传感器技术及应用

1. 传感器技术及应用 包头职业技术学院电气工程系检测教研室 课程负责人：任玉珍

2. 学习任务六气敏、湿敏的测量 传感器技术及应用

3. 知识目标： (1)掌握气敏、湿敏传感器的种类及选择。 (2) 掌握气敏传感器的工作原理和应用条件。 • 技能目标： (1) 了解气敏传感器、湿敏传感器的一些典型应用； (2) 构建可燃性气体检测电路并安装调试成功

4. 1、项目目的 (1)掌握气敏、湿敏传感器的种类及选择。 (2) 掌握气敏传感器的工作原理和应用条件。 (3) 了解气敏传感器、湿敏传感器的一些典型应用； (4) 构建可燃性气体检测电路并安装调试成功 2、项目条件 气敏传感器、湿敏传感器、万用表、焊接器材。 3、项目内容及要求 本项目内容式制作可燃性气体检测电路。掌握如何查阅学习资料，合理选择气体传感器，并了解气敏传感器的工作原理、测量电路、典型应用 6.1 气敏、湿敏实训项目说明

7. 6.2.1 气敏传感器 人们日常生活和生产活动与周围的环境气氛紧密相关。环境的变化对人类有着极大的影响。例如，气氛中缺氧或出现有毒气体会使人感到窒息甚至昏迷致死。可燃性气体的泄漏更是会引起火灾和爆炸，使人们的生命和财产遭受巨大的损失。在生产中使用的气体原料和生产过程中产生的气体种类和数量也在不断增加，特别是石油、化工、煤矿及汽车等工业的飞速发展以及火灾事故的不断发生，大气日益污染，而人们是越来越重视自己的生活环境和质量，因而我们越来越多的应用到气敏传感器。日常生活中如家庭抽油烟机上的煤气或液化气泄漏报警和自动排气装置、汽车尾气检测用仪器、交警用的酒精检测仪、宾馆等公共场合安装的烟气报警装置等都是使用的气敏传感器。 6.2 基本知识

9. 1．气敏传感器的分类及外形 气敏传感器的种类很多，分类标准不一，根据传感器的气敏材料以及气敏材料与气体相互作用的机理和效应不同主要分为：半导体式、接触燃烧式、固体电解质式、电化学式、红外吸收式、热导率变化式等。 固体电解质气敏传感器是利用被测气体在敏感电极上发生化学反应，所生成的离子通过固体电解质传递到电极，使电极间产生的电位随气体分压而变化的原理来对气体进行检测。 电化学式气敏传感器是利用电极和电解质组成的电池中，气体与电极进行氧化还原反应，从而使两极间输出的电流或电压随气体浓度而变化的原理制作的。 燃烧式气敏传感器则是基于强催化剂使气体在其表面燃烧时产生热量，从而使贵金属电极电导随气体浓度发生变化来对气体进行检测的。 半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，应用极其广泛；下面重点介绍半导体气敏传感器及其气敏元件。电阻型半导体气敏传感器是目前广泛应用的气敏传感器之一

10. 酒精传感器外形 可燃气体传感器外形

11. 2．电阻型半导体气敏传感器的工作原理 气敏电阻的材料是金属氧化物，在合成材料时，通过化学计量比和杂质缺陷制成，金属氧化物半导体分N型半导体，如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等，P型半导体，如氧化钴、氧化铅、氧化铜、氧化镍等。 为了提高某种气敏元件对某些气体成分的选择性和灵敏度，合成材料有时还渗入了催化剂，如钯(Pd)、铂(Pt)、银(Ag)等。

12. 材料特点：多孔材料在晶体组织上使锡或氧偏离化学计量，造成氧不足（产生氧空位和锡原子间隙），在靠近禁带的地方形成施主能级，其上的电子很容易激发到导带。材料特点：多孔材料在晶体组织上使锡或氧偏离化学计量，造成氧不足（产生氧空位和锡原子间隙），在靠近禁带的地方形成施主能级，其上的电子很容易激发到导带。 RS 、RU 对元件电阻起支配作用，受表面状态与晶粒大小的影响。 RS Rb Rb晶粒等效电阻 RS晶粒表面电阻 RU晶粒颈部电阻 RU

13. 3．气敏电阻元件种类 气敏电阻元件种类很多，按制造工艺上分烧结型、薄膜型、厚膜型。 (1) 烧结型气敏元件 将元件的电极和加热器均埋在金属氧化物气敏材料中，经加热成型后低温烧结而成。目前最常用的是氧化锡(SnO2)烧结型气敏元件，用来测量还原性气体。它的加热温度较低，一般在200~300℃，SnO2气敏半导体对许多可燃性气体，如氢、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。

14. 3．气敏电阻元件种类 气敏电阻元件种类很多，按制造工艺上分烧结型、薄膜型、厚膜型。 (1) 烧结型气敏元件 将元件的电极和加热器均埋在金属氧化物气敏材料中，经加热成型后低温烧结而成。目前最常用的是氧化锡(SnO2)烧结型气敏元件，用来测量还原性气体。它的加热温度较低，一般在200~300℃，SnO2气敏半导体对许多可燃性气体，如氢、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。

17. (2) 薄膜型气敏元件 采用真空镀膜或溅射方法，在石英或陶瓷基片上制成金属氧化物薄膜(厚度0.1μm以下)，构成薄膜型气敏元件。 氧化锌(ZnO2)薄膜型气敏元件以石英玻璃或陶瓷作为绝缘基片，通过真空镀膜在基片上蒸镀锌金属，用铂或钯膜作引出电极，最后将基片上的锌氧化。氧化锌敏感材料是N型半导体，当添加铂作催化剂时，对丁烷、丙烷、乙烷等烷烃气体有较高的灵敏度，而对H2、CO等气体灵敏度很低。若用钯作催化剂时，对H2、CO有较高的灵敏度，而对烷烃类气体灵敏度低。因此，这种元件有良好的选择性，工作温度在400~500℃的较高温度

18. (3) 厚膜型气敏元件 将气敏材料(如SnO2、ZnO)与一定比例的硅凝胶混制成能印刷的厚膜胶。把厚膜胶用丝网印刷到事先安装有铂电极的氧化铝(A12O3)基片上，在400~800℃的温度下烧结1～2小时便制成厚膜型气敏元件。用厚膜工艺制成的器件一致性较好，机械强度高，适于批量生产。 以上三种气敏器件都附有加热器，在实际应用时，加热器能使附着在测控部分上的油雾、尘埃等烧掉，同时加速气体氧化还原反应，从而提高器件的灵敏度和响应速度

19. 酒精测试仪 家庭用煤气报警器 4.气敏传感器的应用 器

20. 有毒气体检测仪 汽车尾气分析仪

21. 烟雾报警器 矿用煤气报警器

22. 6.2.2 湿敏传感器 日常生活中特别是春天经常会遇到物质霉变或变质的现象，这是由于湿度过高造成的，而食用菌培养、农产品育苗、水果保鲜等又都需要在一定的湿度下进行，因此湿度的检测和控制在工业、农业、气象、医疗及日常生活中的地位越来越重要。

23. 1.认识湿敏传感器

25. 湿度传感器、露点传感器及露点仪

26. 2. 湿敏传感器基本知识 1）概述 湿度：指空气中所含有的水蒸汽量。 理想空气：氮78%，氧21%，其它成分1%（无水） 潮湿空气：理想空气与水蒸汽的混合体。 多尔顿定律：潮湿空气的全压应等于该混合物中各种气体分压之和。 2）湿度的表示方法和单位 ①水蒸气分压：根据多尔顿定律，只要测出潮湿空气中水蒸气的分压即可知道湿度。

27. 绝对湿度 RH： 100% 同温度时饱和状态的绝对湿度 但我们现在无法直接测出水蒸气的分压。 ②绝对湿度（AH）：单位体积内所含水蒸汽的质量（g/m3）。 ③相对湿度（RH）：气体的水蒸气分压与同温度下的饱和水蒸气压的比值； 另一种表示： ④露点：保持压力一定而降低待测气体温度至某一数值时，待测气体中的水蒸汽达到饱和状态开始或结霜，此时的温度称为这种气体的露点或霜点。

28. 12.1.1 湿度的定义及其表示方法 1.绝对湿度(V) • V=mV/V (mg/m3) 2.相对湿度(RH) • RH=(V/W)T100% • 露点也能反映相对湿度 mV—被测气中水蒸气的质量 W—同温度下的饱和水蒸气密度

29. 3、湿度的测量方法与湿敏元件分类 1、湿度的测量方法：绝对测湿法，干、湿球温度计，毛发计等，需目测或换算。 2、湿敏元件： 水分子亲和力型： 电解质式 高分子材料式 金属氧化物膜式 金属氧化物陶瓷式 非水分子亲和力型： 热敏电阻式 红外吸收式 微波式 超声波式

30. （1）氯化锂湿敏电阻 氯化锂湿敏电阻是利用物质吸收水分子而使导电潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。 在氯化锂(LiCl)溶液中，Li和Cl均以正负离子的形式存在，而Li+对水分子的吸引力强，离子水合程度高，溶液中的离子导电能力与浓度成正比。当溶液置于一定温湿场中，若环境相对湿度高，溶液将吸收水分，使浓度降低，因此，其溶液电阻率增高。反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。 4、比较成熟的几类湿敏传感器

31. 梳状氯化锂电阻湿度传感器 柱状氯化锂电阻湿度传感器 新型氯化锂湿度传感器具有长期工作滞后小、稳定性好、精度高、响应迅速、不受测试环境风速影响等优点，但在有结露时易失效。它特别适合空调系统使用。

32. （2）半导体陶瓷湿敏电阻 半导体陶瓷湿敏电阻通常是用两种以上的金属氧化物半导体在高温1300℃下烧结而成的多孔陶瓷。这些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe2O3等，前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种的电阻率随湿度增大而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷，但正特性半导瓷的总电阻值的升高没有负特性材料的阻值下降得那么明显。

33. ① MgCr2O4 -TiO2湿敏元件： 氧化镁复合氧化物 — 二氧化钛湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿—电”转换器件，它是负特性半导瓷，MgCr2O4为P型半导体，它是性能较好的湿敏材料，它的表面电阻率能在很宽的范围内随着湿度的变化而变化，而且能在高温条件下进行反复的热清洗，性能仍保持不变。 卸去外壳后的结构 外形图

34. ② ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件 ：ZnO-Cr2O3传感器能连续稳定地测量湿度，而无需加热除污装置，因此功耗低于0.5W，体积小，成本低，是一种常用测湿传感器。 陶瓷湿敏传感器具有较好的热稳定性，较强的抗污能力，能在恶劣、易污染的环境中测得准确的湿度数据等优点；另外测湿范围宽，基本上可以实现全湿范围内的湿度测量；工作温度高，常温湿敏传感器的工作温度在150℃以下，而高温湿敏传感器的工作温度可达800℃；响应时间短，精度高，工艺简单，成本低等。所以在实用中占有很重要的位置。

35. （1）电源选择：湿敏电阻必须工作于交流回路中。若用直流供电，会引起多孔陶瓷表面结构改变，湿敏特性变劣。采用交流电源频率过高，将由于元件的附加容抗而影响测湿灵敏度和准确性，因此应以不产生正、负离子积聚为原则，使电源频率尽可能低。对离子导电型湿敏元件，电源频率应大于50Hz，一般以1000Hz为宜。对电子导电型，电源频率应低于50Hz。（1）电源选择：湿敏电阻必须工作于交流回路中。若用直流供电，会引起多孔陶瓷表面结构改变，湿敏特性变劣。采用交流电源频率过高，将由于元件的附加容抗而影响测湿灵敏度和准确性，因此应以不产生正、负离子积聚为原则，使电源频率尽可能低。对离子导电型湿敏元件，电源频率应大于50Hz，一般以1000Hz为宜。对电子导电型，电源频率应低于50Hz。 （2）线性化：一般湿敏元件的特性均为非线性，为便于测量，应将其线性化。 5.湿度传感器应用注意事项

36. (3）温度补偿：通常氧化物半导体陶瓷湿敏电阻湿度温度系数为0.1～0.3，故在测湿精度要求高的情况下必须进行温度补偿。(3）温度补偿：通常氧化物半导体陶瓷湿敏电阻湿度温度系数为0.1～0.3，故在测湿精度要求高的情况下必须进行温度补偿。 (4）测湿范围：电阻式湿敏元件在温度超过95％RH时，湿敏膜因湿润溶解，厚度会发生变化，若反复结露与潮解，特性变坏而不能复原。电容式传感器在8O％RH以上高湿及100％RH以上结露或潮解状态下，也难以检测。另外，切勿将湿敏电容直接浸入水中或长期用于结露状态，也不要用手摸或嘴吹其表面。

37. 6.常用温湿度计 日常生活中常将温度和湿度测量结合起来，用温湿度表来同时显示。

38. 湿度传感器广泛应用于气象、军事、工业（特别是纺织、电子、食品、烟草工业）、农业、医疗、建筑、家用电器及日常生活等各种场合的湿度监测、控制与报警。湿度传感器广泛应用于气象、军事、工业（特别是纺织、电子、食品、烟草工业）、农业、医疗、建筑、家用电器及日常生活等各种场合的湿度监测、控制与报警。 7.湿敏电阻应用

39. 1．自动去湿器 自动去湿装置

40. 2．房间湿度控制器 房间湿度控制器电路原理图