第7章環(huán)境量檢測(cè)傳感器本章學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容：7.1氣敏傳感器7.2濕度傳感器7.1氣敏傳感器

在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，氣體成分或含量對(duì)質(zhì)量、環(huán)境、安全等具有相當(dāng)重要的價(jià)用。氣敏傳感器就是能夠感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種敏感器件，它將氣體種類及其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱便可獲得與待測(cè)氣體在環(huán)境中存在情況有關(guān)的信息，從而可以進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警；還可以通過(guò)接口電路與計(jì)算機(jī)組成自動(dòng)檢測(cè)、控制和報(bào)警系統(tǒng)。家庭用煤氣報(bào)警器7.1.1氣敏傳感器的類型與特性1.氣敏傳感器的類型類型原理檢測(cè)對(duì)象特點(diǎn)半導(dǎo)體方式若氣體接觸到加熱的金屬氧化物（SnO2

、Fe2O3、ZnO2）），電阻值就增大或減小還原性氣體、城排放氣體、丙烷等靈敏度高、構(gòu)造與電路簡(jiǎn)單，但輸出與氣體濃度不成比例接觸燃燒方式可燃性氣體接觸到氧氣就會(huì)燃燒，使得作為氣敏材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應(yīng)增大燃燒氣體輸出與氣體濃度成比例，但靈敏度較低化學(xué)反應(yīng)式

化學(xué)溶劑與氣體反應(yīng)產(chǎn)生電流、顏色變化、電導(dǎo)率的增加等CO、H2、CH4、C2H5OH、SO2

等氣體選擇性好．但不能重復(fù)使用

光干涉式利用與空氣的折射率不同而產(chǎn)生的干涉帶與空氣折射率不同的氣體CO2等壽命長(zhǎng)，但選擇性差熱傳導(dǎo)方式

根據(jù)熱傳導(dǎo)率差而放熱的發(fā)熱元件的溫度降低進(jìn)行檢測(cè)與空氣熱傳導(dǎo)率不同的氣體H2等構(gòu)造簡(jiǎn)單，但靈敏度低，選擇性差

紅外線吸收散射方式根據(jù)紅外線照射時(shí)氣體分子皆振而吸收或散射的量來(lái)檢測(cè)CO、CO2、NO2能定性測(cè)量，但裝置大，價(jià)格貴2.氣敏傳感器的特性（1）初期穩(wěn)定特性；（2）響應(yīng)復(fù)歸特性；（3）靈敏度；（4）選擇性；（5）時(shí)效性和互換性；（6）環(huán)境依賴性。7.1.2氣敏傳感器的工作原理1.半導(dǎo)體氣敏傳感器

半導(dǎo)體氣敏傳感器由塑料底座、電極引線、氣敏元件（燒結(jié)體）、防爆用的雙層不銹鋼網(wǎng)以及包裹在燒結(jié)體中的兩組銅絲組成。其中一組銅絲為工作電極，另一組為加熱電極。MQN型氣敏電阻結(jié)構(gòu)及測(cè)量電路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)量回路電源氣敏電阻工作原理動(dòng)畫演示

氣敏傳感器工作時(shí)必須加熱，其目的是：加速被測(cè)氣體的吸附、脫出過(guò)程；燒去氣敏元件上的污垢，起清潔作用；控制不同的加熱溫度能對(duì)不同的被測(cè)氣體起選擇作用。一般在200℃～400℃溫度下，氣敏傳感器有較高靈敏度。半導(dǎo)體氣敏傳感器的材料主要有SnO系列、ZnO及FeO系列，添加不同的物質(zhì)，能夠檢測(cè)不同成分的氣體。這類氣敏傳感器主要用于檢測(cè)低濃度的可燃性氣體和毒性氣體，如一氧化碳、硫化氫、乙醇、天然氣、液化氣、煤氣等，其測(cè)量范圍為數(shù)量級(jí)。加熱、工作回路工作回路2.固體電解質(zhì)氣敏傳感器(a)電化學(xué)固體電解質(zhì)型CO傳感器(b)電化學(xué)固態(tài)高分子電解質(zhì)型CO傳感器圖7-4固體電解質(zhì)氣敏傳感器NH3傳感器甲烷傳感器酒精傳感器其他還原性氣體傳感器手持?jǐn)?shù)字酒精測(cè)試儀呼氣管7.1.3氣敏傳感器的應(yīng)用技術(shù)1.氣敏傳感器的檢測(cè)電路

半導(dǎo)體氣敏傳感器采用加熱器對(duì)氣敏元件進(jìn)行加熱，這時(shí)，加熱器的加熱溫度對(duì)氣敏傳感器的特性有很大影響。為此，加熱器的電壓恒定是非常重要的，例如，AF30L/38L半導(dǎo)體氣敏傳感器，加熱器的電壓在50.2V的范圍內(nèi)使用應(yīng)該不會(huì)有問(wèn)題。另外，氣敏元件的消耗功率不能超過(guò)額定值，否則會(huì)損壞氣敏元件，對(duì)于AF30L/38L，氣敏傳感器，氣敏元件消耗的功率不能超過(guò)15mW。（a）輸出電壓獲取方式(b)簡(jiǎn)單的氣體檢測(cè)電路圖7-5氣敏傳感器的檢測(cè)電路

圖7-5(a)是與氣敏傳感器串聯(lián)電阻RS，RS上的電壓降就是傳感器的輸出電壓。若檢測(cè)到有害氣體，傳感器的氣敏元件的阻值降低，這時(shí)Rs兩端電壓就會(huì)升高，從而輸出電壓發(fā)生變化。圖7-5(b)是將傳感器的輸出接到比較器的同相輸人端，當(dāng)檢測(cè)氣體的濃度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，輸出高電平，控制后續(xù)電路工作，這樣就構(gòu)成了簡(jiǎn)單的氣體檢測(cè)電路。2．氣敏傳感器的溫度補(bǔ)償電路圖7-6簡(jiǎn)單的溫度補(bǔ)償電路

如圖7-6所示，它是在比較器A1的反相輸入端（基準(zhǔn)電壓端）接人的負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻RT。在溫度降低時(shí)，RT阻值增大，則反相輸入端的基準(zhǔn)電壓降低；而溫度升高時(shí)基準(zhǔn)電壓增大，從而跟蹤溫度的變化達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。熱敏電阻的θ常?shù)根據(jù)所用的氣體傳感器的溫度依存性選定，通常選用常數(shù)θ為3700～4000的熱敏電阻，對(duì)很多半導(dǎo)體氣敏傳感器都能進(jìn)行溫度補(bǔ)償。但采用熱敏電阻時(shí)，不可能在高低溫下都達(dá)到理想的補(bǔ)償效果，如需要靈敏地檢測(cè)到氣體，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮低溫補(bǔ)償。3．防止氣敏傳感器誤動(dòng)作的電路圖7-7防止誤動(dòng)作的電路

半導(dǎo)體氣敏傳感器的阻值在加電后不能馬上穩(wěn)定下來(lái)，從低阻到高阻逐漸趨于穩(wěn)定。為防止接通電源后控制電路誤動(dòng)作，可采用圖7-7所示的防止誤動(dòng)作電路。它是在接通電源后，經(jīng)一段延時(shí)VT1才導(dǎo)通，因此，在接通電源的一定時(shí)間內(nèi)繼電器K并不動(dòng)作。7.1.4氣敏傳感器的選擇

氣敏傳感器類型較多，其性能差異也大，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，宜根據(jù)具體的使用場(chǎng)合、條件和要求進(jìn)行合理選擇，做到既經(jīng)濟(jì)合理、又安全可靠。目前，對(duì)于氣體成份濃度的測(cè)量都采用一體化儀器完成，這類儀器就是將氣敏傳感器、測(cè)量電路、顯示器、報(bào)警器、電源（充電電池）、抽氣泵等組裝成一個(gè)整體，成為一體式儀器。對(duì)某一種氣敏傳感器的選擇實(shí)際上就是對(duì)某一種氣體檢測(cè)儀的選擇。選擇時(shí)把握以下幾點(diǎn)：1．確認(rèn)所要檢測(cè)氣體種類和濃度范圍2．確定使用場(chǎng)合3．擇優(yōu)選擇儀器型號(hào)7.1.5氣敏傳感器的應(yīng)用實(shí)例1．自動(dòng)換氣扇控制電路

圖7-8自動(dòng)換氣扇的電路

利用SnO2氣敏器件，可以設(shè)計(jì)用于空氣凈化的自動(dòng)換氣扇。圖7-8是自動(dòng)換氣扇的電路。當(dāng)室內(nèi)空氣污濁時(shí)，煙霧或其他污染氣體使氣敏器件阻值下降，晶體管VT導(dǎo)通，繼電器動(dòng)作，接通風(fēng)扇電源，可實(shí)現(xiàn)電扇自動(dòng)啟動(dòng)，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，VT截止，繼電器斷開(kāi)，風(fēng)扇電源切斷，風(fēng)扇停止工作。2．便攜式酒精探測(cè)電路圖7-9便攜式酒精探測(cè)器電路

如圖7-9所示為便攜式酒精探測(cè)器電路。傳感器可采用對(duì)乙醇?xì)怏w（酒氣）敏感的氣敏器件QN–J3等。該電路由電源插孔輸人12V直流電源，經(jīng)穩(wěn)壓后供給氣敏器件作加熱電壓和回路電壓。當(dāng)探測(cè)到酒精氣體時(shí)，氣敏器件的電阻值降低，經(jīng)VT4放大后在400A表頭上可大致顯示被測(cè)氣體的濃度。3．家用可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)報(bào)警電路

圖7-10家用可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)報(bào)警電路

圖7-10家用可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)報(bào)警電路

如圖7-10所示是家用可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)報(bào)警電路。當(dāng)QM–N5氣敏傳感器未接觸有害的可燃?xì)怏w時(shí)，VT1、VT2、VT3截止，KA不吸合，排氣及報(bào)警電路不工作。當(dāng)QM–N5接觸有害氣體的濃度達(dá)到一定值時(shí)，晶體管VT1、VT2、VT3均導(dǎo)通，繼電器KA通電吸合，動(dòng)斷觸點(diǎn)KA–1、KA–2閉合，排氣扇M運(yùn)轉(zhuǎn)，NE555多諧振蕩器工作，喇叭發(fā)聲報(bào)警，且LED閃爍發(fā)光。排氣扇不斷地把室內(nèi)的有害氣體向外排出，當(dāng)有害氣體的濃度降低到某一預(yù)定值時(shí)，KA釋放，排氣扇停轉(zhuǎn)，報(bào)警聲停止，LED停止發(fā)光。這樣，就達(dá)到自動(dòng)控制的目的。家庭用液化氣報(bào)警器7.2濕度傳感器

隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展及生活條件的提高，濕度的檢測(cè)與控制成為生產(chǎn)和生活中必不可少的手段。7.2.1濕度的定義及濕度傳感器的特性

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(cè)量空氣中的水蒸氣含量。通常用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度和露點(diǎn)（或露點(diǎn)溫度）來(lái)表示。1.絕對(duì)濕度

絕對(duì)濕度是指單位體積的空氣中水蒸氣的質(zhì)量，其表達(dá)式為

（7–2）

式中，為待測(cè)空氣中的水汽質(zhì)量；V為待測(cè)空氣的總體積。2．相對(duì)濕度相對(duì)濕度為待測(cè)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)。這是一個(gè)無(wú)量綱量，常表示為%RH，其表達(dá)式為

(7–3)式中，為待測(cè)氣氛的水汽分壓；為待測(cè)氣氛溫度相同時(shí)水的飽和水汽壓。

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(kāi)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0℃，水汽將凝結(jié)成霜，此時(shí)稱其為霜點(diǎn)。通常對(duì)兩者不予區(qū)分，統(tǒng)稱為露點(diǎn)，其單位為℃。濕敏元件是指對(duì)環(huán)境濕度具有響應(yīng)或?qū)穸绒D(zhuǎn)換成相應(yīng)可測(cè)信號(hào)的元件。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。降低溫度會(huì)產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。測(cè)量露點(diǎn)的儀器露點(diǎn)傳感器4．濕度傳感器的主要特性

（1）感濕特性：濕度傳感器的特征量（如電阻、電容、頻率等）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(lái)表示。（2）濕度量程：表示濕度傳感器技術(shù)規(guī)范規(guī)定的感濕范圍。全量程濕度為（0～100）%RH。（3）靈敏度：濕度傳感器的感濕特征量（如電阻、電容等）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。由于大多數(shù)濕度傳感器的感濕特性曲線是非線性的，因此常用不同環(huán)境下的感濕特征量之比來(lái)表示其靈敏度的大小。

（4）濕滯特性：濕度傳感器在吸濕過(guò)程和脫濕過(guò)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。（5）響應(yīng)時(shí)間：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)定變化量的規(guī)定比例所需的時(shí)間。一般以相應(yīng)的起始濕度和終止?jié)穸冗@一變化區(qū)間的90％的相對(duì)濕度變化所需的時(shí)間來(lái)計(jì)算。（6）感濕溫度系數(shù)：當(dāng)環(huán)境濕度恒定時(shí)，溫度每變化1℃所引起的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。7.2.2濕度傳感器的工作原理1.電阻式濕度傳感器

電阻變化型濕度傳感器根據(jù)使用濕敏材料的不同可分為高分子型和陶瓷型。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。其結(jié)構(gòu)示意圖及輸入輸出特性如圖7-12所示。根據(jù)檢測(cè)情況加熱裝置對(duì)濕敏元件進(jìn)行加熱清洗，對(duì)于濕敏陶瓷在500℃以上進(jìn)行幾秒鐘的加熱，從而清除陶瓷的污染，使其重現(xiàn)原來(lái)的性能。陶瓷材料在溫度200℃以下時(shí)的電阻值受溫度影響比較小，當(dāng)溫度在200℃以上時(shí)呈現(xiàn)普通的熱敏電阻特性。這樣加熱清洗的溫度控制可利用濕敏陶瓷在高溫時(shí)具有熱敏電阻特性進(jìn)行自動(dòng)控制。濕度檢測(cè)動(dòng)畫演示(a)ZrO2結(jié)構(gòu)示意圖

1－電極引線2－印制的ZrO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(guò)濾膜5－用絲網(wǎng)印刷法印制的Au硫狀電極100%20%40%60%80%RH(b)輸入輸出特性2．電容式濕度傳感器

電容式濕度傳感器是利用了兩個(gè)電極間的電介質(zhì)隨濕度變化引起電容值變化的特性制造出來(lái)的。以高分子電容式濕度傳感器為例，其基本結(jié)構(gòu)如圖7-13所示。它是在絕緣襯底上制作一對(duì)平板金（Au）電極，然后在上面涂敷一層均勻的高分子感濕膜做電介質(zhì)，在表層以鍍膜的方法制作多孔浮置電極（Au膜電極），形成串聯(lián)電容。圖7-13電容式濕度傳感器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)露傳感器這種傳感器是利用了摻人炭粉的有機(jī)高分子材料吸濕后的膨潤(rùn)現(xiàn)象。在高濕度下，高分子材料的膨脹引起其中所含炭粉間距變化而產(chǎn)生電阻突變。利用這種現(xiàn)象可制成具有開(kāi)關(guān)特性的濕度傳感器。結(jié)露傳感器是一種特殊的濕度傳感器，它與一般濕度傳感器的不同之處在于它對(duì)低濕度不敏感，僅對(duì)高濕度敏感。故結(jié)露傳感器一般不用于測(cè)濕，而作為提供開(kāi)關(guān)信號(hào)的結(jié)露信號(hào)器，用于自動(dòng)控制或報(bào)警，如用于檢測(cè)磁帶錄像機(jī)、照相機(jī)結(jié)露及小汽車玻璃窗除露等。7.2.3濕度傳感器的應(yīng)用技術(shù)1．濕敏電阻的濕度測(cè)量電路

圖7-14濕敏電阻的濕度測(cè)量電路如圖7-14所示，VD1、、濕敏電阻RH構(gòu)成VT1的偏置電路，VD1有一定的溫度補(bǔ)償作用。濕度發(fā)生變化時(shí)，濕敏電阻的阻值發(fā)生變化，該變化引起VT1的偏流發(fā)生變化，經(jīng)VT1放大后輸出傳感信號(hào)；VT2進(jìn)一步放大傳感信號(hào)，RP調(diào)節(jié)VT1的工作點(diǎn)，VD2進(jìn)一步作溫度補(bǔ)償。2．濕敏電容的濕度測(cè)量電路如圖7-15所示，施密特觸發(fā)器F1構(gòu)成振蕩器，振蕩頻率主要有、決定；振蕩輸出信號(hào)加到濕敏電容808上作為濕敏傳感器的交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)；當(dāng)濕度在0～100%之間變化時(shí)，濕敏電容的電容量發(fā)生變化，該變化經(jīng)F2整形，R3、C2積分后輸出1.20～1.35V直流電壓。圖7-15濕敏電容的濕度測(cè)量電路3．濕度傳感器的簡(jiǎn)單溫度補(bǔ)償電路在濕度要求不太高的場(chǎng)合，可以使用如圖7-16所示的簡(jiǎn)易溫度補(bǔ)償濕度傳感器電路。傳感器為濕敏電阻RH，與PTC溫度補(bǔ)償熱敏電阻RT串聯(lián)，溫度升高時(shí)，濕敏電阻的靈敏度會(huì)下降，而熱敏電阻的電阻值會(huì)增大，該變化有所抵消溫度對(duì)濕度傳感器所造成的影響。輸出電壓為

(7–5)圖7-16簡(jiǎn)單溫度補(bǔ)償電路7.2.4濕度傳感器的選擇1．選擇合適的測(cè)量范圍2．選擇測(cè)量精度3．考慮時(shí)漂和溫漂4．其他注意事項(xiàng)7.2.5濕度傳感器的應(yīng)用實(shí)例1．房間濕度控制電路

圖7-17房間濕度控制電路

如圖7-17所示，將傳感器輸出信號(hào)分成三路分別接在A1的反相輸入端、A2的同相輸入端和顯示器的正輸人端。Al和A2為開(kāi)環(huán)應(yīng)用，作為電壓比較器，只需將和調(diào)整到適當(dāng)?shù)奈恢?，便?gòu)成上、下限控制電路。當(dāng)相對(duì)濕度下降時(shí)，傳感器輸出電壓值也隨著下降；當(dāng)降到設(shè)定數(shù)值時(shí)，Al的1腳電位將突然升高，使VT1導(dǎo)通，同時(shí)，LED1發(fā)綠光，表示空氣太干燥，KA1吸合，接通超聲波加濕機(jī)。當(dāng)相對(duì)濕度上升時(shí)，傳感器輸出電壓值也隨著上升，升到一定數(shù)值時(shí)，KA1釋