第8章 氣體和濕度傳感器.ppt

1、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),8.1 氣體傳感器,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(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。,表8-1 氣敏傳感器主要檢測對(duì)象及其應(yīng)用場所,8.1.1 半導(dǎo)體型氣體傳感器 半導(dǎo)體氣體傳感器是

2、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的氣體傳感器。 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,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(huì)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

3、等較難還原的氧化物，也有研究用有機(jī)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(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。 例如利用SnO2氣敏器件可設(shè)計(jì)酒精探測器，當(dāng)酒精氣體被檢測到時(shí)，氣敏器件電阻值降低，測量回路有信號(hào)輸出，提供給電表顯示或指示燈發(fā)亮。 氣敏器件工作時(shí)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(duì)

4、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?dú)怏w。 電容型氣體傳感器是根據(jù)CaOBaTiO3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(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。,8.1.3 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300600C的高溫狀態(tài)，同時(shí)將元件接入電橋電路中的一個(gè)橋

5、臂。 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。,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(dá)到平衡。 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。,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(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

6、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，在工作電極與輔助電極，參比電極間充以電解液。 傳感器工作電極（敏感電極）的電位由電位器控制，使其與參比電極電位保持恒定。 待測氣體分子通過透氣膜到達(dá)敏感電極表面時(shí)，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)（氧化反應(yīng)），輔助電極上發(fā)生還原反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)生的電流與待測氣體濃度有關(guān)，可以確定待測氣體濃度。,8.1.5 集成型氣體傳感器 這種傳感器有兩類： 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

7、。 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。,8.1.6 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。 2. 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。,3. 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

8、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。 4. 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。,5. 在家電方面用的氣體傳感器 在家電中除用于可燃?xì)庑孤﹫?bào)警及換氣扇、抽油煙機(jī)的自動(dòng)控制外，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。 6. 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，目前各類傳感器已有實(shí)用商品。,8.1.7 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，和一般的氣體成分的分析不同，必須利用微粒的特點(diǎn)檢測。 1

9、. 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8-1所示。 這種傳感器的靈敏度與煙霧種類無關(guān)。,圖8-1 散射式煙霧傳感器,2. 離子式 用放射性同位素镅Am241放射出微量的射線，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，而且離子本身也吸收射線，其結(jié)果是離子電流IK減小。 工作原理如圖8-2所示。,圖8-2 離子式煙霧傳感器,8.2 濕度傳感器,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

10、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：,2.相對(duì)濕度 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)。,3.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0C，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?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

11、）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8-3所示。,圖8-3 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。全量程為（ 0 100%）RH。 (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(gè)環(huán)形回線，這一特性就是濕滯特性，如圖8-4所示。,圖8-4 濕度傳感器的濕滯特性,(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%

12、所需的時(shí)間。 (6)感濕溫度系數(shù) 當(dāng)環(huán)境濕度恒定時(shí)，溫度每變化1C，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。,8.2.2 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)。 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(diǎn)，目前已商品化。結(jié)構(gòu)如圖8-5所示。,圖8-5 MgCr2O4TiO2濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖,2. ZrO2系

13、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8-6所示。,圖8-6 ZrO2濕度傳感器的結(jié)構(gòu)圖 1-電極引線；2-印制的ZrO2感濕層（厚為幾十微米）；3-瓷襯底；4-由多孔高分子膜制成的防塵過濾膜；5-用絲網(wǎng)印刷法印制的Au梳狀電極,8.2.3 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。 利用這種

14、原理制成的傳感器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，元件的介電常數(shù)隨環(huán)境的相對(duì)濕度的改變而變化，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)（36）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8-7所示。,圖8-7 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(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

15、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8-8所示。,圖8-8 結(jié)露傳感器的特性曲線,8.2.4 半導(dǎo)體型濕度傳感器 硅MOS 型Al23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Si2膜，在此Si2膜上用蒸發(fā)及陽極化方法制得多孔Al23膜，然后再蒸鍍上多孔金（Au）膜而制成。 這種傳感器具有響應(yīng)速度快、化學(xué)穩(wěn)定性好及耐高低溫沖擊等特點(diǎn)。 其結(jié)構(gòu)如圖8-9所示。,圖8-9 MOS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”

16、。 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：,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(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。,4. 紅外吸收法 水分對(duì)波長為1.94m的紅外射線吸收較強(qiáng)，并且可用幾乎不被水分吸收的1.81m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。 5. 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

17、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 氣敏、濕敏傳感器的應(yīng)用,8.3 氣敏、濕敏傳感器的應(yīng)用 1. 氣體報(bào)警器 如圖8-10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（BZ）報(bào)警。,圖8-10 簡易家用氣體報(bào)警器電路圖,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。,2. 自動(dòng)空氣凈化換氣扇 利用SnO2氣敏器件，

18、可以設(shè)計(jì)用于空氣凈化的自動(dòng)換氣扇。 圖8-11是電路原理圖。當(dāng)室內(nèi)空氣污濁，煙霧或其它污染氣體使氣敏器件阻值下降，晶體管V導(dǎo)通，繼電器動(dòng)作接通風(fēng)扇電源，排放污濁氣體，換進(jìn)新鮮空氣。 當(dāng)室內(nèi)污濁氣體濃度下降到希望的數(shù)值時(shí)，氣敏器件阻值上升，V截止，繼電器斷開，風(fēng)扇電源切斷，風(fēng)扇停止工作。,圖8-11 自動(dòng)換氣扇電路圖,3. 自動(dòng)去濕裝置 圖8-12中 ， H為濕敏傳感器，Rs為加熱電阻絲。在常溫常濕情況下調(diào)好各電阻值，使V1導(dǎo)通，V2截止。,當(dāng)陰雨等天氣使室內(nèi)環(huán)境濕度增大而導(dǎo)致H的阻值下降到某值時(shí)，RF與R2并聯(lián)之阻值小到不足以維持V1導(dǎo)通。 由于V1截止而使V2導(dǎo)通，其負(fù)載繼電器K通電，常開觸點(diǎn)閉合，加熱電阻絲RS通電加熱，驅(qū)散濕氣。 當(dāng)濕度減小到一定程度時(shí)，電路又翻轉(zhuǎn)到初始狀態(tài)，V1導(dǎo)通，V2截止，常開觸點(diǎn)斷開，RS斷電停止加熱。,圖8-12 自動(dòng)去濕裝置,4. 錄像機(jī)結(jié)露報(bào)警控制電路 如圖8-13所示，該電路由BG1BG4組成。結(jié)露時(shí)，LED亮