1、2020/9/3,1,第十章 常用傳感器的應(yīng)用,可燃性氣體報(bào)警 壓力測量 液位測量 流量測量 溫度測量 氣體成分分析,2020/9/3,2,在自動(dòng)化系統(tǒng)中，各種工藝變量的獲得，都要通過檢測元件（傳感器），它直接響應(yīng)被測工藝變量，并輸出一個(gè)對應(yīng)關(guān)系的信號(hào)。 對于檢測儀表來說，檢測、變送與顯示是三個(gè)獨(dú)立部分，也可以只用其中兩個(gè)部分。當(dāng)然檢測、變送與顯示也可以有機(jī)地結(jié)合為一體。 對檢測儀表有以下三條基本要求： 1、測量值要正確反映被控變量的值，誤差不超過規(guī)定的范圍； 2、在環(huán)境條件下能長期工作，保證測量值的可靠性； 3、測量值必須迅速反映被控變量的變化，即動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較迅速。,2020/9/3,3,第

2、一節(jié) 可燃性氣體報(bào)警器,可燃性氣體報(bào)警器由傳感器和報(bào)警器二部分組成。 傳感器是連續(xù)測定設(shè)備四周空氣中可燃性氣體額體積百分含量，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳送到報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 可燃性氣體傳感器有兩種形式： 一種是半導(dǎo)體氣敏傳感器，另一種是催化反應(yīng)熱式傳感器。,2020/9/3,4,半導(dǎo)體氣敏傳感器由于具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間快、使用壽命長以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，從而得到了廣泛的應(yīng)用。 按其用途可分為以下幾種類型：氣體泄露報(bào)警、自動(dòng)控制、自動(dòng)測試等。 表10-1給出了半導(dǎo)體氣敏傳感器的應(yīng)用舉例。,2020/9/3,5,表10-1 氣敏傳感器主要檢測對象及應(yīng)用場所,2020/9/3,6,報(bào)警器的顯示值是

3、采用國際標(biāo)準(zhǔn)，以LEL為計(jì)量單位。其意義是以可燃?xì)怏w的爆炸下限濃度為100，儀器檢測出來的可燃?xì)怏w濃度值折算成LEL顯示出來。 例如，丙稀氣體，它的爆炸下限濃度為2.4，則顯示值100LEL表示空氣中含有丙稀的濃度為2.4，達(dá)到爆炸下限濃度，就會(huì)發(fā)生爆炸。若報(bào)警器顯示50 LEL，則表示空氣中含有丙稀的濃度為1.2。 一般情況下，預(yù)警設(shè)定點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在20 LEL或40 LEL處，也可以根據(jù)情況自行設(shè)定，但不得大于60 LEL。,2020/9/3,7,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。 氣敏傳感器氣敏元件的工作原

4、理十分復(fù)雜，有不同的解釋模型。 目前流行的定性模型是：原子價(jià)控制模型、表面電荷層模型、晶粒間界勢壘模型。,一、半導(dǎo)體氣體傳感器,2020/9/3,8,（一）工作原理,半導(dǎo)體氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)如右圖所示。 一組為工作電極，另一組為加熱電極兼工作電極。,2020/9/3,9,半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的。當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附時(shí)，被吸附的分子首先在表面物性自由擴(kuò)散，失去運(yùn)動(dòng)能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處（化學(xué)吸附）。,2020/9/3,10,當(dāng)半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親和

5、力(氣體的吸附和滲透特性)時(shí)， 吸附分子將從器件奪得電子而變成負(fù)離子吸附， 半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。例如氧氣等具有負(fù)離子吸附傾向的氣體被稱為氧化型氣體或電子接收性氣體。 如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放出電子，而形成正離子吸附。具有正離子吸附傾向的氣體有H2、CO、碳?xì)浠衔锖痛碱?，它們被稱為還原型氣體或電子供給性氣體。,2020/9/3,11,當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，將使半導(dǎo)體載流子減少，而使電阻值增大。當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。圖10-3表示了氣體接觸N

6、型半導(dǎo)體時(shí)所產(chǎn)生的器件阻值變化情況。,2020/9/3,12,圖 10-3 N型半導(dǎo)體吸附氣體時(shí)器件阻值變化圖,2020/9/3,13,由于空氣中的含氧量大體上是恒定的， 因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相對固定。若氣體濃度發(fā)生變化，其阻值也將變化。根據(jù)這一特性，可以從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度。半導(dǎo)體氣敏時(shí)間(響應(yīng)時(shí)間)一般不超過1min。N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。,2020/9/3,14,氣敏元件工作時(shí)必須加熱，其目的是： 加速被測氣體的吸附、脫出過程； 燒去氣敏元件的油垢或污垢物，起清洗作用； 控制不同的加熱溫度能對不同的被測氣體具

7、有選擇作用。 加熱溫度與元件輸出的靈敏度有關(guān)。如右圖所示。,2020/9/3,15,氣敏元件一般工作在200400的高溫。 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。,2020/9/3,16,由于加熱方式一般有直熱式和旁熱式兩種，因而形成了直熱式和旁熱式氣敏元件。直熱式氣敏器件的結(jié)構(gòu)及符號(hào)如下圖所示。直熱式器件是將加熱絲、 測量絲直接埋入SnO2或ZnO等粉末中燒結(jié)而成的，工作時(shí)加熱絲通電，測量絲用于測量

8、器件阻值。 這類器件制造工藝簡單、成本低、功耗小，可以在高電壓回路下使用， 但熱容量小， 易受環(huán)境氣流的影響，測量回路和加熱回路間沒有隔離而相互影響。國產(chǎn)QN型和日本費(fèi)加羅TGS109型氣敏傳感器均屬此類結(jié)構(gòu)。,2020/9/3,17,2020/9/3,18,旁熱式氣敏器件的結(jié)構(gòu)及符號(hào)如下圖所示，它的特點(diǎn)是將加熱絲放置在一個(gè)陶瓷管內(nèi)，管外涂梳狀金電極作測量極，在金電極外涂上SnO2等材料。旁熱式結(jié)構(gòu)的氣敏傳感器克服了直熱式結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，使測量極和加熱極分離， 而且加熱絲不與氣敏材料接觸，避免了測量回路和加熱回路的相互影響，器件熱容量大，降低了環(huán)境溫度對器件加熱溫度的影響，所以這類結(jié)構(gòu)器件的穩(wěn)定性

9、、 可靠性都較直熱式器件好，國產(chǎn)QM-N5型和日本費(fèi)加羅TGS812、813型等氣敏傳感器都采用這種結(jié)構(gòu)。,2020/9/3,19,（2）旁熱式SnO2氣敏元件,加熱器電阻值一 般為3040,2020/9/3,20,（二）應(yīng)用,1、自動(dòng)排風(fēng)扇控制器,2020/9/3,21,傳感器的加熱電壓直接由變壓器次級(jí)（6V）經(jīng)R12將壓提供；工作電壓由全波整流后，經(jīng)C1濾波及R1、VZ5穩(wěn)壓后提供。 傳感器負(fù)載電阻由R2及R3組成（更換R3大小，可調(diào)節(jié)控制信號(hào)與待測氣體的濃度的關(guān)系）。R4、VD6、C2及IC1組成開機(jī)延時(shí)電路，調(diào)整使其延時(shí)為60s左右（防止初始穩(wěn)定狀態(tài)誤動(dòng)作）。,2020/9/3,22,

10、當(dāng)達(dá)到報(bào)警濃度時(shí)，IC1的2端為高電平，使IC4輸出高電平，此信號(hào)使VT2導(dǎo)通，繼電器吸合（起動(dòng)排氣扇）；組成排氣扇延遲電路，使IC4出現(xiàn)低電平后10s才使J釋放；另外，IC4輸出高電平使IC2、IC3組成的壓控振蕩器起振，其輸出使VT1導(dǎo)通或截止交替出現(xiàn)，則LED（紅色）產(chǎn)生閃光報(bào)警信號(hào)。 LED（綠色）為工作指示燈。,2020/9/3,23,2、簡易酒精測試儀,右圖為簡易酒精測試儀。 其加熱及工作電壓都是5V，加熱電流約125mA。傳感器的負(fù)載電阻為R1及R2，其輸出直接結(jié)LED顯示驅(qū)動(dòng)器LM3914。當(dāng)無酒精蒸氣，其上的輸出電壓很低，隨著酒精蒸氣的濃度增加，輸出電壓也上升，則LM3912

11、的LED（共10個(gè)）亮的數(shù)目也增加。,2020/9/3,24,3、化學(xué)實(shí)驗(yàn)室有害氣體鑒別,下圖所示為有害氣體鑒別器的電路。MQS2B是煙霧、有害氣體傳感器，平時(shí)阻值較高（10k左右）。當(dāng)有煙霧或有害氣體進(jìn)入時(shí)，阻值急劇下降。,2020/9/3,25,MQS2B的A、B兩端電壓下降時(shí)，12V電壓經(jīng)MQS2B的壓降減少，使得B的電壓升高，經(jīng)電阻R1和RP分壓、R2限流加到開關(guān)集成電路TWH8778的端。當(dāng)端電壓達(dá)到預(yù)定值時(shí)，、兩端導(dǎo)通。,2020/9/3,26,調(diào)節(jié)可調(diào)電阻RP可改變端的電壓預(yù)定值，從而調(diào)節(jié)其靈敏度，使、兩端導(dǎo)通。12V電壓加至繼電器，使繼電器得電，觸點(diǎn)J1-1吸合，從而控制排風(fēng)扇

12、電源的開關(guān)，使排風(fēng)扇自動(dòng)排風(fēng)。同時(shí)端輸出的12V電壓經(jīng)R4限流和穩(wěn)壓二極管VD3（5V）穩(wěn)壓后提供微音器HTD電源電壓，此微音器是有源的（自帶音源），此時(shí)便會(huì)發(fā)出嘀嘀聲，由此可知是否有有害氣體產(chǎn)生。同時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出紅光，實(shí)現(xiàn)生光顯示。,2020/9/3,27,1、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

13、,最后組裝成氣體敏感元件。,二、接觸燃燒氣敏傳感器,2020/9/3,28,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(bǔ)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。,2020/9/3,29,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,2020/9/3,30,2、檢測原理 對鉑絲線圈通以電流，使其保持高溫（300400）?？?/p>

14、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)。,2020/9/3,31,空氣中可燃性氣體濃度愈大，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(shí)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

15、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。,2020/9/3,32,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(bǔ)償元件，其作用是補(bǔ)償可燃性氣體接觸燃燒以外的環(huán)境溫度、電源電壓變化等因素所引起的偏差。工作時(shí)，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(shí)，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。,2020/9/3,33,就可以測得A、B間的電位差E，并由此求得空氣中可燃性氣體

16、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(dá)到一定濃度時(shí)，自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，其感應(yīng)特性曲線如圖。,1.0,A、B兩點(diǎn)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(diǎn)間連接電流計(jì)或電壓計(jì)，,2020/9/3,34,三、溫差火災(zāi)報(bào)警傳感器,下圖為溫差火災(zāi)報(bào)警傳感器，它由兩個(gè)溫度傳感器組成。一個(gè)溫度傳感器安裝在金屬板上，利用金屬板來檢測異常溫度。另一個(gè)溫度傳感器安裝在塑料殼內(nèi)，它檢測正常室溫。在無火情時(shí)，兩溫度傳感器的溫度相同，輸出與溫度成比例的電壓基本相同，無報(bào)警信號(hào)輸出。當(dāng)由火情時(shí)，安裝在金屬板上的溫度傳感器受熱而溫度升高較快，另一個(gè)溫度上式較慢，則輸出溫度差的電壓信號(hào)。當(dāng)溫度差的電壓信號(hào)達(dá)到一定值時(shí)，就可以發(fā)出報(bào)警信號(hào)。,2020/9/3,35,四、煙霧傳感器,煙霧比氣體分子大得多，可以利用微粒的特點(diǎn)來檢測。 煙霧傳感器以煙霧的有無來決定是否輸出信號(hào)，不能定量地進(jìn)行測量。,2020/9/3,36,煙霧傳感器的兩種類型：,（1）散射式 原理如右圖所示。 在發(fā)光管和光敏元件之間設(shè)置遮光屏，無煙霧時(shí)接受不到光信號(hào)，有煙霧時(shí)借微粒的散射光使光敏元件發(fā)出電信號(hào)。這種傳感器的靈敏度與煙霧種類無關(guān)。,2020/9/3,37,（2）離子式