1、1,第一節(jié) 光纖傳感器 第二節(jié) 氣敏傳感器 第三節(jié) 濕度傳感器,第六章 其他種類的傳感器,2,光纖傳感器(FOS Fiber Optical Sensor)是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。因此，它同時具有光纖及光學(xué)測量的特點。 電絕緣性能好。 抗電磁干擾能力強。 非侵入性。 高靈敏度。 容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控。 光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動、溫度、電流、電壓、磁場等物理量,第一節(jié)光纖傳感器

2、,3,一、光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理 光是一種電磁波,一般采用波動理論來分析導(dǎo)光的基本原理。然而根據(jù)光學(xué)理論指出：在尺寸遠大于波長而折射率變化緩慢的空間,可以用“光線”即幾何光學(xué)的方法來分析光波的傳播現(xiàn)象,這對于光纖中的多模光纖是完全適用的。為此, 采用幾何光學(xué)的方法來分析。,1、斯乃爾定理（Snells Law） 當(dāng)光由光密物質(zhì)(折射率大)入射至光疏物質(zhì)時發(fā)生折射，如圖(a)，其折射角大于入射角，即n1n2時，ri。,可見，入射角i增大時，折射角r也隨之增大，且始終ri。,n1、n2、r、i之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為,n1sini=n2sinr,4,當(dāng)ii0并繼續(xù)增大時，r90，這時便發(fā)生全反射現(xiàn)象，如圖

3、(c) ，其出射光不再折射而全部反射回來。,式中：i0臨界角,i0=arcsin(n2/n1),sini0=n2/n1,sinrsin901,當(dāng)r=90時，i仍90，此時，出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D（b），稱為臨界狀態(tài)。這時有,5,2、光纖結(jié)構(gòu) 分析光纖導(dǎo)光原理，除了應(yīng)用斯乃爾定理外還須結(jié)合光纖結(jié)構(gòu)來說明。光纖呈圓柱形，它由玻璃纖維芯(纖芯)和玻璃包皮(包層)兩個同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)組成。,纖芯位于光纖的中心部位，光主要在這里傳輸。纖心折射率n1比包層折射率n2稍大些兩層之間形成良好的光學(xué)界面，光線在這個界面上反射傳播。,n2,n1,纖芯,包層,光纖結(jié)構(gòu),6,3、光纖導(dǎo)光原理及數(shù)值孔徑NA 入射光線

4、AB與纖維軸線OO相交角為i，入射后折射(折射角為j)至纖芯與包層界面C點，與C點界面法線DE成k角，并由界面折射至包層，CK與DE夾角為r。則,n0sini=n1sinj n1sink=n2sinr sini=(n1/n0)sinj sink=(n2/n1)sinr 因j=90k 所以,j,i,k,r,A,B,C,D,E,F,G,K,O,O,n0,n2,n1,光纖導(dǎo)光示意圖,n0為入射光線AB所在空間的折射率，一般為空氣，故n1，nl為纖芯折射率，n2為包層折射率。當(dāng)n=1時,7,上式sini0為“數(shù)值孔徑” NA(NumericalAperture)。由于n1與n2相差較小，即n1+n22

5、n1,故又可因式分解為,=(n1-n2)/n1稱為相對折射率差,當(dāng)r=90的臨界狀態(tài)時，i=i0,當(dāng)rNA，iarcsin NA，光線消失。 這說明arcsinNA是一臨界角,凡入射角iarcsinNA的那些光線進入光纖都不能傳播而在包層消失；相反,只有入射角iarcsinNA的光線才可進入光纖被全反射傳播,當(dāng)r=90時,當(dāng)r90時，光線發(fā)生全反射，則,sini0=NA i0=arcsin NA,ii0=arcsin NA,8,二、光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理及分類 1、光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理 以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器是一種把測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的電信號的裝置。它的電源、敏感元件、信號接收和處理系統(tǒng)以及信息傳

6、輸均用金屬導(dǎo)線連接，見圖(a)。光纖傳感器則是一種把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。由光發(fā)送器、敏感元件(光纖或非光纖的)、光接收器、信號處理系統(tǒng)以及光纖構(gòu)成，見圖(b)。,光纖,信號處理,光接收器,敏感元件,光發(fā)送器,（b）光纖傳感器,信號處理,電 源,信號接收,敏感元件,（a）傳統(tǒng)傳感器,導(dǎo)線,由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)源光纖引導(dǎo)至敏感元件。這時，光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘枺詈蠼?jīng)信號處理得到所期待的被測量。,9,可見,光纖傳感器與以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器相比較，在測量原理上有本質(zhì)的差別。傳統(tǒng)傳感器是以機電測量為基礎(chǔ)，而光纖傳感器則以光學(xué)

7、測量為基礎(chǔ)。 光是一種電磁波，其波長從極遠紅外的lmm到極遠紫外線的10nm。它的物理作用和生物化學(xué)作用主要因其中的電場而引起。因此，討論光的敏感測量必須考慮光的電矢量E的振動，即 A電場E的振幅矢量；光波的振動頻率； 光相位；t光的傳播時間。 可見，只要使光的強度、偏振態(tài)(矢量A的方向)、頻率和相位等參量之一隨被測量狀態(tài)的變化而變化，或受被測量調(diào)制，那么，通過對光的強度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制等進行解調(diào)，獲得所需要的被測量的信息。,10,傳感器,光學(xué)現(xiàn)象,被測量,光纖,分類,干涉型,相位調(diào)制光線傳感器,干涉（磁致伸縮） 干涉（電致伸縮） Sagnac效應(yīng) 光彈效應(yīng) 干涉,電流、磁場

8、 電場、電壓 角速度 振動、壓力、加速度、位移 溫度,SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM,a a a a a,非 干 涉 型,強度調(diào)制光纖溫度傳感器,遮光板遮斷光路 半導(dǎo)體透射率的變化 熒光輻射、黑體輻射 光纖微彎損耗 振動膜或液晶的反射 氣體分子吸收 光纖漏泄膜,溫度、振動、壓力、加速度、位移 溫度 溫度 振動、壓力、加速度、位移 振動、壓力、位移 氣體濃度 液位,MM MM MM SM MM MM MM,b b b b b b b,偏振調(diào)制光纖溫度傳感器,法拉第效應(yīng) 泡克爾斯效應(yīng) 雙折射變化 光彈效應(yīng),電流、磁場 電場、電壓、 溫度 振動、壓力、加速度、位移,SM

9、MM SM MM,b,a b b b,頻率調(diào)制光纖溫度傳感器,多普勒效應(yīng) 受激喇曼散射 光致發(fā)光,速度、流速、振動、加速度 氣體濃度 溫度,MM MM MM,c b b,注：MM多模；SM單模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型,2、光纖傳感器的分類,11,（1）根據(jù)光纖在傳感器中的作用 光纖傳感器分為功能型、非功能型和拾光型三大類。 1）功能型（全光纖型）光纖傳感器 利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用下，其光學(xué)特性(光強、相位、偏振態(tài)等)的變化來實

10、現(xiàn)“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長度，可提高靈敏度。,信號處理,光受信器,光纖敏感元件,光發(fā)送器,12,2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器 光纖僅起導(dǎo)光作用，只“傳”不“感”，對外界信息的“感覺”功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成。光纖不連續(xù)。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實現(xiàn)，成本低。但靈敏度也較低，用于對靈敏度要求不太高的場合。,3）拾光型光纖傳感器 用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。,信號 處理,光受 信器,光發(fā)送器,光纖,耦合器,被測對象,1

11、3,（2）根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式 形式：強度調(diào)制型、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制。 1）強度調(diào)制型光纖傳感器 是一種利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。有利用光纖的微彎損耗；各物質(zhì)的吸收特性；振動膜或液晶的反射光強度的變化；物質(zhì)因各種粒子射線或化學(xué)、機械的激勵而發(fā)光的現(xiàn)象；以及物質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等來構(gòu)成壓力、振動、溫度、位移、氣體等各種強度調(diào)制型光纖傳感器。 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)，成本低。 缺點：受光源強度波動和連接器損耗變化等影響較大 。,14,2）偏振調(diào)制光纖傳感器 是一種利用光偏振態(tài)變化來傳遞被測對象信息

12、的傳感器。有利用光在磁場中媒質(zhì)內(nèi)傳播的法拉第效應(yīng)做成的電流、磁場傳感器；利用光在電場中的壓電晶體內(nèi)傳播的泡爾效應(yīng)做成的電場、電壓傳感器；利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)構(gòu)成的壓力、振動或聲傳感器；以及利用光纖的雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動等傳感器。這類傳感器可以避免光源強度變化的影啊，因此靈敏度高。 3）頻率調(diào)制光纖傳感器 是一種利用單色光射到被測物體上反射回來的光的頻率發(fā)生變化來進行監(jiān)測的傳感器。有利用運動物體反射光和散射光的多普勒效應(yīng)的光纖速度、流速、振動、壓力、加速度傳感器；利用物質(zhì)受強光照射時的喇曼散射構(gòu)成的測量氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器；以及利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。,15,4）相位調(diào)制

13、傳感器 其基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場傳感器；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克（Sagnac）效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）等。這類傳感器的靈敏度很高。但由于須用特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，因此成本高。,16,三、光纖傳感器的應(yīng)用 （一）溫度的檢測 光纖溫度傳感器有功能型和傳光型兩種。,1、遮光式光纖溫度計 下圖為一種簡單的利用水

14、銀柱升降溫度的光纖溫度開關(guān)?？捎糜趯υO(shè)定溫度的控制，溫度設(shè)定值靈活可變,1,2,3,4,水銀柱式光纖溫度開關(guān),1 浸液 2 自聚焦透鏡 3 光纖 4 水銀,17,下圖為利用雙金屬熱變形的遮光式光纖溫度計。當(dāng)溫度升高時，雙金屬片的變形量增大，帶動遮光板在垂直方向產(chǎn)生位移從而使輸出光強發(fā)生變化。這種形式的光纖溫度計能測量1050的溫度。檢測精度約為0.5。它的缺點是輸出光強受殼體振動的影響，且響應(yīng)時間較長，一般需幾分鐘。,光源,接收,熱雙金屬式光纖溫度開關(guān),1,2,1 遮光板 2 雙金屬片,18,2、透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器 當(dāng)一束白光經(jīng)過半導(dǎo)體晶體片時，低于某個特定波長g的光將被半導(dǎo)體吸收,而

15、高于該波長的光將透過半導(dǎo)體。這是由于半導(dǎo)體的本征吸收引起的,g稱為半導(dǎo)體的本征吸收波長。電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶引起的吸收稱為本征吸收。當(dāng)一定波長的光照射到半導(dǎo)體上時,電子吸收光能從價帶躍遷入導(dǎo)帶,顯然,要發(fā)生本征吸收,光子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg，即,因c/v，則產(chǎn)生本征吸收條件,h 普朗克常數(shù)；v 光頻率,因此，對于波長大于g的光，能透過半導(dǎo)體，而波長小于g的光將被半導(dǎo)體吸收。不同種類的半導(dǎo)體材料具有不同的本征吸收波長，圖為在室溫(20)時,120m厚的GaAs材料的透射率曲線。,19,由圖看出，GaAs在室溫時的本征吸收波長約為880nm左右，半導(dǎo)體的吸收光譜與Eg有關(guān)，而半導(dǎo)體材料

16、的Eg隨溫度的不同而不同，Eg與溫度t的關(guān)系可表示為,式中：Eg（0）絕對零度時半導(dǎo)體的禁帶寬度； 經(jīng)驗常數(shù)(eVK)；經(jīng)驗常數(shù)(K)。,850,800,900,950,1000,0,10,20,30,40,t=20,波長/nm,GaAs的光譜透射率曲線,透射率(%),對于GaAs材料，由實驗得到, =5.810-4eV/K =300K,20,由此可見，半導(dǎo)體材料的Eg隨溫度上升而減小，亦即其本征吸收波長g隨溫度上升而增大。反映在半導(dǎo)體的透光特性上，即當(dāng)溫度升高時，其透射率曲線將向長波方向移動。若采用發(fā)射光譜與半導(dǎo)體的g(t)相匹配的發(fā)光二極管作為光源，如圖，則透射光強度將隨著溫度的升高而減小

17、。,21,（二）壓力的檢測 種類：強度調(diào)制型、相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型三類。 1、采用彈性元件的光纖壓力傳感器 利用彈性體的受壓變形，將壓力信號轉(zhuǎn)換成位移信號，從而對光強進行調(diào)制。因此，只要設(shè)計好合理的彈性元件及結(jié)構(gòu)，就可以實現(xiàn)壓力的檢測。下圖為簡單的利用Y形光纖束的膜片反射型光纖壓力傳感器。在Y形光纖束前端放置一感壓膜片，當(dāng)膜片受壓變形時，使光纖束與膜片間的距離發(fā)生變化，從而使輸出光強受到調(diào)制。,膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖,光源,接收,1,2,1 Y形光纖束 2 殼片 3 膜片,3,P,22,彈性膜片材料是恒彈性金屬，如殷鋼、鈹青銅等。但金屬材料的彈性模量有一定的溫度系數(shù)，因此要考慮溫度補

18、償。若選用石英膜片，則可減小溫度的影響。 膜片的安裝采用周邊固定，焊接到外殼上。對于不同的測量范圍，可選擇不同的膜片尺寸。一般膜片的厚度在0.05mm0.2mm之間為宜。對于周邊固定的膜片，在小撓度(y0.5t，t為膜片厚度)的條件下，膜片的中心撓度y為,R膜片有效半徑；t膜片厚度； p外加壓力； E膜片材料的彈性模量； 為膜片的泊松比。,可見，在一定范圍內(nèi)，膜片中心撓度與所加的壓力呈線性關(guān)系。若利用Y形光纖束檢測位移特性的線性區(qū)，則傳感器的輸出光功率亦與待測壓力呈線性關(guān)系。 這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用方便，但如果光源不穩(wěn)定或長期使用后膜片的反射率下降，影響其精度。,23,改進型的膜片反

19、射式光纖壓力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖(a),這里采用了特殊結(jié)構(gòu)的光纖束，光纖束的一端分成三束,其中一束為輸入光纖,兩束為輸出光纖。三束光纖在另一端結(jié)合成一束,并且在端面成同心環(huán)排列分布,如圖(b)。其中最里面一圈為輸出光纖束1,中間一圈為輸入光纖束,外面一圈為輸出光纖束2。當(dāng)壓差為零時，膜片不變形,反射到兩束輸出光纖的光強相等,即I1I2。當(dāng)膜片受壓變形后,使得處于里面一圈的光纖束,接收到的反射光強減小,而處于外面一圈的光纖束2接到的反射光強增大,形成差動輸出。,4,(a)傳感器結(jié)構(gòu),(b)探頭截面結(jié)構(gòu),(c)測量原理,2(外圈),1 (內(nèi)圈),I1,I0,I2,I1,I0,I2,I1,I0,I2,3

20、 (輸入),24,可見，輸出光強比I2Il與膜片的反射率、光源強度等因素均無關(guān)，因而可有效地消除這些因素的影響。 將上式兩邊取對數(shù)且滿足(Ap)21時,等式右邊展開后取第一項，得到 這表明待測壓力與輸出光強比的對數(shù)呈線性關(guān)系。因此，若將I1、I2檢出后分別經(jīng)對數(shù)放大后，再通過減法器即可得到線性的輸出。 若選用的光纖束中每根光纖的芯徑為70m,包層厚度為3.5m,纖芯和包層折射率分別為1.52和1.62,則該傳感器可獲得115dB的動態(tài)范圍,線性度為0.25。采用不同的尺寸、材料的膜片,即可獲得不同的測量范圍。,兩束輸出光的光強之比為,A與膜片尺寸、材料及輸入光纖束數(shù)值孔徑等有關(guān)的常數(shù)； p待測

21、量壓力。,25,2、光彈性式光纖壓力傳感器 晶體在受壓后其折射率發(fā)生變化，呈現(xiàn)雙折射的現(xiàn)象稱為光彈性效應(yīng)。利用光彈性效應(yīng)測量壓力的原理及傳感器結(jié)構(gòu)如圖。發(fā)自LED的入射光經(jīng)起偏器后成為直線偏振光。當(dāng)有與入射光偏振方向呈45的壓力作用于晶體時，使晶體呈雙折射從而使出射光成為橢圓偏振光，由檢偏器檢測出與入射光偏振方向相垂直方向上的光強，即可測出壓力的變化。其中1/4波長板用于提供一偏置，使系統(tǒng)獲得最大靈敏度。,(b)傳感器結(jié)構(gòu),1,2,3,4,5,P,(a)檢測原理,P,6,7,8,9,10,11,1 光源 2、8 起偏器 3、9 1/4波長板 4、10 光彈性元件5、11 檢偏器 6 光纖 7

22、自聚焦透鏡,偏振光,線偏振光,橢圓偏振光,26,為了提高傳感器的精度和穩(wěn)定性，下圖為另一種檢測方法的結(jié)構(gòu)。輸出光用偏振分光鏡分別檢測出兩個相互垂直方向的偏振分量；并將這兩個分量經(jīng)“差和”電路處理，即可得到與光源強度及光纖損耗無關(guān)的輸出。該傳感器的測量范圍為103Pa106Pa，精度為1，理論上分辨力可達1.4Pa。 這種結(jié)構(gòu)的傳感器在光彈性元件上加上質(zhì)量塊后，也可用于測量振動、加速度。,輸出,前置,放大,前置,放大,I2I1,I2+I1,驅(qū)動,1,2,3,4,5,6,I1,I2,PD1,PD2,光彈性式光纖壓力傳感器的另一種結(jié)構(gòu),1 光纖 2 起偏器 3 光彈性元件 4 1/4波長板 5 偏振

23、分光鏡 6 反射鏡,p,27,（三）液位、流量、流速的檢測 1、液位的檢測技術(shù) （1）球面光纖液位傳感器,1,2,(a)探頭結(jié)構(gòu),(b) )檢測原理,空氣,液體,LED,PD,光由光纖的一端導(dǎo)入,在球狀對折端部一部分光透射出去,而另一部分光反射回來,由光纖的另一端導(dǎo)向探測器。反射光強的大小取決于被測介質(zhì)的折射率。被測介質(zhì)的折射率與光纖折射率越接近,反射光強度越小。顯然,傳感器處于空氣中時比處于液體中時的反射光強要大。因此,該傳感器可用于液位報警。若以探頭在空氣中時的反射光強度為基準(zhǔn)，則當(dāng)接觸水時反射光強變化6dB7dB,接觸油時變化25dB30dB。,28,（2）斜端面光纖液位傳感器 下圖為反

24、射式斜端面光纖液位傳感器的兩種結(jié)構(gòu)。同樣，當(dāng)傳感器接觸液面時，將引起反射回另一根光纖的光強減小。這種形式的探頭在空氣中和水中時，反射光強度差約在20dB以上。,斜面反射式光纖液位傳感器,(a),1,2,3,(b),1、2 光纖 3 棱鏡,29,（3）單光纖液位傳感器 單光纖液位傳感器的結(jié)構(gòu)如圖，將光纖的端部拋光成45的圓錐面。當(dāng)光纖處于空氣中時，入射光大部分能在端部滿足全反射條件而返回光纖。當(dāng)傳感器接觸液體時，由于液體的折射率比空氣大，使一部分光不能滿足全反射條件而折射入液體中，返回光纖的光強就減小。利用X形耦合器即可構(gòu)成具有兩個探頭的液位報警傳感器。同樣，若在不同的高度安裝多個探頭，則能連續(xù)

25、監(jiān)視液位的變化。,單光纖液位傳感器結(jié)構(gòu),1,2,1 光纖 2 耦合器,30,上述探頭在接觸液面時能快速響應(yīng)，但在探頭離開液體時，由于有液滴附著在探頭上，故不能立即響應(yīng)。為了克服這個缺點，可將探頭的結(jié)構(gòu)作一些改變，如圖。將光纖端部的尖頂略微磨平，并鍍上反射膜。這樣，即使有液體附著在頂部，也不影響輸出跳變。進一步的改進是在頂部鍍反射膜外粘上一突出物，將附著的液體導(dǎo)引向突出物的下端。這樣，可以保證探頭在離開液位時也能快速地響應(yīng)。,改進的光纖液位探頭,31,2、流量、流速的檢測 （1）光纖渦街流量計 當(dāng)一個非流線體置于流體中時，在某些條件下會在液流的下游產(chǎn)生有規(guī)律的旋渦。這種旋渦將會在該非流線體的兩邊

26、交替地離開。當(dāng)每個旋渦產(chǎn)生并瀉下時，會在物體壁上產(chǎn)生一側(cè)向力。這樣，周期產(chǎn)生的旋渦將使物體受到一個周期的壓力。若物體具有彈性，它便會產(chǎn)生振動，振動頻率近似地與流速成正比。即 式中：v流體的流速； d物體相對于液流方向的橫向尺寸； s與流體有關(guān)的無量綱常數(shù)。 因此，通過檢測物體的振動頻率便可測出流體的流速。光纖渦街流量計便是根據(jù)這個原理制成的，其結(jié)構(gòu)如圖。,fsvd,32,紋穩(wěn)定。當(dāng)光纖振動時,輸出光斑亦發(fā)生移動。對于處于光斑中某個固定位置的小型探測器,光斑花紋的移動反映為探測器接收到的輸出光強的變化。利用頻譜分析,即可測出光纖的振動頻率。根據(jù)上式或?qū)嶒灅?biāo)定得到流速值,在管徑尺寸已知的情況下，即

27、可計算出流量。 光纖渦街流量計特點：可靠性好,無任何可動部分和聯(lián)接環(huán)節(jié),對被測體流阻小,基本不影響流速。但在流速很小時,光纖振動會消失,因此存在一定的測量下限。,在橫貫流體管道的中間裝有一根繃緊的多模光纖，當(dāng)流體流動時,光纖就發(fā)生振動,其振動頻率近似與流速成正比。由于使用的是多模光纖,故當(dāng)光源采用相干光源(如激光器)時,其輸出光斑是模式間干涉的結(jié)果。當(dāng)光纖固定時,輸出光斑花,光源,頻譜,分析記錄,探測器,1,2,3,4,5,1 夾具2 密封膠3 液體流管4 光纖5 張力載荷,33,（2）光纖多普勒流速計 下圖為利用光纖多普勒計來測量流體流速的原理。當(dāng)待測流體為氣體時，散射光將非常微弱，此時可采

28、用大功率的Ar激光器（出射光功率為2W，=514.5nm）以提高信噪比。 特點：非接觸測量，不影響待測物體的流動狀態(tài)。,光纖多譜勒流量計結(jié)構(gòu),探測器,頻譜,分析儀,He-Ne激光器,1,2,3,4,5,6,7,8,1、3 分束器； 2 反射鏡； 4 透鏡； 5 流體管道； 6 窗口； 7、8 光纖,34,第二節(jié) 氣敏傳感器,接觸燃燒式氣敏元件 金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏元件 氧化鋯氣敏元件,工作原理、主要類型及應(yīng)用,35,一、接觸燃燒式氣體傳感器 1、檢測原理 可燃性氣體(H2、CO、CH4等)與空氣中的氧接觸，發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生反應(yīng)熱(無焰接觸燃燒熱)，使得作為敏感材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應(yīng)增

29、大。一般情況下，空氣中可燃性氣體的濃度都不太高(低于10)，可燃性氣體可以完全燃燒，其發(fā)熱量與可燃性氣體的濃度有關(guān)?？諝庵锌扇夹詺怏w濃度愈大，氧化反應(yīng)(燃燒)產(chǎn)生的反應(yīng)熱量(燃燒熱)愈多，鉑絲的溫度變化(增高)愈大，其電阻值增加的就越多。因此，只要測定作為敏感件的鉑絲的電阻變化值(R)，就可檢測空氣中可燃性氣體的濃度。但是，使用單純的鉑絲線圈作為檢測元件，其壽命較短，所以，實際應(yīng)用的檢測元件，都是在鉑絲圈外面涂覆一層氧化物觸媒。這樣既可以延長其使用壽命，又可以提高檢測元件的響應(yīng)特性。,36,接觸燃燒式氣體敏感元件的橋式電路如圖。圖中F1是檢測元件；F2是補償元件，其作用是補償可燃性氣體接觸燃燒

30、以外的環(huán)境溫度、電源電壓變化等因素所引起的偏差。工作時，要求在F1和F2上保持100mA200mA的電流通過，以供可燃性氣體在檢測元件F1上發(fā)生氧化反應(yīng)(接觸燃燒)所需要的熱量。當(dāng)檢測元件F1與可燃性氣體接觸時，由于劇烈的氧化作用(燃燒)，釋放出熱量，使得檢測元件的溫度上升，電阻值相應(yīng)增大，橋式電路不再平衡，在A、B間產(chǎn)生電位差E。,A,F2,F1,M,R1,R2,C,B,D,W2,W1,E0,因為RF很小，且RF1R1=RF2R2,37,這樣，在檢測元件F1和補償元件F2的電阻比RF2/RF1接近于1的范圍內(nèi)，A，B兩點間的電位差E，近似地與RF成比例。在此，RF是由于可燃性氣體接觸燃燒所產(chǎn)

31、生的溫度變化(燃燒熱)引起的，是與接觸燃燒熱(可燃性氣體氧化反應(yīng)熱)成比例的。即RF可用下式表示,如果令,則有,檢測元件的電阻溫度系數(shù)； T由于可燃性氣體接觸燃燒所引起的檢測元件的溫度增加值； H可燃性氣體接觸燃燒的發(fā)熱量； C檢測元件的熱容量； Q可燃性氣體的燃燒熱；m可燃性氣體的濃度(Vol)； 由檢測元件上涂覆的催化劑決定的常數(shù)。,38,，C和的數(shù)值與檢測元件的材料、形狀、結(jié)構(gòu)、表面處理方法等因素有關(guān)。Q是由可燃性氣體的種類決定。因而，在一定條件下，都是確定的常數(shù)。則,A、B間的電位差E，并由此求得空氣中可燃性氣體的濃度。若與相應(yīng)的電路配合，就能在空氣中當(dāng)可燃性氣體達到一定濃度時，自動發(fā)

32、出報警信號，其感應(yīng)特性曲線如圖。,接觸燃燒式氣敏元件的感應(yīng)特性,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,50,100,150,輸 出 電 壓 / mV,丙烷,乙醇,異丁烷,丙酮,環(huán)己烷,氣體濃度(XLEL),E=kmb,即A、B兩點間的電位差與可燃性氣體的濃度m成比例。如果在A、B兩點間連接電流計或電壓計，就可以測得,39,2、接觸燃燒式氣敏元件的結(jié)構(gòu) 用高純的鉑絲,繞制成線圈,為了使線圈具有適當(dāng)?shù)淖柚?12),一般應(yīng)繞10圈以上。在線圈外面涂以氧化鋁或氧化鋁和氧化硅組成的膏狀涂覆層,干燥后在一定溫度下燒結(jié)成球狀多孔體。將燒結(jié)后的小球,放在貴金屬鉑、鈀等的鹽溶液中,充分浸漬后取出烘干。然后

33、經(jīng)過高溫?zé)崽幚?使在氧化鋁(氧化鋁一氧化硅)載體上形成貴金屬觸媒層,最后組裝成氣體敏感元件。除此之外,也可以將貴金屬觸媒粉體與氧化鋁、氧化硅等載體充分混合后配成膏狀,涂覆在鉑絲繞成的線圈上,直接燒成后備用。另外，作為補償元件的鉑線圈,其尺寸、阻值均應(yīng)與檢測元件相同。并且,也應(yīng)涂覆氧化鋁或者氧化硅載體層,只是無須浸漬貴金屬鹽溶液或者混入貴金屬觸媒粉體,形成觸媒層而已。,40,觸媒,Al2O3載體,Pt絲,元件,(0.8-2)mm,(b)敏感元件外形圖,接觸燃燒式氣敏元件結(jié)構(gòu)示意圖,(a)元件的內(nèi)部示意圖,41,二、半導(dǎo)體氣體傳感器 氣體敏感元件，大多是以金屬氧化物半導(dǎo)體為基礎(chǔ)材料。當(dāng)被測氣體在該

34、半導(dǎo)體表面吸附后，引起其電學(xué)特性(例如電導(dǎo)率)發(fā)生變化。目前流行的定性模型是：原子價控制模型、表面電荷層模型、晶粒間界勢壘模型。 1、半導(dǎo)體氣敏元件的特性參數(shù) （1）氣敏元件的電阻值 將電阻型氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值，稱為氣敏元件(電阻型)的固有電阻值，表示為。一般其固有電阻值在(103105)范圍。 測定固有電阻值時, 要求必須在潔凈空氣環(huán)境中進行。由于經(jīng)濟地理環(huán)境的差異，各地區(qū)空氣中含有的氣體成分差別較大，即使對于同一氣敏元件，在溫度相同的條件下，在不同地區(qū)進行測定，其固有電阻值也都將出現(xiàn)差別。因此，必須在潔凈的空氣環(huán)境中進行測量。,42,（2）氣敏元件的靈敏度 是表征氣敏元件對

35、于被測氣體的敏感程度的指標(biāo)。它表示氣體敏感元件的電參量（如電阻型氣敏元件的電阻值）與被測氣體濃度之間的依從關(guān)系。表示方法有三種,（a）電阻比靈敏度K （b）氣體分離度 RC1氣敏元件在濃度為Cc的被測氣體中的阻值： R2氣敏元件在濃度為C2的被測氣體中的阻值。通常，C1C2。 （c）輸出電壓比靈敏度KV Va:氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負載電阻上的電壓輸出； Vg:氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時，負載電阻的電壓輸出,Ra氣敏元件在潔凈空氣中的電阻值； Rg氣敏元件在規(guī)定濃度的被測氣體中的電阻值,43,（4）氣敏元件的響應(yīng)時間 表示在工作溫度下，氣敏元件對被測氣體的響應(yīng)速度。一般從氣敏元件

36、與一定濃度的被測氣體接觸時開始計時，直到氣敏元件的阻值達到在此濃度下的穩(wěn)定電阻值的63時為止，所需時間稱為氣敏元件在此濃度下的被測氣體中的響應(yīng)時間，通常用符號tr表示。,（3）氣敏元件的分辨率 表示氣敏元件對被測氣體的識別（選擇）以及對干擾氣體的抑制能力。氣敏元件分辨率S表示為,Va氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負載電阻上的輸出電壓；Vg氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時，負載電阻上的電壓 Vgi氣敏元件在i種氣體濃度為規(guī)定值中工作時，負載電阻的電壓,44,（5）氣敏元件的加熱電阻和加熱功率 氣敏元件一般工作在200以上高溫。為氣敏元件提供必要工作溫度的加熱電路的電阻(指加熱器的電阻值)稱為加熱

37、電阻，用RH表示。直熱式的加熱電阻值一般小于5；旁熱式的加熱電阻大于20。氣敏元件正常工作所需的加熱電路功率，稱為加熱功率，用表示。一般在(0.52.0)W范圍。,（6）氣敏元件的恢復(fù)時間 表示在工作溫度下,被測氣體由該元件上解吸的速度,一般從氣敏元件脫離被測氣體時開始計時,直到其阻值恢復(fù)到在潔凈空氣中阻值的63時所需時間。,45,（7）初期穩(wěn)定時間 長期在非工作狀態(tài)下存放的氣敏元件,因表面吸附空氣中的水分或者其他氣體,導(dǎo)致其表面狀態(tài)的變化，在加上電負荷后,隨著元件溫度的升高,發(fā)生解吸現(xiàn)象。因此,使氣敏元件恢復(fù)正常工作狀態(tài),需要一定的時間,稱為氣敏元件的初期穩(wěn)定時間。一般電阻型氣敏元件,在剛通

38、電的瞬間,其電阻值將下降,然后再上升,最后達到穩(wěn)定。由開始通電直到氣敏元件阻值到達穩(wěn)定所需時間,稱為初期穩(wěn)定時間。初期穩(wěn)定時間是敏感元件存放時間和環(huán)境狀態(tài)的函數(shù)。存放時間越長,其初期穩(wěn)定時間也越長。在一般條件下,氣敏元件存放兩周以后,其初期穩(wěn)定時間即可達最大值。,46,2、燒結(jié)型SnO2氣敏元件 SnO2系列氣敏元件有燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種。燒結(jié)型應(yīng)用最廣泛性。 其敏感體用粒徑很小(平均粒徑m)的SnO2粉體為基本材料，根據(jù)需要添加不同的添加劑，混合均勻作為原料。主要用于檢測可燃的還原性氣體，其工作溫度約300。根據(jù)加熱方式，分為直接加熱式和旁熱式兩種。,（1）直接加熱式SnO2氣敏元件(

39、直熱式氣敏元件),由芯片(敏感體和加熱器)，基座和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成。因其熱容量小、穩(wěn)定性差，測量電路與加熱電路間易相互干擾，加熱器與SnO2基體間由于熱膨脹系數(shù)的差異而導(dǎo)致接觸不良，造成元件的失效，現(xiàn)已很少使用。,47,（2）旁熱式SnO2氣敏元件,加熱器電阻值一 般為3040,48,三、氧化鋯氧氣傳感器 固體電解質(zhì)是具有離子導(dǎo)電性能的固體物質(zhì)。一般認為，固體物質(zhì)(金屬或半導(dǎo)體)中，作為載流子傳導(dǎo)電流的是正、負離子。可是，在固體電解質(zhì)中，作為載流子傳導(dǎo)電流的，卻主要是離子。二氧化鋯（ZrO2）在高溫下(但尚遠未達到熔融的溫度)具有氧離子傳導(dǎo)性。 純凈的二氧化鋯在常溫下屬于單斜晶系，隨著溫

40、度的升高，發(fā)生相轉(zhuǎn)變。在1100下，為正方晶系，2500下，為立方晶系，2700下熔融，在熔融二氧化鋯中添加氧化鈣、三氧化二釔、氧化鎂等雜質(zhì)后，成為穩(wěn)定的正方晶型，具有瑩石結(jié)構(gòu)，稱為穩(wěn)定化二氧化鋯。并且由于雜質(zhì)的加入，在二氧化鋯晶格中產(chǎn)生氧空位，其濃度隨雜質(zhì)的種類和添加量而改變，其離子電導(dǎo)性也隨雜質(zhì)的種類和數(shù)量而變化。,49,在二氧化鋯中添加氧化鈣、三氧化二釔等添加物后,其離子電導(dǎo)都將發(fā)生改變。尤其是在氧化鈣添加量為15mol左右時,離子電導(dǎo)出現(xiàn)極大值。但是，由于二氧化鋯一氧化鈣固溶體的離子活性較低，要在高溫下，氣敏元件才有足夠的靈敏度。添加三氧化二釔的ZrO2Y2O3固溶體，離子活性較高，在

41、較低的溫度下，其離子電導(dǎo)都較大，如圖。因此，通常都用這種材料制作固定電解質(zhì)氧敏元件。添加Y2O3的ZrO2固體電解質(zhì)材料，稱為YSZ材料。,50,ZrO2系固體電解質(zhì)的離子電導(dǎo)與溫度關(guān)系,5,600,800,1000,1200,10-1,10-2,10-3,10-4,1,2,3,4,6,7,t /,離 子 電 導(dǎo)/-1 cm-1,1 添加8%molYb2O3 ；2 ZrO0.92 SC2O30.04 Yb2O30.04 3 ZrO2 ；4 添加10%molY2O3 ；5 添加13%molCaO 6 添加15%molY2O3 ；7 添加10%molCeO,51,四、氣體傳感器的應(yīng)用 分為檢測、報

42、警、監(jiān)控等幾種類型。 1、電源電路 一般氣敏元件的工作電壓不高(3V10V)，其工作電壓，特別是供給加熱的電壓，必須穩(wěn)定。否則，將導(dǎo)致加熱器的溫度變化幅度過大，使氣敏元件的工作點漂移，影響檢測準(zhǔn)確性。,2、輔助電路,由于氣敏元件自身的特性(溫度系數(shù)、濕度系數(shù)、初期穩(wěn)定性等)，在設(shè)計、制作應(yīng)用電路時，應(yīng)予以考慮。如采用溫度補償電路，減少氣敏元件的溫度系數(shù)引起的誤差；設(shè)置延時電路，防止通電初期，因氣敏元件阻值大幅度變化造成誤報；使用加熱器失效通知電路，防止加熱器失效導(dǎo)致漏報現(xiàn)象。下圖是一溫度補償電路,52,當(dāng)環(huán)境溫度降低時，則負溫度熱敏電阻(R5)的阻值增大，使相應(yīng)的輸出電壓得到補償。,右圖為正溫

43、度系數(shù)熱敏電阻(R2)的延時電路。剛通電時，其電阻值也小，電流大部分經(jīng)熱敏電阻回到變壓器，蜂鳴器(BZ)不發(fā)出報警。當(dāng)通電12min后，阻值急劇增大，通過蜂鳴器的電流增大，電路進入正常的工作狀態(tài)。,53,3、檢測工作電路 這是氣敏元件應(yīng)用電路的主體部分。 下圖是設(shè)有串聯(lián)蜂鳴器的應(yīng)用電路。隨著環(huán)境中可燃性氣體濃度的增加，氣敏元件的阻值下降到一定值后，流入蜂鳴器的電流，足以推動其工作而發(fā)出報警信號。,220V,BZ,氖管,家用可燃性氣體報警器電路,氣敏傳感器,蜂鳴器,B,R,54,下圖是差分式可燃性氣體檢測儀電路原理圖。 在此電路中，BG1、BG2的參數(shù)應(yīng)力求一致，最好選用差分對管。采用這種差分電

44、路，檢測氣體的靈敏度可達100 106。,K1,W11,W31,W41,W21,R3,R2,BG1,BG2,R4,R5,K2,3V,6V,A,差分式可燃性氣體檢測儀電路,R1,RQ,55,下圖是家用煤氣(CO)安全報警電路。 一部分是煤氣報警器，在煤氣濃度達到危險界限前發(fā)生警報；另一部分是開放式負離子發(fā)生器，其作用是自動產(chǎn)生空氣負離子，使煤氣中主要有害成分一氧化碳與空氣負離子中的臭氧(O3)反應(yīng)，生成對人體無害的二氧化碳。,IC1,IC2,J,BG3,220V,K,J1,R10,R12,R11,R1,R2,R3,R4,BG1,BG2,C1,C2,C3,C4,R5,R6,R7,R8,R13,R9

45、,D1,D2,D3,D4,D5,Dw,W1,W2,C7,C5,C6,MT2,MT1,3CTS3,RQ,A,B,LED,6,2,1,3,7,4,8,5,2,13,8,7,B1,B2,D7,煤氣安全報警器原理圖,56,第三節(jié)濕度傳感器 精密儀器、半導(dǎo)體集成電路與元器件制造場所，氣象預(yù)報、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工等行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。 濕度傳感器依據(jù)使用材料分類：,電解質(zhì)型：以氯化鋰為例，它在絕緣基板上制作一對電極，涂上氯化鋰鹽膠膜。氯化鋰極易潮解，并產(chǎn)生離子導(dǎo)電，隨濕度升高而電阻減小。 陶瓷型：一般以金屬氧化物為原料，通過陶瓷工藝，制成一種多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值對空氣中水蒸氣的敏感特性而制成。 高

46、分子型：先在玻璃等絕緣基板上蒸發(fā)梳狀電極,通過浸漬或涂覆,使其在基板上附著一層有機高分子感濕膜。有機高分子的材料種類也很多,工作原理也各不相同。 單晶半導(dǎo)體型：所用材料主要是硅單晶，利用半導(dǎo)體工藝制成。制成二極管濕敏器件和MOSFET濕度敏感器件等。其特點是易于和半導(dǎo)體電路集成在一起。,57,一、濕度表示法 空氣中含有水蒸氣的量稱為濕度，含有水蒸氣的空氣是一種混合氣體。主要有質(zhì)量百分比和體積百分比、相對濕度和絕對濕度、露點（霜點）等表示法。 1、質(zhì)量百分比和體積百分比 質(zhì)量為M的混合氣體中，若含水蒸氣的質(zhì)量為m，則質(zhì)量百分比為,vV100,這兩種方法統(tǒng)稱為水蒸氣百分含量法。,mM100,在體積

47、為V的混合氣體中，若含水蒸氣的體積為v，則體積百分比為,58,2、相對濕度和絕對濕度 水蒸氣壓是指在一定的溫度條件下，混合氣體中存在的水蒸氣分壓(p)。而飽和蒸氣壓是指在同一溫度下，混合氣體中所含水蒸氣壓的最大值(ps)。溫度越高，飽和水蒸氣壓越大。在某一溫度下，其水蒸氣壓同飽和蒸氣壓的百分比，稱為相對濕度 絕對濕度表示單位體積內(nèi)，空氣里所含水蒸氣的質(zhì)量，其定義為,m待測空氣中水蒸氣質(zhì)量；V待測空氣的總體積； v待測空氣的絕對濕度。,如果把待測空氣看作是由水蒸氣和干燥空氣組成的二元理想混合氣體，根據(jù)道爾頓分壓定律和理想氣體狀態(tài)方程，可得出：,P：空氣中水蒸氣分壓；M：水蒸氣的摩爾質(zhì)量 R：理想

48、氣體常數(shù)； T：空氣的絕對溫度。,59,3、露（霜）點 水的飽和蒸氣壓隨溫度的降低而逐漸下降。在同樣的空氣水蒸氣壓下，溫度越低，則空氣的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和蒸氣壓差值越小。當(dāng)空氣溫度下降到某一溫度時，空氣中的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和水蒸氣壓相等。此時，空氣中的水蒸氣將向液相轉(zhuǎn)化而凝結(jié)成露珠，相對濕度為100RH。該溫度，,稱為空氣的露點溫度，簡稱露點。如果這一溫度低于0時，水蒸氣將結(jié)霜，又稱為霜點溫度。兩者統(tǒng)稱為露點。空氣中水蒸氣壓越小，露點越低，因而可用露點表示空氣中的濕度。,60,二、濕度傳感器的主要參數(shù) 1、濕度量程 指濕度傳感器技術(shù)規(guī)范中所規(guī)定的感濕范圍。全濕度范圍用相對濕度(

49、0100)RH表示，它是濕度傳感器工作性能的一項重要指標(biāo)。,2、感濕特征量相對濕度特性 每種濕度傳感器都有其感濕特征量，如電阻、電容等，通常用電阻比較多。以電阻為例，在規(guī)定的工作濕度范圍內(nèi)，濕度傳感器的電阻值隨環(huán)境濕度變化的關(guān)系特性曲線，簡稱阻濕特性。有的濕度傳感器的電阻值隨濕度的增加而增大，這種為正特性濕敏電阻器，如Fe3O4濕敏電阻器。有的阻值隨著濕度的增加而減小，這種為負特性濕敏電阻器，如TiO2SnO2陶瓷濕敏電阻器。對于這種濕敏電阻器，低濕時阻值不能太高，否則不利于和測量系統(tǒng)或控制儀表相連接。,61,3、感濕靈敏度 簡稱靈敏度，又叫濕度系數(shù)。其定義是在某一相對濕度范圍內(nèi)，相對濕度改變

50、1RH時，濕度傳感器電參量的變化值或百分率。 各種不同的濕度傳感器，對靈敏度的要求各不相同，對于低濕型或高濕型的濕度傳感器，它們的量程較窄，要求靈敏度要很高。但對于全濕型濕度傳感器，并非靈敏度越大越好，因為電阻值的動態(tài)范圍很寬，給配制二次儀表帶來不利，所以靈敏度的大小要適當(dāng)。,62,4、特征量溫度系數(shù) 反映濕度傳感器在感濕特征量相對濕度特性曲線隨環(huán)境溫度而變化的特性。感濕特征量隨環(huán)境溫度的變化越小，環(huán)境溫度變化所引起的相對濕度的誤差就越小。 在環(huán)境溫度保持恒定時，濕度傳感器特征量的相對變化量與對應(yīng)的溫度變化量之比，稱為特征量溫度系數(shù)。,T溫度25與另一規(guī)定環(huán)境溫度之差； R1(C1)溫度25時

51、濕度傳感器的電阻值(或電容值)； R2(C2)另一規(guī)定環(huán)境溫度時濕度傳感器的電阻值(或電容值)。,電容溫度系數(shù)(%/)=,電阻溫度系數(shù)(%/)=,63,5、感濕溫度系數(shù) 反映濕度傳感器溫度特性的一個比較直觀、實用的物理量。它表示在兩個規(guī)定的溫度下，濕度傳感器的電阻值(或電容值)達到相等時，其對應(yīng)的相對濕度之差與兩個規(guī)定的溫度變化量之比，稱為感濕溫度系數(shù)?；颦h(huán)境溫度每變化1時，所引起的濕度傳感器的濕度誤差。感濕溫度系數(shù) T溫度25與另一規(guī)定環(huán)境溫度之差； H1溫度25時濕度傳感器某一電阻值(或電容值)對應(yīng)的相對濕度值； H2另一規(guī)定環(huán)境溫度下濕度傳感器另一電阻值(或電容值)對應(yīng)的相對濕度。 下圖

52、為感濕溫度系數(shù)示意圖。,(%RH/)=,64,相對濕度/%,H1,H2,H2,感濕溫度系數(shù)示意圖,相對濕度/%,H1,H2,H2,R,C,T2,T2,T2,T2,25,25,(a) 電阻型,(b)電容型,65,6、響應(yīng)時間 在一定溫度下，當(dāng)相對濕度發(fā)生躍變時，濕度傳感器的電參量達到穩(wěn)態(tài)變化量的規(guī)定比例所需要的時間。一般是以相應(yīng)的起始和終止這一相對濕度變化區(qū)間的63作為相對濕度變化所需要的時間，也稱時間常數(shù)，它是反映濕度傳感器相對濕度發(fā)生變化時，其反應(yīng)速度的快慢。單位是s。也有規(guī)定從起始到終止90的相對濕度變化作為響應(yīng)時間的。響應(yīng)時間又分為吸濕響應(yīng)時間和脫濕響應(yīng)時間。大多數(shù)濕度傳感器都是脫濕響應(yīng)

53、時間大于吸濕響應(yīng)時間，一般以脫濕響應(yīng)時間作為濕度傳感器的響應(yīng)時間。,66,7、電壓特性 當(dāng)用濕度傳感器測量濕度時，所加的測試電壓，不能用直流電壓。這是由于加直流電壓引起感濕體內(nèi)水分子的電解，致使電導(dǎo)率隨時間的增加而下降，故測試電壓采用交流電壓。,右圖表示濕度傳感器的電阻與外加交流電壓之間的關(guān)系?？梢?，測試電壓小于5V時，電壓對阻濕特性沒有影響。但交流電壓大于15V時，由于產(chǎn)生焦耳熱，對濕度傳感器的阻濕特性產(chǎn)生了較大影響，因而一般濕度傳感的使用電壓都小于10V。,Lg R /,0,1,2,3,4,5,6,5,7,8,4,20 100Hz,11% RH,33% RH,75% RH,100% RH,

54、U/V,67,電阻頻率特性,20 5V,11% RH,33% RH,100% RH,Lg f / Hz,0,1,2,3,4,5,6,5,7,8,4,75% RH,Lg R /,8、頻率特性 濕度傳感器的阻值與外加測試電壓頻率的關(guān)系，如圖。在高濕時，頻率對阻值的影響很小，當(dāng)?shù)蜐窀哳l時，隨著頻率的增加，阻值下降。對這種濕度傳感器，在各種濕度下，當(dāng)測試頻率小于103Hz時，阻值不隨使用頻率而變化，故該濕度傳感器使用頻率的上限為103Hz。濕度傳感器的使用頻率上限由實驗確定。直流電壓會引起水分子的電解，因此，測試電壓頻率也不能太低。,68,三、電解質(zhì)濕度傳感器 電解質(zhì)是以離子形式導(dǎo)電的物質(zhì)，分為固體電

55、解質(zhì)和液體電解質(zhì)。若物質(zhì)溶于水中，在極性水分子作用下，能全部或部分地離解為自由移動的正、負離子，稱為液體電解質(zhì)。電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率與溶液的濃度有關(guān)，而溶液的濃度，在一定的溫度下又是環(huán)境相對濕度的函數(shù)。,電解質(zhì)氯化鋰濕度傳感器最為典型,把不同感濕范圍的單片濕度傳感器組合起來,可制成相對濕度工作量程為2090RH的濕度傳感器,69,四、陶瓷濕度傳感器 利用半導(dǎo)體陶瓷材料制成的陶瓷濕度傳感器。具有許多優(yōu)點：測濕范圍寬，可實現(xiàn)全濕范圍內(nèi)的濕度測量；工作溫度高，常溫濕度傳感器的工作溫度在150以下，而高溫濕度傳感器的工作溫度可達800，響應(yīng)時間較短，精度高，抗污染能力強，工藝簡單，成本低廉。,典型產(chǎn)品是

56、燒結(jié)型陶瓷濕敏元件是MgCr2O4TiO2系。此外，還有TiO2-V2O5系、ZnOLi2OV2O5系、ZnCr2O4系、ZrO2MgO系、Fe3O4系、Ta2O5系等。這類濕度傳感器的感濕特征量大多數(shù)為電阻。除Fe3O4外，都為負特性濕度傳感器，即隨著環(huán)境相對濕度的增加，阻值下降。也有少數(shù)陶瓷濕度傳感器，它的感濕特性量為電容。,70,1、結(jié)構(gòu) 該濕度傳感器的感濕體是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。這種多孔陶瓷的氣孔大部分為粒間氣孔,氣孔直徑隨TiO2添加量的增加而增大。粒間氣孔與顆粒大小無關(guān), 相當(dāng)于一種開口毛細管,容易吸附水分。材料的主晶相是MgCr2O4相,此外,還有TiO2相等,感濕體是一個多晶多相的混合物。,71,2、主要特性與性能 （1）電阻一濕度特性 MgCr2O4TiO2系陶瓷濕度傳感器的電阻一濕度特性，隨著相對濕度的增加，電阻值急驟下降，基本按指數(shù)規(guī)律下降。在單對數(shù)的坐標(biāo)中，電阻濕度特性近似呈線性關(guān)系。當(dāng)相對濕度由0變?yōu)?00RH時，阻值從107下降到104，