第7章 環(huán)境量檢測(cè)傳感器

目錄第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)第2章溫度傳感器第3章力傳感器第4章光電式傳感器第5章磁傳感器第6章位移傳感器第7章環(huán)境量檢測(cè)傳感器第8章新型傳感器和安全防范技術(shù)第9章傳感器接口電路第10章現(xiàn)代傳感技術(shù)7.1氣體傳感器與煙霧傳感器7.2濕度與水分傳感器7.3聲敏傳感器及超聲波傳感器第7章環(huán)境量檢測(cè)傳感器7.1氣體傳感器與煙霧傳感器氣敏電阻品種繁多，主要有可測(cè)量還原性氣體和測(cè)量氧氣濃度的兩大類。

使用氣敏電阻傳感器（以下簡(jiǎn)稱氣敏電阻），可以把某種氣體的成分、濃度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再轉(zhuǎn)換為電流、電壓信號(hào)。

所謂還原性氣體就是在化學(xué)反應(yīng)中能給出電子，化學(xué)價(jià)升高的氣體。還原性氣體多數(shù)屬于可燃性氣體，例如石油蒸氣、酒精蒸氣、甲烷、乙烷、煤氣、天然氣、氫氣等。測(cè)量還原性氣體的氣敏電阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金屬氧化物粉料添加少量鉑催化劑、激活劑及其它添加劑，按一定比例燒結(jié)而成的半導(dǎo)體器件。

1、還原性氣體傳感器MQN型氣敏電阻結(jié)構(gòu)及測(cè)量電路a）氣敏燒結(jié)體b）氣敏電阻外形c）基本測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

1—引腳2—塑料底座3—燒結(jié)體4—不銹鋼網(wǎng)罩5—加熱電極6—工作電極7—加熱回路電源8—測(cè)量回路電源

MQN型氣敏半導(dǎo)體器件是由塑料底座、電極引線、不銹鋼網(wǎng)罩、氣敏燒結(jié)體以及包裹在燒結(jié)體中的兩組鉑絲組成。一組鉑絲為工作電極，另一組（圖中的左邊鉑絲）為加熱電極兼工作電極。

氣敏電阻工作時(shí)必須加熱到200

300℃，其目的是加速被測(cè)氣體的化學(xué)吸附和電離的過(guò)程并燒去氣敏電阻表面的污物（起清潔作用）。

氣敏電阻外形

酒精傳感器其他可燃性氣體傳感器酒精測(cè)試儀呼氣管酒精傳感器的選擇性

氣敏半導(dǎo)體的靈敏度特性曲線觀察右圖這些曲線，有何特點(diǎn)？可以得出哪些啟示？請(qǐng)說(shuō)明非線性特性對(duì)濃度超限報(bào)警是否有利，為什么？家庭用煤氣報(bào)警器家庭用液化氣報(bào)警器一氧化碳傳感器其他氣體傳感器NH3傳感器甲烷傳感器2、二氧化鈦氧濃度傳感器

半導(dǎo)體材料二氧化鈦（TiO2）屬于N型半導(dǎo)體，對(duì)氧氣十分敏感。其電阻值的大小取決于周圍環(huán)境的氧氣濃度。當(dāng)周圍氧氣濃度較大時(shí)，氧原子進(jìn)入二氧化鈦晶格，改變了半導(dǎo)體的電阻率，使其電阻值增大。

TiO2氧濃度傳感器結(jié)構(gòu)及測(cè)量轉(zhuǎn)換電路a）結(jié)構(gòu)b）測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

1－外殼（接地）2－安裝螺栓3－搭鐵線4－保護(hù)管5—補(bǔ)償電阻6－陶瓷片7－TiO2氧敏電阻8－進(jìn)氣口9－引腳

上圖是用于汽車或燃燒爐排放氣體中的氧濃度傳感器結(jié)構(gòu)圖及測(cè)量轉(zhuǎn)換電路。二氧化鈦氣敏電阻與補(bǔ)償熱敏電阻同處于陶瓷絕緣體的末端。當(dāng)氧氣含量減小時(shí)，RTiO2的阻值減小，Uo增大。在圖b中，與TiO2氣敏電阻串聯(lián)的熱敏電阻Rt

起溫度補(bǔ)償作用。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，TiO2氣敏電阻的阻值會(huì)逐漸減小，只要Rt也以同樣的比例減小，根據(jù)分壓比定律，Uo不受溫度影響，減小了測(cè)量誤差。氧濃度傳感器外形

可用于汽車尾氣測(cè)量汽車尾氣分析有毒氣體傳感器的使用休息一下7.2濕度與水分傳感器

絕對(duì)濕度：是指大氣中水汽的密度，即每一立方米大氣中所含水汽的質(zhì)量(克數(shù))。相對(duì)濕度：是大氣中實(shí)有水汽壓與當(dāng)時(shí)溫度下飽和水汽壓的百分比，是日常生活中常用來(lái)表示濕度大小的方法。當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)100%時(shí)，稱飽和狀態(tài)。露點(diǎn)：是指空氣在水汽含量和氣壓都不改變的條件下,冷卻到飽和時(shí)的溫度。形象地說(shuō),就是空氣中的水蒸氣變?yōu)槁吨闀r(shí)候的溫度叫露點(diǎn).(當(dāng)該溫度低于零攝氏度時(shí),又稱為霜點(diǎn).)

露點(diǎn)不受溫度影響,但受壓力影響.

當(dāng)溫度急劇下降到露點(diǎn)以下,空氣中的水分迅速凝結(jié)為小水珠,就形成了霧.

濕度傳感器的分類

濕敏電阻的原理水是一種強(qiáng)極性的電解質(zhì)。水分子極易吸附于固體表面并滲透到固體內(nèi)部，引起半導(dǎo)體的電阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二鋁等吸濕材料制作濕敏電阻。水蒸氣的凝結(jié)將給儀器設(shè)備帶來(lái)各種危害

濕度對(duì)電子元件的影響

當(dāng)環(huán)境的相對(duì)濕度增大時(shí)，物體表面就會(huì)附著一層水膜，并滲入材料內(nèi)部。這不僅降低了絕緣強(qiáng)度，還會(huì)造成漏電、擊穿和短路現(xiàn)象；潮濕還會(huì)加速金屬材料的腐蝕并引起有機(jī)材料的霉?fàn)€。露點(diǎn)

降低溫度會(huì)產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。露點(diǎn)與農(nóng)作物的生長(zhǎng)有很大關(guān)系，結(jié)露也嚴(yán)重影響電子儀器的正常工作，必須予以注意。

測(cè)量露點(diǎn)的儀器露點(diǎn)傳感器外形

電子濕度計(jì)模塊封裝后的外形電子式溫濕度計(jì)機(jī)械式、電子式溫濕度計(jì)對(duì)比陶瓷濕度傳感器特性曲線

在右圖所示的陶瓷濕度傳感器特性曲線中，縱坐標(biāo)的標(biāo)度有何特點(diǎn)？其電阻率變化約有多少個(gè)數(shù)量級(jí)？電子相對(duì)濕度儀表的標(biāo)定儀器

干濕球濕度計(jì)外形及原理干球濕球

用干濕球濕度計(jì)測(cè)量相對(duì)濕度的原理上頁(yè)中，左邊的玻璃溫度計(jì)（濕球）用濕棉球包裹，并浸沒(méi)在水槽里。濕棉球由于水份蒸發(fā)，所以其溫度低于室溫，致使?jié)袂虻氖局档陀诟汕?。查?duì)應(yīng)的濕度表就可知道空氣的相對(duì)濕度。雖然干濕球濕度計(jì)的歷史悠久，但現(xiàn)在還經(jīng)常用它作為電子相對(duì)濕度儀表的標(biāo)定儀器。風(fēng)水槽棉球玻璃酒精溫度計(jì)休息一下7.3聲敏傳感器及超聲波傳感器概述：聲波的分類

1.次聲波次聲波是頻率低于20赫茲的聲波，人耳聽(tīng)不到，但可與人體器官發(fā)生共振，7~8Hz的次聲波會(huì)引起人的恐怖感，動(dòng)作不協(xié)調(diào)，甚至導(dǎo)致心臟停止跳動(dòng)。2.可聞聲波

美妙的音樂(lè)可使人陶醉。3.超聲波蝙蝠能發(fā)出和聽(tīng)見(jiàn)超聲波。蝙蝠依靠超聲波捕食超聲波與可聞聲波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特點(diǎn)。

超聲波霧化器

超聲波加濕器壓電陶瓷或磁致伸縮材料在高電壓窄脈沖作用下，可得到較大功率的超聲波，可以被聚焦，能用于集成電路及塑料的焊接。

超聲波塑料焊接機(jī)超聲波金絲焊接機(jī)超聲波被聚焦后，具有較好的方向性，在遇到兩種介質(zhì)的分界面時(shí)，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，這一現(xiàn)象類似于光波。便攜式超聲波探魚器超聲波在醫(yī)學(xué)檢查中的應(yīng)用胎兒的

B超影像超聲波用于高效清洗當(dāng)弱的聲波信號(hào)作用于液體中時(shí)，會(huì)對(duì)液體產(chǎn)生一定的負(fù)壓，即液體體積增加，液體中分子空隙加大，形成許多微小的氣泡；而當(dāng)強(qiáng)的聲波信號(hào)作用于液體時(shí)，則會(huì)對(duì)液體產(chǎn)生一定的正壓，即液體體積被壓縮減小，液體中形成的微小氣泡被壓碎。經(jīng)研究證明：超聲波作用于液體中時(shí)，液體中每個(gè)氣泡的破裂會(huì)產(chǎn)生能量極大的沖擊波，相當(dāng)于瞬間產(chǎn)生幾百度的高溫和高達(dá)上千個(gè)大氣壓的壓力，這種現(xiàn)象被稱之為“空化作用”，超聲波清洗正是利用液體中氣泡破裂所產(chǎn)生的沖擊波來(lái)達(dá)到清洗和沖刷工件內(nèi)外表面的作用。超聲清洗多用于半導(dǎo)體、機(jī)械、玻璃、醫(yī)療儀器等行業(yè)。超聲波清洗原理及清洗器

（參考湖南省瀏陽(yáng)市醫(yī)用儀具廠、北京德泰隆科技發(fā)展有限責(zé)任公司資料）超聲換能器氣泡波浪清洗物1、超聲波物理基礎(chǔ)

頻率高于20kHz的機(jī)械振動(dòng)波稱為超聲波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本領(lǐng)大，能穿透幾米厚的鋼板，而能量損失不大。在遇到兩種介質(zhì)的分界面（例如鋼板與空氣的交界面）時(shí)，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，超聲波的頻率越高，其聲場(chǎng)指向性就愈好。超聲波的波型分類超聲波的傳播波型主要可分為縱波、橫波、表面波等幾種。

縱波橫波

表面波

2、超聲波換能器及耦合技術(shù)

超聲波換能器又稱超聲波探頭。超聲波換能器的工作原理有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種，在檢測(cè)技術(shù)中主要采用壓電式。超聲波探頭又分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、聚焦探頭、沖水探頭、水浸探頭、高溫探頭、空氣傳導(dǎo)探頭以及其他專用探頭等。各種超聲波探頭

（以下參考常州市常超檢測(cè)設(shè)備有限公司資料）常用頻率范圍：0.5~10MHz，常見(jiàn)晶片直徑：5~30mm接觸式直探頭（縱波垂直入射到被檢介質(zhì)）外殼用金屬制作，保護(hù)膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止壓電晶片磨損。

保護(hù)膜接插件接觸式直探頭原理超聲脈沖電壓輸入端

接地端接觸式斜探頭（橫波、瑞利波或蘭姆波探頭）壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如30

、45

等）的有機(jī)玻璃斜楔塊上，當(dāng)斜楔塊與不同材料的被測(cè)介質(zhì)（試件）接觸時(shí)，超聲波將產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，可產(chǎn)生多次反射，而傳播到較遠(yuǎn)處去。底部耐磨材料接插件各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：1~5MHz接觸法雙晶直探頭

將兩個(gè)單晶探頭組合裝配在同一殼體內(nèi)，其中一片發(fā)射超聲波，另一片接收超聲波。兩晶片之間用一片吸聲性能強(qiáng)、絕緣性能好的薄片加以隔離。雙晶探頭的結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜些，但檢測(cè)精度比單晶直探頭高，且超聲信號(hào)的反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡(jiǎn)單。發(fā)射晶片接收晶片各種雙晶直探頭焦距范圍：5~40mm,頻率范圍：2.5~5MHz，鋼中折射角：45

~70

接觸法雙晶斜探頭（續(xù)）水浸探頭

（可用自來(lái)水作為耦合劑）選擇聲透鏡形狀，可決定聚焦形式為點(diǎn)聚焦或線聚焦。聚焦探頭由于超聲波的波長(zhǎng)很短（毫米數(shù)量級(jí)），所以它也類似光波，可以被聚焦成十分細(xì)的聲束，其直徑可小到1mm左右，可以分辨試件中細(xì)小的缺陷，這種探頭稱為聚焦探頭。聚焦探頭采用曲面晶片來(lái)發(fā)出聚焦的超聲波；也可以采用兩種不同聲速的塑料來(lái)制作聲透鏡；也可以利用類似光學(xué)反射鏡的原理制作聲凹面鏡來(lái)聚焦超聲波。

聚焦探頭原理及外形水浸聚焦探頭超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片將數(shù)百伏的超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應(yīng)，使晶片發(fā)射出持續(xù)時(shí)間很短的超聲振動(dòng)波。當(dāng)超聲波經(jīng)被測(cè)物反射回到壓電晶片時(shí)，利用壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。壓電陶瓷的主要性能指標(biāo)

1)介電常數(shù)：1000~60002)壓電靈敏度D33

：300~600pC/N3)機(jī)械品質(zhì)因素Q：100~20004)居里溫度：300~400

C5）靜電容：1000~100000pF（與面積有關(guān)）

6）頻率范圍：用于超聲清洗：30~100KHz

用于探傷儀及流量計(jì)：2.5~5MHz

用于霧化器：1~2MHz耦合劑

超聲探頭與被測(cè)物體接觸時(shí)，探頭與被測(cè)物體表面間存在一層空氣薄層，空氣將引起三個(gè)界面間強(qiáng)烈的雜亂反射波，造成干擾，并造成很大的衰減。為此，必須將接觸面之間的空氣排擠掉，使超聲波能順利地入射到被測(cè)介質(zhì)中。在工業(yè)中，經(jīng)常使用一種稱為耦合劑的液體物質(zhì)，使之充滿在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用。常用的耦合劑有自來(lái)水、機(jī)油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿糊等。

空氣超聲探頭

a）

超聲發(fā)射器

b）超聲接收器

1—外殼2—金屬絲網(wǎng)罩3—錐形共振盤4—壓電晶片5—引腳6—阻抗匹配器7—超聲波束

空氣超聲探頭（續(xù)）

空氣超聲探頭外形空氣超聲探頭外形（續(xù)）空氣傳導(dǎo)超聲波電脈沖發(fā)生器超聲波傳感器的應(yīng)用

當(dāng)超聲發(fā)射器與接收器分別置于被測(cè)物兩側(cè)時(shí)，這種類型稱為透射型。透射型可用于遙控器、防盜報(bào)警器、接近開(kāi)關(guān)等。超聲發(fā)射器與接收器置于同側(cè)的屬于反射型，反射型可用于接近開(kāi)關(guān)、測(cè)距、測(cè)液位或物位、金屬探傷以及測(cè)厚等。

超聲波傳感器應(yīng)用舉例

超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）

超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）質(zhì)量檢查緊固件的安裝錯(cuò)誤檢測(cè)疊放高度測(cè)量超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）物件放置錯(cuò)誤檢測(cè)超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）透明塑料張力控制機(jī)械手定位超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）紙卷直徑檢測(cè)超聲波傳感器

應(yīng)用舉例（續(xù)）平整度測(cè)量超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）超長(zhǎng)距離檢測(cè)超聲波傳感器

應(yīng)用舉例（續(xù)）流水線計(jì)數(shù)超聲波傳感器

應(yīng)用舉例（續(xù)）超聲波流量計(jì)

F1發(fā)射的超聲波先到達(dá)

T1測(cè)量流量原理分類

時(shí)間差法測(cè)量流量原理：在被測(cè)管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對(duì)超聲波發(fā)射和接收探頭（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超聲波是順流傳播的，而F2，T2的超聲波是逆流傳播的。由于這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，測(cè)量?jī)山邮仗筋^上超聲波傳播的時(shí)間差

t，可得到流體的平均速度及流量。F1發(fā)射的超聲波到達(dá)

F2的時(shí)間較短

頻率差法測(cè)量流量原理：

F1、F2是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)的控制，交替地作為超聲波發(fā)射器與接收器用。首先由F1發(fā)射出第一個(gè)超聲脈沖，它通過(guò)管壁、流體及另一側(cè)管壁被F2接收，此信號(hào)經(jīng)放大后再次觸發(fā)F1的驅(qū)動(dòng)電路，使F1發(fā)射第二個(gè)聲脈沖。緊接著，由F2發(fā)射超聲脈沖，而F1作接收器，可以測(cè)得F1的脈沖重復(fù)頻率為f1。同理可以測(cè)得F2的脈沖重復(fù)頻率為f2。順流發(fā)射頻率f1與逆流發(fā)射頻率f2的頻率差

f與被測(cè)流速v成正比。F2F1

發(fā)射、接收探頭也可以安裝在管道的同一側(cè)同側(cè)式超聲波流量計(jì)的使用

（參考北京菲波儀表有限公司資料）超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)使用超聲波多普勒測(cè)量車速多普勒效應(yīng)前進(jìn)方向的頻率升高

如果波源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，那么觀察者接收到的頻率和波源的頻率就不相同了，這種現(xiàn)象叫做多普勒效應(yīng)。測(cè)出

f就可得到運(yùn)動(dòng)速度。超聲波多普勒測(cè)量風(fēng)速風(fēng)

風(fēng)引起超聲波的頻率變大或變小超聲波測(cè)距空氣超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，到達(dá)被測(cè)物時(shí)，被反射回來(lái)，并被另一只空氣超聲探頭所接收。測(cè)出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時(shí)間t，再乘以空氣的聲速（340m/s），就是超聲脈沖在被測(cè)距離所經(jīng)歷的路程，除以2就得到距離。

超聲波測(cè)厚雙晶直探頭中的壓電晶片發(fā)射超聲振動(dòng)脈沖，超聲脈沖到達(dá)試件底面時(shí)，被反射回來(lái)，并被另一只壓電晶片所接收。只要測(cè)出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時(shí)間t，再乘以被測(cè)體的聲速常數(shù)c，就是超聲脈沖在被測(cè)件中所經(jīng)歷的來(lái)回距離，再除以2，就得到厚度

：手持式超聲波測(cè)厚儀某超聲波測(cè)厚儀指標(biāo)

（參考北京北方大河儀器儀表有限公司資料）顯示方法∶128*32LCD點(diǎn)陣液晶顯示（帶背光）

顯示位數(shù)：四位

測(cè)量范圍：0.8~200mm

示值精度：0.1mm

聲速范圍：1000~9999m/s

測(cè)量周期：2次/秒

自動(dòng)關(guān)機(jī)時(shí)間：90秒

電源：二節(jié)七號(hào)（AAA）電池，可連續(xù)工作不少于72小時(shí)

使用溫度：-10°C~40°C

存儲(chǔ)溫度：-20°C~70°C

外形尺寸：108x61x25mm

重量：230g（含電池）超聲波測(cè)厚石料測(cè)厚超聲波手持式測(cè)厚混凝土測(cè)厚木材測(cè)厚小提琴木料測(cè)厚雙晶超聲波測(cè)厚探頭雙晶超聲波測(cè)厚探頭（續(xù)）超聲波測(cè)量液位和物位原理在液罐上方安裝空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)射器和接收器，根據(jù)超聲波的往返時(shí)間，就可測(cè)得液體的液面。

超聲波液位計(jì)原理

1—液面2—直管3—空氣超聲探頭4—反射小板5—電子開(kāi)關(guān)超聲波測(cè)量液位和物位

喇叭形超聲發(fā)生器超聲防盜報(bào)警器

圖中的上半部分為發(fā)射電路，下面為接收電路。發(fā)射器發(fā)射出頻率f=40kHz左右的超聲波。如果有人進(jìn)入信號(hào)的有效區(qū)域，相對(duì)速度為v，從人體反射回接收器的超聲波將由于多普勒效應(yīng)，而發(fā)生頻率偏移

f。

無(wú)損探傷的基本概念人們?cè)谑褂酶鞣N材料（尤其是金屬材料）的長(zhǎng)期實(shí)踐中，觀察到大量的斷裂現(xiàn)象，它曾給人類帶來(lái)許多災(zāi)難事故，涉及艦船、飛