按一定的激光波長λ錄上磁性刻度線而構(gòu)成的。因此又把磁柵稱為磁尺。磁柵錄制后的磁化結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個個小磁鐵按NS、SN、NS……的狀態(tài)排列起來，如圖7-10所示。磁柵的種類可分為單型直線磁柵、同軸型直線磁柵和旋轉(zhuǎn)型磁柵等。磁柵主要用于大型機床和精密機床作為位置或位移量的檢測元件。圖7-10磁柵的基本結(jié)構(gòu)

磁柵和其它類型的位移傳感器相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、動態(tài)范圍大（1～20m）和磁信號可以重新錄制等優(yōu)點。缺點是需要屏蔽和防塵。磁柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)如圖7-11所示。它由磁尺（磁柵）、磁頭和檢測電路組成。圖7-11磁柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)磁尺與磁頭之間產(chǎn)生相對位移時，磁頭的鐵芯使磁尺的磁通有效地通過輸出繞組，在繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。該電壓隨磁尺磁場強度周期的變化而變化，從而將位移量轉(zhuǎn)換成電信號輸出。圖7-12為磁信號與輸出信號波形圖。磁頭輸出信號經(jīng)檢測電路轉(zhuǎn)換成電脈沖信號并以數(shù)字形式顯示出來。圖7-12磁信號與磁頭輸出信號波形圖

7.4熱釋電式自動門開關(guān)電路如圖7-13所示。圖中兩個熱釋電型紅外傳感器RD622，一個安裝在門外，一個安裝在門內(nèi)。

熱釋電型紅外傳感器接收到進門或出門的人身體放射的紅外線，輸出高電平脈沖，經(jīng)晶體管VT反相后，以低電平加到IC1的2腳，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。這時IC1的3腳輸出為高電平。圖7-13熱釋電式自動門開關(guān)電路高電平使雙觸點繼電器KM的常開觸點KM1閉合接通電源，電動機正向運轉(zhuǎn)。

電動機同步皮帶帶動吊具系統(tǒng)，使門扇開啟。SQ1為限位開關(guān)，開門到位后斷開電源，電動機停止運轉(zhuǎn)。人走過后，熱釋電型紅外傳感器輸出的高電平消失，VT截止。IC1的2腳變?yōu)楦唠娖健?/p>

其6腳經(jīng)內(nèi)電路的短路狀態(tài)釋放，C4通過電位器RP和電阻R4充電。

當(dāng)C4上的電位上升到IC1翻轉(zhuǎn)的閾值電壓時，單穩(wěn)態(tài)電路復(fù)位到穩(wěn)態(tài)，IC1的3腳輸出為低電平。低電平使雙觸點繼電器KM的常開觸點KM1斷開，常閉觸點KM2閉合接通電源，電動機反向運轉(zhuǎn)。

電動機同步皮帶帶動吊具系統(tǒng)，使門扇關(guān)閉。SQ2為限位開關(guān)，關(guān)門到位后斷開電源，電動機停止運轉(zhuǎn)。改變RP電阻值以調(diào)節(jié)門維持開啟狀態(tài)的時間長短7.5磁電式轉(zhuǎn)速傳感器如圖7-14所示，由永久磁鐵、感應(yīng)線圈、磁盤等組成。在磁盤上加工有齒形凸起，磁盤裝在被測轉(zhuǎn)軸上，與轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)。圖7-14磁電式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，磁盤的凸凹齒形將引起磁盤與永久磁鐵間氣隙大小的變化，

從而使永久磁鐵組成的磁路中磁通量隨之發(fā)生變化。感應(yīng)線圈感應(yīng)脈沖電勢，其頻率為f=Z·n

根據(jù)測定的脈沖頻率，可得知被測物體的轉(zhuǎn)速。如果配接數(shù)字電路，組成數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量儀，可直接讀出被測物體的轉(zhuǎn)速。

被測轉(zhuǎn)速很低時，輸出脈沖電勢的幅值很小，以致無法測量出來。所以，這種傳感器不適合測量過低的轉(zhuǎn)速，其測量轉(zhuǎn)速下限一般為50轉(zhuǎn)/秒左右，上限可達數(shù)百千轉(zhuǎn)/秒。

7.6導(dǎo)電式液位傳感器液位傳感器按測定原理可分為：浮子式液位傳感器、平衡浮筒式液位傳感器、壓差式液位傳感器、電容式液位傳感器、導(dǎo)電式液位傳感器、超聲波式液位傳感器、放射線式液位傳感器。

圖7-15是一種實用的導(dǎo)電式水位檢測器的電路原理圖。電路主要由兩個運算放大器組成，IC1a運算放大器及外圍元件組成方波發(fā)生器，通過電容器C1與檢知電極相接。

IC1b運算放大器與外圍元件組成比較器，以識別儀表水位的電信號狀態(tài)。采用發(fā)光二極管作為水位的指示。圖7-15導(dǎo)電式水位檢測器電路原理圖

導(dǎo)電式水位傳感器，在日常工作和生活中應(yīng)用很廣泛，抽水及儲水設(shè)備、工業(yè)水箱、汽車水箱等方面均被采用。7.7流量及流速傳感器流量及流速傳感器的種類有：電磁式流量傳感器、渦流式流量傳感器、超聲波式流量傳感器、熱導(dǎo)式流速傳感器、激光式流速傳感器、光纖式流速傳感器、浮子式流量傳感器、渦輪式流量傳感器、空間濾波器式流量傳感器。7.7.1電磁式流量傳感器如圖7-16所示，在勵磁線圈加上勵磁電壓后，絕緣導(dǎo)管便處于磁力線密度為B的均勻磁場中，當(dāng)導(dǎo)電性液體流經(jīng)絕緣導(dǎo)管時，電極上便會產(chǎn)生電動勢：圖7-16電磁式流量計工作原理圖1-鐵芯2-電極3-絕緣導(dǎo)管4-勵磁線圈5-液體

管道內(nèi)液體流動的容積流量與電動勢的關(guān)系為可以通過對電動勢的測定，求出容積流量。電磁式流量計測量范圍寬，從0.005～190000m3／h，測量精度高，可達±0.5％。

可以廣泛應(yīng)用于自來水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、海水、污水、污泥及化學(xué)藥水、液體食品和礦漿等流量的檢測。7.7.2渦輪式流速傳感器渦輪式流速傳感器是利用放在流體中的葉輪的轉(zhuǎn)速進行流量測試的一種傳感器。葉輪轉(zhuǎn)速的測量如圖7-17所示。圖7-17渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)原理圖葉輪的葉片可以用導(dǎo)磁材料制作，由永久磁鐵、鐵芯及線圈與葉片形成磁路。當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時，磁阻將發(fā)生周期性的變化，從而使線圈中感應(yīng)出脈沖電壓信號。該信號經(jīng)放大、整形后輸出，作為供檢測轉(zhuǎn)速用的脈沖信號。7.8降雨量測量同軸圓柱型電容傳感器作為感應(yīng)器件，通過二極管雙T型電路，將降雨量轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，可用于氣象、水文、環(huán)境等領(lǐng)域測量降雨量。同軸圓柱型電容傳感器結(jié)構(gòu)如圖7-18所示。在忽略邊緣效應(yīng)情況下，有降雨的電容器容量為（7-8）（7-9）沒有降雨的電容器容量為圖7-18同軸圓柱型電容傳感器結(jié)構(gòu)降雨量測量二極管雙T型電路如圖7-19所示。

圖中，C1和C2為兩個相同的同軸圓柱型電容傳感器，C1放置于室外接收雨水，C2密封不接收雨水作為參照，

二極管VD1和VD2特性相同，R1和R1電阻值相等，電源Ui輸出正、負脈沖電壓，占空比為50％。圖7-19同軸圓柱型電容傳感器測量降雨電路電源輸出正脈沖時，通過二極管VD1給C1充電，電源輸出負脈沖時，VD1截止，C1通過電阻R1和RL放電。

電源輸出負脈沖時，通過二極管VD2給C2充電，電源輸出正脈沖時，VD2截止，C2通過電阻R2和RL放電。無降雨時C1和C2容量相等，充放電電流相等，負載電阻RL輸出電壓Uo為0。有降雨時C1電容量增大，充放電電流增大，C2電容量不變，充放電電流不變。負載電阻RL輸出電壓為正值，大小與降雨量成正比。RL輸出電壓U0為式中，f為正負脈沖頻率；M為比例系數(shù)，與電路中的二極管特性及電阻R、RL有關(guān)，可由計算或?qū)嶒灚@得。由Uo值可計算出C1值，從而計算出降雨量hx。7.9實訓(xùn)7.9.1燈光照射測轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速

熒光燈的閃動頻率為f1=50Hz／S，燈光照射到轉(zhuǎn)盤上，將會產(chǎn)生反射。

在轉(zhuǎn)盤的圓周均勻畫上m個長方形的格子，轉(zhuǎn)動時，若能穩(wěn)定看清楚格子，則轉(zhuǎn)速為熒光燈閃動頻率的某一比例數(shù)。

mV=nf1

例如，

m取5，估計手轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤的速度不會太快，可以估計n只能等于1。由上式可以計算出轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動速度V為10轉(zhuǎn)／秒。

作為精確測量，方法是慢慢增加熒光燈閃動頻率（用變頻率電源）到再一次看清楚格子。這時，

mV=(n-1)f2

根據(jù)改變熒光燈閃動頻率看清楚格子的兩個公式，可以聯(lián)立計算得到，

mV=f2f1/(f2-f1)

由此可以計算轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動速度為：V=f2f1/((f2-f1)m)7.9.2太陽能熱水器水位報警器的裝調(diào)電路如圖7-20所示。裝調(diào)該太陽能熱水器水位報警器電路,進行水位報警實驗，過程如下：(1)準備電路板、晶體管、電極、報警器等元器件,認識元器件；(2)裝配水位報警器電路；(3)將三個探知電極安置于水盆的不同水位高度，接通水位報警器電路，給水盆中慢慢加水；(4)在正常水位、缺水水位、超高水位對電路的報警效果進行電路調(diào)整；(5)進行正常水位、缺水水位、超高水位時電路的報警實驗；(6)實驗過程和結(jié)果記錄。圖7-20太陽能熱水器水位報警器第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實訓(xùn)

8.1氣體傳感器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)換為電信號的器件。提供有關(guān)待測氣體的存在及濃度大小的信息。

主要檢測對象和應(yīng)用場所見表8-1。表8-1氣敏傳感器主要檢測對象及其應(yīng)用場所分類檢測對象氣體應(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，鍋爐內(nèi)燃機、冶煉廠電子灶其它災(zāi)害煙霧，司機呼出酒精火災(zāi)預(yù)報，事故預(yù)報氣體傳感器的性能必須滿足下列條件：（1）能夠檢測并能及時給出報警、顯示與控制信號；（2）對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）動態(tài)特性好、響應(yīng)迅速；（5）使用、維護方便，價格便宜。8.1.1半導(dǎo)體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。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1.表面控制型氣體傳感器平常器件工作在空氣中，

空氣中的O2和NO2，接受來自N型半導(dǎo)體材料敏感膜的電子吸附。

表現(xiàn)為N型半導(dǎo)體材料敏感膜的表面?zhèn)鲗?dǎo)電子數(shù)減少，表面電導(dǎo)率減小，器件處于高阻狀態(tài)。一旦器件與被測氣體接觸，

就會與吸附的氧起反應(yīng)，將被氧束縛的電子釋放出來，

使敏感膜表面電導(dǎo)率增大，器件電阻減少。

目前常用的材料為氧化錫和氧化鋅等較難還原的氧化物，也有研究用有機半導(dǎo)體材料的。在這類傳感器中一般均參有少量貴金屬（如Pt等）作為激活劑。這類器件目前已商品化的有SnO2、ZnO等氣體傳感器。2.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。例如利用SnO2氣敏器件可設(shè)計酒精探測器，

當(dāng)酒精氣體被檢測到時，氣敏器件電阻值降低，測量回路有信號輸出，提供給電表顯示或指示燈發(fā)亮。氣敏器件工作時要提供加熱電源。3.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)生性質(zhì)變化而制成。場效應(yīng)管FET型氣體傳感器是根據(jù)柵壓域值的變化來檢測未知氣體。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。8.1.2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。8.1.3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。使用時對金屬線圈通以電流，使之保持在300~600οC的高溫狀態(tài)，同時將元件接入電橋電路中的一個橋臂。一旦有可燃性氣體與傳感器表面接觸，燃燒熱量進一步使金屬絲升溫，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。8.1.4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和外界達到平衡。以被測氣體為CO2為例，在電解液中達到如下化學(xué)平衡：

CO2+H2O=H++HCO3―

根據(jù)pH值就能知道CO2

的濃度。2.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）組成一個加伐尼電池。當(dāng)被測氣體通過聚四氟乙烯隔膜擴散到達負極表面時，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。3.定位電解法氣體傳感器由工作電極、輔助電極及參比電極以及聚四氟乙烯制成的透氣隔離膜組成，在電極間充以電解液。

圖8-1所示為定位電解法氣體傳感器氣體濃度測試電路，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入電解液到達工作電極（W）表面，工作電極表面發(fā)生氧化反應(yīng)：CO＋H2O→CO2＋2H＋＋2e－

圖8-1定位電解法一氧化碳氣體濃度測試電路

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。電子使工作電極產(chǎn)生負電壓，電子由外電路向輔助電極（C）流動。

氫離子在電解液中向輔助電極流動，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)，產(chǎn)生的電子使參比電極產(chǎn)生負電壓，該電壓由運算放大器IC2組成的積分電路積分，積分輸出電壓加在工作電極和輔助電極之間，以保持工作電極電壓穩(wěn)定，不隨電子流出而下降。

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，由運算放大器IC1放大輸出，可知一氧化碳濃度。8.1.5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片上，以提高器件的性能；另一類是把多個具有選擇性的元件，用厚膜或薄膜的方法制在一個基片上。用微機處理和信號識別的方法對被測氣體進行有選擇性的測定，這樣既可以對氣體進行識別又可以提高檢測靈敏度。8.1.6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，無煙霧時光敏元件接收不到光信號，有煙霧時借助微粒的散射光使光敏元件發(fā)出電信號，如圖8-2所示。這種傳感器的靈敏度與煙霧種類無關(guān)。圖8-2散射式煙霧傳感器

2.離子式如圖8-3所示，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，產(chǎn)生離子電流IK。有煙霧時，微粒將離子吸附，而且離子本身也吸收α射線，其結(jié)果是離子電流IK減小。μA+––+Am圖8-3離子式煙霧傳感器

8.2濕度傳感器8.2.1概述濕度是指物質(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。通常用絕對濕度、相對濕度和露點（或露點溫度）來表示。1.絕對濕度絕對濕度是指單位體積的氣氛中含水蒸氣的質(zhì)量，其表達式為2.相對濕度（RH）相對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數(shù)。3.露點在一定大氣壓下，將含水蒸氣的空氣冷卻，當(dāng)降到某溫度時，空氣中的水蒸氣達到飽和狀態(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。此時的溫度稱為露點或露點溫度。如果這一特定溫度低于0οC，水汽將凝結(jié)成霜。

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)殡娦盘柕哪芰?。其主要特性有以下幾點：(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濕度的關(guān)系曲線來表示，如圖8-4所示。圖8-4濕度傳感器的感濕特性(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。(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)時間響應(yīng)時間為在一定環(huán)境溫度下，當(dāng)相對濕度發(fā)生躍變時，濕度傳感器的感濕特征量達到穩(wěn)定變化量的90%所需的時間。

圖8-5濕度傳感器的濕滯特性

(6)感濕溫度系數(shù)當(dāng)環(huán)境濕度恒定時，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間后，其感濕特性將發(fā)生變化的特性。(8)感濕特征量應(yīng)在易測范圍以內(nèi)8.2.2陶瓷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)。1.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，目前已商品化。

結(jié)構(gòu)如圖8-6所示。圖8-6MgCr2O4—TiO2濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2.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。

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8.2.3有機高分子濕度傳感器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。相對濕度增加時，吸附量也增加，集團化的吸附水就成為導(dǎo)電通道，正負離子對起到載流子作用，電阻值下降。稱為電阻式高分子濕度傳感器。2.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，由于高分子介質(zhì)的介電常數(shù)（3~6）遠遠小于水的介電常數(shù)（81），所以介質(zhì)中水的成分對總介電常數(shù)的影響比較大。使元件對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。53412

4

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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3.結(jié)露傳感器利用了摻入碳粉的有機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。020406080100100101102103104

電阻值KΩ相對靈敏度%RH圖8-9結(jié)露傳感器的特性曲線

8.2.4半導(dǎo)體濕度傳感器硅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。SiO2

AlAl

Al2O3AuSi圖8-10MOS型Al2O3濕度傳感器的結(jié)構(gòu)

8.2.5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，含水量的百分數(shù)便是：2.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。4.紅外吸收法水分對波長為1.94μm的紅外射線吸收較強，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紅外光進行輪流切換，根據(jù)被測物對這兩種波長的能量吸收的比值便可判斷含水量。5.微波吸收法水分對波長為1.36cm附近的微波有顯著吸收現(xiàn)象，而植物纖維對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。8.3氣體、濕度傳感器的應(yīng)用8.3.1煤氣濃度檢測電路M008是可以檢測多種可燃、有毒氣體的氣敏傳感器。

圖8-11所示為用M008設(shè)計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