中職自動(dòng)檢測(cè)與傳感技術(shù)——項(xiàng)目教程項(xiàng)目六課件高教版項(xiàng)目六氣體和濕度的檢測(cè)任務(wù)一氣體濃度的測(cè)量一、認(rèn)識(shí)氣敏傳感器

氣敏傳感器是能感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的傳感器。它利用化學(xué)、物理效應(yīng)將氣體的種類(lèi)及濃度等信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)電路處理后進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控和報(bào)警。如圖6-1所示為部分氣敏傳感器的實(shí)物外形圖。圖6-1常見(jiàn)氣敏傳感器實(shí)物外形圖氣敏傳感器項(xiàng)目六氣體和濕度的檢測(cè)任務(wù)一氣體濃度的測(cè)量二、氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

半導(dǎo)體式氣敏傳感器是利用半導(dǎo)體氣敏元件同被測(cè)氣體接觸，使得半導(dǎo)體性質(zhì)發(fā)生變化的原理來(lái)檢測(cè)特定氣體的成分或者濃度的傳感器。按半導(dǎo)體的物理特性的不同，又可分為電阻型和非電阻型兩種。1.半導(dǎo)體式氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)（1）電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器目前使用較廣泛的電阻型半導(dǎo)體式氣敏傳感器是利用氣體吸附使半導(dǎo)體本身的電阻值發(fā)生變化這一特性而制作的傳感器。它由敏感元件、加熱器、外殼等三部分組成。其中加熱器的作用是加速被測(cè)氣體的吸附及脫出過(guò)程；燒去氣敏元件的油垢或污物，起清潔作用?？刂撇煌募訜釡囟?，能對(duì)不同被測(cè)氣體有不同的選擇作用。加熱溫度與元件輸出靈敏度有關(guān)，一般為200～400℃。敏感元件常被稱(chēng)為氣敏電阻（氣敏電阻的型號(hào)命名及含義參見(jiàn)附錄K），其主要材料為金屬氧化物半導(dǎo)體，合成時(shí)加入敏感材料和催化劑燒結(jié)而成。氣敏電阻元件種類(lèi)很多，按制作工藝分，可分為燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種。項(xiàng)目六氣體和濕度的檢測(cè)任務(wù)一氣體濃度的測(cè)量二、氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理1.半導(dǎo)體式氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)（1）電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器1)燒結(jié)型氣敏元件將元件的電極和加熱器均埋在金屬氧化物氣敏材料中，經(jīng)加熱成形后低溫?zé)Y(jié)而成。其加熱方式有直熱式和旁熱式兩種。目前使用較多的是旁熱式SnO2系列氣敏元件。旁熱式氣敏元件的結(jié)構(gòu)及圖形符號(hào)如圖6-2所示。(a)結(jié)構(gòu)(b)符號(hào)圖6-2常見(jiàn)氣敏傳感器實(shí)物外形圖項(xiàng)目六氣體和濕度的檢測(cè)任務(wù)一氣體濃度的測(cè)量二、氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理1.半導(dǎo)體式氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)（1）電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器1)燒結(jié)型氣敏元件旁熱式氣敏元件是在一根薄壁陶瓷管內(nèi)放入一根螺旋形高電阻率金屬絲作為加熱器，在陶瓷管的外壁涂覆以SnO2為基礎(chǔ)材料的漿料層，經(jīng)燒結(jié)后形成厚膜氣體敏感層，陶瓷管的兩端設(shè)置一對(duì)金電極及鉑-銥合金絲引出線(xiàn)。一般引線(xiàn)有6根，其中，兩個(gè)A和兩個(gè)B分別相連后，成為氣敏元件的引線(xiàn)，f-f為加熱器的引線(xiàn)。2)厚膜型氣敏元件將氣敏材料（SnO2、ZnO等）與一定比例的硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠，把厚膜膠由絲網(wǎng)印刷到裝有鉑電極的氧化鋁基片上，在400～800℃的溫度下燒結(jié)1～2個(gè)小時(shí)而制成。用厚膜工藝制成的器件一致性較好，機(jī)械強(qiáng)度高，適于批量生產(chǎn)。項(xiàng)目六氣體和濕度的檢測(cè)任務(wù)一氣體濃度的測(cè)量二、氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理1.半導(dǎo)體式氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)（1）電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器3)薄膜型氣敏元件薄膜型氣敏元件制作時(shí)采用蒸發(fā)或?yàn)R射的方法，在處理好的石英基片上形成一薄層金屬氧化物薄膜（如SnO2、ZnO等），再引出電極，其結(jié)構(gòu)如圖6-3所示。薄膜型氣敏元件的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)迅速、機(jī)械強(qiáng)度高、互換性好、成本低。圖6-3薄膜型氣敏元件結(jié)構(gòu)圖項(xiàng)目六氣體和濕度的檢測(cè)任務(wù)一氣體濃度的測(cè)量二、氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理1.半導(dǎo)體式氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)（2）非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器

非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用半導(dǎo)體與氣體接觸后，其特性（如二極管的伏安特性）發(fā)生變化來(lái)測(cè)定氣體的成分或濃度的。目前主要有二極管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管兩種類(lèi)型。2.半導(dǎo)體式氣敏傳感器的工作原理

金屬氧化物在常溫下是絕緣的，制成半導(dǎo)體后卻顯示氣敏特性。通常器件工作在空氣中，空氣中的氧和NO2這些電子兼容性大的氣體，接受來(lái)自半導(dǎo)體材料的電子而吸附負(fù)電荷，形成氧的負(fù)離子吸附，結(jié)果使N型半導(dǎo)體材料的表面空間電荷層區(qū)域的傳導(dǎo)電子減少，使表面電導(dǎo)減小，從而使器件處于高阻狀態(tài)。一旦元件與被測(cè)還原氣體接觸，就會(huì)與吸附的氧起反應(yīng)，將被氧束縛的電子釋放出來(lái)，敏感膜表面電導(dǎo)增加，使元件電阻減小。該類(lèi)氣敏元件通常工作在高溫狀態(tài)（200～450℃），目的是為了加速上述的氧化還原反應(yīng)。項(xiàng)目六氣體和濕度的檢測(cè)任務(wù)一氣體濃度的測(cè)量二、氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理3.接觸燃燒式氣敏傳感器

接觸燃燒式氣敏傳感器是基于強(qiáng)催化劑使氣體在其表面燃燒時(shí)產(chǎn)生熱量，從而使貴金屬電極電導(dǎo)隨氣體濃度發(fā)生變化來(lái)對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)的。典型的接觸燃燒式氣敏傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖6-4所示。氧化催化劑中埋設(shè)有鉑等金屬線(xiàn)，工作時(shí)金屬圈中通電流使溫度保持在300～600℃，當(dāng)可燃?xì)怏w接觸預(yù)先加熱的傳感器表面時(shí)會(huì)發(fā)生燃燒，所產(chǎn)生的熱量使金屬絲溫度進(jìn)一步升高，致使電阻值增大，導(dǎo)致電橋失衡產(chǎn)生輸出。不同種類(lèi)不同濃度的可燃?xì)怏w燃燒產(chǎn)生的熱量不同，對(duì)應(yīng)不同的電路輸出。圖6-4接觸燃燒式氣敏傳感器結(jié)構(gòu)

項(xiàng)目六氣體和濕度的檢測(cè)任務(wù)一氣體濃度的測(cè)量二、氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理3.接觸燃燒式氣敏傳感器

接觸燃燒式氣敏傳感器價(jià)廉、精度高，但靈敏度較低，不適合檢測(cè)如CO等有毒氣體，一般用于石油化工、造船廠(chǎng)、礦山及隧道等領(lǐng)域，以檢測(cè)石油類(lèi)可燃燒性氣體的存放情況和防止危險(xiǎn)事故的發(fā)生，其基本工作電路如圖6-5所示。圖6-5燃燒型氣敏傳感器基本工作電路項(xiàng)目六氣體和濕度的檢測(cè)任務(wù)一氣體濃度的測(cè)量三、氣敏傳感器的應(yīng)用1.實(shí)用酒精測(cè)試儀

對(duì)酒精敏感的傳感器，廣泛地應(yīng)用于檢測(cè)汽車(chē)司機(jī)呼出氣體內(nèi)的酒精濃度的監(jiān)測(cè)中，也有用在酒廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)上。電路圖如圖6-6所示。此電路采用TGS812型氣敏傳感器，這種傳感器對(duì)酒精有較高的靈敏度，所以，人們用它來(lái)制作酒精測(cè)試儀。除此之外，它對(duì)一氧化碳也敏感，常被用來(lái)探測(cè)汽車(chē)尾氣。圖6-6實(shí)用酒精測(cè)試儀

項(xiàng)目六氣體和濕度的檢測(cè)任務(wù)一氣體濃度的測(cè)量三、氣敏傳感器的應(yīng)用1.實(shí)用酒精測(cè)試儀

該電路中還采用了一個(gè)顯示驅(qū)動(dòng)集成電路LM3914，它共有10個(gè)輸出端，每個(gè)輸出端連接一個(gè)發(fā)光二極管。在10個(gè)發(fā)光二極管中，發(fā)光二極管VD1～VD5發(fā)光為綠色，指示酒精燈處于安全水平，VD6～VD10發(fā)光為紅色，指示酒精濃度超過(guò)安全水平。

TGS812型氣敏傳感器加熱時(shí)的工作電壓是5V，加熱電流約125mA。它的負(fù)載電阻為R1和RP，其輸出直接接LED顯示驅(qū)動(dòng)器LM3914。當(dāng)氣敏傳感器探測(cè)不到酒精氣體時(shí)，傳感器呈高阻狀態(tài)，R1和RP的輸出電壓很低，加在LM3914第⑤腳的電平為低電平，10個(gè)發(fā)光二極管都不亮；當(dāng)氣敏傳感器探測(cè)到酒精氣體時(shí)，其內(nèi)阻迅速降低，從而使R1和RP的輸出電壓升高，加在LM3914第⑤腳的電平變?yōu)楦唠娖?。氣體中酒精含量越高，⑤腳的電位就越高，則點(diǎn)亮二極管的數(shù)目就越多（先綠色后紅色），由此來(lái)判斷被測(cè)試者飲酒的程度。圖6-6實(shí)用酒精測(cè)試儀

項(xiàng)目六氣體和濕度的檢測(cè)任務(wù)一氣體濃度的測(cè)量三、氣敏傳感器的應(yīng)用2.實(shí)用有毒氣體報(bào)警器

當(dāng)空氣中的一氧化碳、液化石油氣、甲烷、丙烷等有毒氣體達(dá)到一定濃度時(shí)，將會(huì)危及人的健康與安全，圖6-7所示電路即為有毒氣體探測(cè)報(bào)警電路。該電路線(xiàn)路簡(jiǎn)單，靈敏度較高，能對(duì)上述有毒氣體進(jìn)行檢測(cè)并發(fā)出警報(bào)。圖6-7實(shí)用有毒氣體報(bào)警電路項(xiàng)目六氣體和濕度的檢測(cè)任務(wù)一氣體濃度的測(cè)量三、氣敏傳感器的應(yīng)用2.實(shí)用有毒氣體報(bào)警器

工作原理：當(dāng)空氣中不含有毒氣體時(shí)，A、B兩點(diǎn)間的電阻很大，流過(guò)Rp的電流很小，B點(diǎn)為低電位，達(dá)林頓管U850不導(dǎo)通；空氣中含有上述有毒氣體時(shí)，A、B兩點(diǎn)間的電阻迅速下降，通過(guò)Rp的電流增大，B點(diǎn)電位升高，向C2充電直至達(dá)到U850導(dǎo)通電位（約1.4V）時(shí)，U850導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)發(fā)聲集成片KD9561發(fā)聲。當(dāng)空氣中有毒氣體濃度下降至使A、B兩點(diǎn)間恢復(fù)高阻時(shí)，B點(diǎn)電位低于1.4V，U850截止，報(bào)警解除。圖6-7實(shí)用有毒氣體報(bào)警電路項(xiàng)目六氣體和濕度的檢測(cè)任務(wù)二濕度的檢測(cè)一、認(rèn)識(shí)濕敏傳感器

用于檢測(cè)環(huán)境濕度的傳感器稱(chēng)為濕敏傳感器，它是將被測(cè)環(huán)境濕度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，主要由濕敏元件和轉(zhuǎn)換電路兩部分組成。圖6-8所示為部分濕敏傳感器的實(shí)物外形圖。圖6-8濕敏傳感器的實(shí)物外形圖項(xiàng)目六氣體和濕度的檢測(cè)任務(wù)二濕度的檢測(cè)一、認(rèn)識(shí)濕敏傳感器

（1）按其工作原理的不同，可分為電阻式、電容式和頻率式等；（2）按其探測(cè)功能的不同，可分為絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度和結(jié)露型等；絕對(duì)濕度是指在一定溫度和氣壓下，單位體積空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量，即空氣中水蒸氣的密度，用AH表示。相對(duì)濕度是指被測(cè)氣體中水蒸氣氣壓和該氣體在相同溫度下飽和水蒸氣氣壓的百分比。一般用%RH表示。露點(diǎn)是指水蒸氣在冷卻過(guò)程中最初發(fā)生結(jié)露時(shí)的溫度。（3）按其所使用材料的不同，可分為電解質(zhì)式、陶瓷式、高分子式等。1.濕敏傳感器的分類(lèi)項(xiàng)目六氣體和濕度的檢測(cè)任務(wù)二濕度的檢測(cè)一、認(rèn)識(shí)濕敏傳感器

（1）精度與長(zhǎng)期穩(wěn)定性一般濕度傳感器的精度為±2%～±5%RH，要達(dá)到±2%～±3%RH的精度是較困難的。在實(shí)際使用中，由于塵土、油污、有害氣體的影響，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)產(chǎn)生老化現(xiàn)象，影響其精度。因此，濕度傳感器的長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性是非常重要的。（2）溫度系數(shù)濕敏傳感器除對(duì)環(huán)境濕度敏感外，對(duì)溫度也十分敏感。而且有的濕敏元件在不同的相對(duì)濕度下，其溫度系數(shù)也有差別，因此需加溫度補(bǔ)償電路，或采用計(jì)算機(jī)軟件補(bǔ)償。（3）供電電源濕敏傳感器在測(cè)量濕度時(shí)，所加的測(cè)試電壓必須是交流電（如正弦波、方波或三角波），不能用直流電壓或含有直流分量的交流電壓。因?yàn)橹绷麟妷簳?huì)引起感濕元件體內(nèi)水分子的電解，致使電導(dǎo)率隨時(shí)間的增加而下降，影響測(cè)量精度。（4）互換性濕敏傳感器的一致性較差，同一種型號(hào)的傳感器不能互換，這給電路調(diào)試及維修增加了困難。2.濕敏傳感器的特性項(xiàng)目六氣體和濕度的檢測(cè)任務(wù)二濕度的檢測(cè)二、濕敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

目前常用的濕敏傳感器主要有氯化鋰濕敏電阻傳感器、陶瓷式濕敏電阻傳感器、高分子電容式濕敏傳感器等。1.氯化鋰濕敏電阻傳感器

氯化鋰濕敏電阻傳感器屬于電阻式濕敏傳感器，它是利用感濕材料的電阻值隨濕度變化的基本原理來(lái)進(jìn)行工作的。氯化鋰濕敏元件是采用真空鍍膜工藝在玻璃片上鍍一層梳狀金電極，然后涂一層氯化鋰和聚乙烯醇等配制的感濕膠膜。聚乙烯醇是一種粘合性很強(qiáng)的多孔性物質(zhì)，它與氯化鋰結(jié)合后，水分子很容易在其薄膜中吸附及釋放，從而使元件的阻抗發(fā)生變化。最后在元件表面涂一層多孔性的保護(hù)膜以提高其抗污染氣體（烷類(lèi)、醇類(lèi)、酸堿類(lèi)等）的能力。氯化鋰濕敏傳感器的結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖6-9所示。圖6-9氯化鋰濕敏傳感器結(jié)構(gòu)示意圖項(xiàng)目六氣體和濕度的檢測(cè)任務(wù)二濕度的檢測(cè)二、濕敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理2.陶瓷式濕敏電阻傳感器

陶瓷式濕敏傳感器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6-10所示。該傳感器通常是用兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體在1300℃高溫下燒結(jié)而成的多孔陶瓷。這些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系和Fe2O3等，前三種材料的電阻率隨濕度增加而下降，故稱(chēng)為負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷，最后一種的電阻率隨濕度的增大而增大，故稱(chēng)正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷。陶瓷式濕敏傳感器的熱穩(wěn)定性及抗污能力很強(qiáng)，并具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、響應(yīng)快、精度高、測(cè)濕范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，但不宜在易燃、易爆的環(huán)境中使用。圖6-10陶瓷濕敏傳感器的結(jié)構(gòu)圖項(xiàng)目六氣體和濕度的檢測(cè)任務(wù)二濕度的檢測(cè)二、濕敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理3.高分子電容式濕敏傳感器

高分子電容式濕敏傳感器基本上是一個(gè)電容器，其結(jié)構(gòu)圖及特性見(jiàn)圖6-11所示。它是利用電容兩極間的介質(zhì)隨濕度變化而變化的特性制成的。電容式濕敏元件是在玻璃基片上制作一個(gè)電極，在電極上薄薄地涂一層高分子薄膜（約1μm）,在另一個(gè)電極涂一層可透氣的金屬薄膜。當(dāng)相對(duì)濕度變化時(shí)，水分子通過(guò)兩端的電極被高分子薄膜吸附或釋放，隨著水分子被吸附或釋放，高分子薄膜的介電系數(shù)將發(fā)生相應(yīng)的變化，所以只要測(cè)定電容值就可測(cè)得相對(duì)濕度。電容式濕敏傳感器廣泛用于食品、紡織、氣象、倉(cāng)庫(kù)等領(lǐng)域的濕度檢測(cè)。圖6-11電容式濕敏傳感器的結(jié)構(gòu)及特性項(xiàng)目六氣體和濕度的檢測(cè)任務(wù)二濕度的檢測(cè)三、濕敏傳感器的應(yīng)用1.土壤濕度的檢測(cè)

土壤中是否缺水，單憑觀(guān)察土壤表面是否濕潤(rùn)是不科學(xué)的。如果有了濕度檢測(cè)器，若土壤中缺水就可很直觀(guān)地顯示出來(lái)。如圖6-12所示為土壤濕度檢測(cè)指示電路。如圖6-13所示為土壤濕度簡(jiǎn)易測(cè)試電路，其中濕敏傳感器由埋在土壤中的兩個(gè)電極組成。若土壤濕潤(rùn)，土壤的電阻率很小，兩電極間的電阻值很小，場(chǎng)效應(yīng)管VT1的柵極相當(dāng)于接地，柵源間無(wú)偏壓，VT1導(dǎo)通，三極管VT2截止，555時(shí)基電路的④腳輸入為低電平，振蕩器不工作，發(fā)光二極管VD截止不發(fā)光。圖6-12土壤濕度檢測(cè)實(shí)物連接圖

項(xiàng)目六氣體和濕度的檢測(cè)任務(wù)二濕度的檢測(cè)三、濕敏傳感器的應(yīng)用1.土壤濕度的檢測(cè)

當(dāng)土壤中缺水時(shí)，土壤的電阻率增大，兩電極間的電阻變大，使得場(chǎng)效應(yīng)管VT1截止，三極管VT2導(dǎo)通，電阻R4上產(chǎn)生較大的電壓降，使555時(shí)基電路的④腳輸入為高電平，振蕩器開(kāi)始工作，輸出脈沖信號(hào)，發(fā)光二極管VD隨著低頻脈沖信號(hào)閃爍發(fā)光，從而