《传感器技术及应用》 项目四 气体成分及湿度的测量

1、项目四 气体成分及湿度的测量 任务一 使用气敏传感器检测气体 任务导入 用数字万用表检测气敏传感器QM-3 采用如图所示简单电路就可以 了解气敏传感器的特性，电路使 用QM-3型气敏传感器，用数字万 用表显示测量数据，可以检查器 件的好坏。当电源开关S断开时， 传感器没有驱动电流（加热电 流），A、B之间电阻大于20M。 当接通开关S时，器件内的微加热 丝f-f得电发热。此时若将内盛酒 精的小瓶瓶口靠近传感器，可以 看到电阻显示值立即由20M以上 降到0.51M。移开小瓶等待 2040s之后，A、B间电阻又恢复 至大于20M的状态。以上反应可 以重复实验，但需注意要使空气 恢复到洁净状态。 任

2、务一 使用气敏传感器检测气体 一、了解气敏传感器 气敏传感器是一种能将气体中的特定成分（浓度）检测出来， 并将其转换成电信号的器件。气敏传感器一般用于环境监测和工业 过程检测，前者包括有毒有害气体检测、容器管道检测等；后者包 括锅炉及汽车的燃料燃烧监控、化工等自动控制检测。 气敏传感器主要有半导体式和接触燃烧式两种。半导体式气敏传 感器多由金属氧化物半导体材料制成，如SnO2系列、ZnO系列等。 传感器制作时添加物不同，能检测的气体也不同。半导体式气敏传 感器适用于检测低浓度的可燃和有毒气体，如CO、H2S、CH4、 C4H10等。接触燃烧式气敏传感器主要用于可燃气体的检测。 任务一 使用气敏

3、传感器检测气体 一、了解气敏传感器 （1）半导体气敏传感器 半导体气敏传感器如图所示，是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半 导体性质变化，来检测气体的成分或浓度的气体传感器。半导体气敏传感器大 体可分为电阻式和非电阻式两大类。 任务一 使用气敏传感器检测气体 一、了解气敏传感器 类型测量类型常见材料工作温度主要测量的气体 电阻式 表面控制型SnO2、ZnO室温450可燃性气体 体控制型 -Fe2O3、-Fe2O3、 TiO2、CoO、MgO、 SnO2 300450 700以上 乙醇、可燃性气 体、氧气 非电阻式 表面电位Ag2O室温450乙醇 二极管整流特性Pd/CdS、Pd/ TiO2室

4、温200 氢气、一氧化碳、 乙醇 晶体管特性铂栅、钯栅MOSFET150氢气、硫化氢 半导体气敏传感器的分类及特性 （1）半导体气敏传感器 任务一 使用气敏传感器检测气体 一、了解气敏传感器 （2）接触燃烧式气敏传感器 接触燃烧式气敏传感器如图所示， 是将铂等金属线圈埋设在氧化催化剂中 构成，使用时对金属线圈通以电流，使 之保持在300600的高温状态，同时将 元件接入电桥电路中的一个桥臂，调节 桥路使其平衡。一旦有可燃性气体与传 感器表面接触，燃烧热量进一步使金属 丝升温，造成器件阻值增大，从而破坏 了电桥的平衡。其输出的不平衡电流或 电压与可燃性气体浓度成比例，检测出 这种电流和电压即可测

5、得可燃气体的浓 度。 任务一 使用气敏传感器检测气体 一、了解气敏传感器 气体分子式密度（空气为1）爆炸限（%） 容许浓度 （PPM） 甲烷 CH40.65.015.0 丙烷 C3H81.62.19.51000 丁烷 C4H102.01.88.4 汽油气 3.41.37.6500 乙炔 C2H20.92.581 甲醇 CH3OH1.15.537200 乙醇 C2H5OH1.63.3191000 乙醚 C2H5O2.61.748.0 一氧化碳 CO1.012.574.050 氢气 H20.074.075 可燃气体的基本特性 任务一 使用气敏传感器检测气体 二、常用电阻式半导体气敏传感器结构 电阻

6、式半导体气敏传感器可分为表面电阻型和体电阻型两大系列，它有三种结 构类型：烧结型、薄膜型及厚膜型。 烧结型传感器分为内热式和旁热式两种，如图所示。它一般用于还原性气体、 可燃性气体和液化气体的检测。 任务一 使用气敏传感器检测气体 二、常用电阻式半导体气敏传感器结构 薄膜型气敏传感器是在绝缘衬底（如石英晶片）上，蒸发或溅射上一块氧化 物半导体薄膜（厚度为数微米），其结构如图所示。该结构的气敏传感器特点是： 机械强度高、成本低，但是器件的性能与工艺和薄膜的物理化学状态有关，器件 之间的一致性差。 任务一 使用气敏传感器检测气体 二、常用电阻式半导体气敏传感器结构 厚膜型气敏传感器是将半导体氧化粉

7、末、添加剂、粘合剂和载体混合，配成浆 料，然后用丝网印刷的方法将浆料印到基片上，形成厚度为数微米到数十微米的 厚膜，经400800温度烧结一小时而成，如图所示。 任务一 使用气敏传感器检测气体 三、气敏传感器的应用 1. 矿井瓦斯超限报警器 当无瓦斯或瓦斯浓度 很低时，QM-N5的A、B 极间电阻很大，电位器 RP的滑动触点电压小于 0.7V，VTH不被触发，警 笛声电路无电源，不发声； 当瓦斯气体超过安全标准 时，A、B极间电阻迅速 减小，当RP的滑动触点 电压大于0.7V时，VTH被 触发导通，警笛声电路得 电，发出报警声 任务一 使用气敏传感器检测气体 三、气敏传感器的应用 2. 有害气

8、体报警电路 在传感器接触到有害可燃气体后，A、B极间电阻变小，B点电位升高并向 电容C2充电，当充电电位达到U850的导通电位（约1.4V）时，VT导通，驱 动报警器KD9561报警。一旦有害气体浓度降低，使B电位低于1.4V，VT截止， 报警解除。 任务一 使用气敏传感器检测气体 三、气敏传感器的应用 3. 防止酒后开车控制器 若司机没喝酒，在驾驶室内合上开关S，此时气敏器件的阻值很高，Ua为 高电平，U1为低电平，U3为高电平，继电器K2线圈失电，其常闭触点K2-2闭 合，发光二极管VD1导通，发绿光，能点火启动发动机。 任务一 使用气敏传感器检测气体 实践操作 简易酒精测试器的制作 当无

9、酒精蒸气时，气敏电阻的阻值很大， 负载获得的电压很低，即对外输出电压很低， LED不点亮；当有酒精蒸气时，随着酒精蒸 气浓度的增加，气敏电阻值减小，其输出电 压上升，则LM3914的LED（共10个）点亮 数目也随着增加。测试时，人只要向传感器 呼一口气，根据LED点亮的情况与数目可知 是否喝酒，并可大致了解饮酒多少，确定被 试者是否适宜驾驶车辆。 任务一 使用气敏传感器检测气体 实践操作 简易酒精测试器的制作 LM3914基本电路如图所示，5脚为LM3914集成电路的信号输入端，1、1018 脚为驱动输出端，接10只LED。当5脚输入一个01.2V的电压时，通过比较器即可 点亮010只发光二

10、极管。 任务一 使用气敏传感器检测气体 实践操作 简易酒精测试器的制作 名称型号规格数量名称型号数量 电阻R1（1.8k）1三端集成稳压块78051 电阻R2（20k）1集成电路LM39141 电阻R3（2.7k）1万用表DT-8901 电阻R4（3.9k）1电源025V2 电容C1（100F）1发光二极管颜色随意10 电容C2（10F）1 电烙铁、酒精、 电路板 若干 主要实验器材 任务一 使用气敏传感器检测气体 实践操作 简易酒精测试器的制作 1）在万能电路板上安装、焊接LM3914集成电路插座，将外围电阻元件与LED连 接并焊接。 2）安装、焊接7805集成稳压电路及滤波电容。 3）按照

11、本项目任务一中的电阻测试法将MQ-3气敏传感器的4只信号输出脚短接成 两个脚，按图连接在集成稳压电路与LM3914驱动电路之间。 4）在稳压电路的输入端加上67V的直流电压，用万用表电压档测试LM3914集成 电路插座的5脚电压，将装有酒精的小瓶瓶口靠近传感器，观察此电压的变化。 5）断开电源，插上LM3914集成电路，再将酒精瓶口靠近传感器，观察LED点亮 的情况。反复将酒精瓶口靠近、远离传感器，观察LED的变化。 6）调试仪器，让24小时内没有饮酒的人呼气，使得仅1支LED发光，然后微调电 阻R2，使之不发光即可。 制作步骤 任务二 使用湿敏传感器检测湿度 任务导入 用万用表检测湿敏电阻传

12、感器 湿敏电阻是在绝缘基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜并引 出两根电极制成的，其特点是当空气中的水蒸气吸附在感湿膜 上时，湿敏电阻的电阻率和电阻值都发生变化，即随着湿度的 上升电阻减小，利用这一特性可进行湿敏元件的检测和湿度测 量。 用万用表的电阻档测试湿敏电阻的阻值，观察它在干燥处的 电阻值，然后将其移至热水杯的上方，观察电阻值的变化，并 记录下现象。 提示：随着温度的上升，电阻值逐渐减小，当湿度达到一定 程度并稳定时（可用湿度仪监视），湿敏电阻的阻值应基本稳 定不变。 任务二 使用湿敏传感器检测湿度 一、了解湿敏传感器 应用领域应用实例温度范围/相对湿度/% 家电 空调机（空气调节）540

13、4070 微波炉（调理控制）51002100 录像机（防止结露）-56060100 汽车汽车后窗除湿机-208050100 医疗 医疗仪（呼吸设备）103080100 保育设备（空气调节）10305080 工业 电子元件制造（LSI、IC）540050 纺织业（抽丝）103050100 食品干燥50100050 农牧业 室内空调（调节空气）5400100 育雏饲养（健康管理）20254070 测 量 恒温恒湿槽（环境试验）-401000100 无线电探仪（高精度测量）-50400100 湿度传感器的应用领域及其应用湿度范围 任务二 使用湿敏传感器检测湿度 一、了解湿敏传感器 所谓湿敏传感器，是

14、指能够检测环境湿 度变化并能将湿度变化信号转换成电信号的 一种传感器。湿敏传感器种类较多，主要有 电阻式、电容式两大类，分别由湿敏电阻和 湿敏电容构成。 左图所示为湿敏元件的外形和结构示意 图。湿敏传感器的特点是线性度及抗污染性 差。在检测环境湿度时，湿敏传感器要长期 暴露在待测环境中，很容易因被污染而影响 其测量精度及长期稳定性。 任务二 使用湿敏传感器检测湿度 二、湿敏电阻的类型 湿敏电阻按照感湿层所用材料不同，又分为氯化锂、金属氧化物、硫酸钙、碘化 物等多种形式。目前应用较多的是金属氧化物半导体陶瓷湿敏电阻，其中半导体陶瓷 湿敏电阻按结构可分为烧结型和涂覆膜型两大类。 烧结型金属氧化物半

15、导体材料一般为 多孔结构的多晶体，其结构不甚紧密，各晶 粒之间带有一定的空隙，呈多孔毛细管状， 因而水分可以通过陶瓷材料中的细孔，在各 晶粒表面和晶粒间界面上吸附，且在晶粒间 界面处凝聚。由于晶粒间界面处的接触电阻 是陶瓷整体电阻的主要部分，使材料的电阻 率下降。因此，利用这一特性就可以实现湿 度检测。 1. 烧结型湿敏电阻 任务二 使用湿敏传感器检测湿度 二、湿敏电阻的类型 铬酸镁二氧化钛陶瓷湿敏传感器随着湿度的增加，电阻值急剧下降，基本上按 负指数规律变化，其电阻湿度特性，如图所示。 任务二 使用湿敏传感器检测湿度 二、湿敏电阻的类型 2. 涂覆膜型湿敏电阻 涂覆膜型湿敏电阻，是由金属氧化

16、物 粉末或某些金属氧化物烧结体研磨成的粉末， 通过一定方式调和，然后喷洒或涂覆在具有 电极的陶瓷基片上制成的。由于粉粒之间结 构松散，相互之间具有极大的接触电阻，在 总体电阻中起主导作用。这种松散的结构使 其粉末具有很大的准自由表面，这些表面非 常有利于水分子附着，特别是粉粒与粉粒之 间不太紧密的接触处更有利于水分子附着。 当水分子在粉粒接触处附着后使其接触程度 强化，其接触电阻显著降低。因此，环境湿 度越高，水分子附着越多，元件的电阻就越 低。从而将湿度变化信号转换成电阻变化信 号。 任务二 使用湿敏传感器检测湿度 二、湿敏电阻的类型 3. 结露传感器 当需检测空气中的水蒸气是否将要结露 时

17、，可使用结露传感器。结露传感器实际上 是一个开关型的湿敏传感器，它对低湿不敏 感，仅对高湿敏感。它是利用掺入碳粉的有 机高分子材料吸湿后膨胀现象进行工作的， 即在高湿下，高分子材料的膨胀将引起其中 所含碳粉间距离变化而产生电阻突变，利用 这种现象就可制成具有开关特性的结露传感 器。结露传感器一般不用于测湿，而是作为 提供开关信号的结露信号器，用于自动控制 或报警。 任务二 使用湿敏传感器检测湿度 三、湿敏电阻的应用 1. 直读式湿度计 直读式湿度计电路原理图如图所示，图中RH为氯化锂湿敏传感器。由VT1、 VT2、T1等组成测湿电桥的电源，其振荡频率为2501000Hz。电桥的输出经变压 器T

18、2、C3耦合到VT3，经VT3放大后的信号，经VD1VD4桥式整流后，输入给微安 表，指示出由于相对湿度的变化而引起电流的改变，经标定并把湿度刻划在微安 表盘上，就成为一个简单而实用的直读式湿度计了。 任务二 使用湿敏传感器检测湿度 三、湿敏电阻的应用 2. 汽车后窗玻璃自动除湿电路 在常温常湿条件下，由于RH的阻值较大，VT1导通而VT2截止，继电器K不吸合， 加热电阻无电流通过。当车内湿度较大时，湿度传感器RH的阻值减小，使VT1截止， VT2翻转为导通状态，继电器K工作，其动合触点K1闭合，发光二极管LED点亮，加 热电阻开始加热。当后窗玻璃杯加热到一定程度，潮气被驱散，湿度减小，RH阻值 降低，施密特触发器又翻转到初始状态。发光二极管LED熄灭，电阻丝停止加热， 从而实现了自动除湿控制。 任务二 使用湿敏传感器检测湿度 实践操作 简易婴儿尿湿报警器的制作 VT1相当于一个受湿度控制的电子开关，平时湿敏传感器处于开路状态，VT1 （PNP型晶体管）集电极无电压输出，当婴儿尿布尿湿后，湿敏传感器被尿液短 路，VT1导通，VT1的集电极电位升高，延时电路便开始工作计时，约10s后，IC1 （555）第3脚输出高电平，触发IC2发出音乐声音，提示监护人员及时给婴儿换 尿布。 任务二 使用湿敏传感器检测