常用传感器的应用

1、2022-2-151第十章第十章 常用传感器的应用常用传感器的应用 l可燃性气体报警l压力测量l液位测量l流量测量l温度测量l气体成分分析2022-2-152l在自动化系统中，各种工艺变量的获得，都要通过检测元件（传感器），它直接响应被测工艺变量，并输出一个对应关系的信号。l对于检测仪表来说，检测、变送与显示是三个独立部分，也可以只用其中两个部分。当然检测、变送与显示也可以有机地结合为一体。l对检测仪表有以下三条基本要求：l1、测量值要正确反映被控变量的值，误差不超过规定的范围；l2、在环境条件下能长期工作，保证测量值的可靠性；l3、测量值必须迅速反映被控变量的变化，即动态响应比较迅速。202

2、2-2-153l可燃性气体报警器由传感器和报警器二部分组成。l传感器是连续测定设备四周空气中可燃性气体额体积百分含量，转换成电信号，传送到报警器发出报警信号。l可燃性气体传感器有两种形式：l一种是半导体气敏传感器，另一种是催化反应热式传感器。2022-2-154 半导体气敏传感器由于具有灵敏度高、响应时间和恢复时间快、使用寿命长以及成本低等优点，从而得到了广泛的应用。 按其用途可分为以下几种类型：气体泄露报警、自动控制、自动测试等。 表10-1给出了半导体气敏传感器的应用举例。 2022-2-155表表10-1 气敏传感器主要检测对象及应用场所气敏传感器主要检测对象及应用场所 2022-2-1

3、56l报警器的显示值是采用国际标准，以LEL为计量单位。其意义是以可燃气体的爆炸下限浓度为100，仪器检测出来的可燃气体浓度值折算成LEL显示出来。l例如，丙稀气体，它的爆炸下限浓度为2.4，则显示值100LEL表示空气中含有丙稀的浓度为2.4，达到爆炸下限浓度，就会发生爆炸。若报警器显示50 LEL，则表示空气中含有丙稀的浓度为1.2。l一般情况下，预警设定点应设置在20 LEL或40 LEL处，也可以根据情况自行设定，但不得大于60 LEL。2022-2-157 气体敏感元件，大多是以金属氧化气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该物半导体为基础材料。当被测气体在该

4、半导体表面吸附后，引起其电学特性半导体表面吸附后，引起其电学特性( (例例如电导率如电导率) )发生变化。发生变化。 气敏传感器气敏元件的工作原理十气敏传感器气敏元件的工作原理十分复杂，有不同的解释模型。分复杂，有不同的解释模型。 目前流行的定性模型是：目前流行的定性模型是：原子价控原子价控制模型制模型、表面电荷层模型表面电荷层模型、晶粒间界势晶粒间界势垒模型垒模型。一、半导体气体传感器一、半导体气体传感器2022-2-158（一）工作原理（一）工作原理半导体气敏传感器的结构如右图所示。一组为工作电极，另一组为加热电极兼工作电极。2022-2-159 半导体气敏传感器是利用气体在半气体在半导体

5、表面的氧化和还原反应导致敏感元件导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化阻值变化而制成的。当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。2022-2-1510 当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力(气体的吸附和渗透特性)时， 吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附， 半导体表面呈现电荷层。例如氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子接收性气体。 如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正离

6、子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气体或电子供给性气体。 2022-2-1511 当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。图10-3表示了气体接触N型半导体时所产生的器件阻值变化情况。2022-2-1512图 10-3 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图 100550加热开关大气中2 min 4 min吸气时还原型氧化型稳定状态器件加热响应时间约1 min以内器件电阻 / k2022-2-1513 由于空气

7、中的含氧量大体上是恒定的， 因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相对固定。若气体浓度发生变化，其阻值也将变化。根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。半导体气敏时间(响应时间)一般不超过1min。N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。 2022-2-1514l气敏元件工作时必须加热，其目的是：l加速被测气体的吸附、脱出过程；l烧去气敏元件的油垢或污垢物，起清洗作用；l控制不同的加热温度能对不同的被测气体具有选择作用。l加热温度与元件输出的灵敏度有关。如右图所示。2022-2-1515 气敏元件一般工作在气敏元件一般工作在200400的的高温。高温

8、。 为气敏元件提供必要工作温度的加为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻热电路的电阻(指加热器的电阻值指加热器的电阻值)称为加称为加热电阻，用热电阻，用RH表示。直热式的加热电阻表示。直热式的加热电阻值一般小于值一般小于5；旁热式的加热电阻大于；旁热式的加热电阻大于20。 气敏元件正常工作所需的加热电路气敏元件正常工作所需的加热电路功率，称为加热功率，用功率，称为加热功率，用表示。一般表示。一般在在(0.52.0)W范围。范围。2022-2-1516l1、自动排风扇控制器2022-2-1517 由于加热方式一般有直热式和旁热式两种，因而形成了直热式和旁热式气敏元件。直热式气敏器件的结构及符

9、号如下图所示。直热式器件是将加热丝、 测量丝直接埋入SnO2或ZnO等粉末中烧结而成的，工作时加热丝通电，测量丝用于测量器件阻值。 这类器件制造工艺简单、成本低、功耗小，可以在高电压回路下使用， 但热容量小， 易受环境气流的影响，测量回路和加热回路间没有隔离而相互影响。国产QN型和日本费加罗TGS109型气敏传感器均属此类结构。 2022-2-1518直热式气敏器件结构及符号1234SnO2烧结体加热极兼电极(a)结构4321(b)符号2022-2-1519 旁热式气敏器件的结构及符号如下图所示，它的特点是将加热丝放置在一个陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂上SnO2等材料。旁热

10、式结构的气敏传感器克服了直热式结构的缺点，使测量极和加热极分离， 而且加热丝不与气敏材料接触，避免了测量回路和加热回路的相互影响，器件热容量大，降低了环境温度对器件加热温度的影响，所以这类结构器件的稳定性、 可靠性都较直热式器件好，国产QM-N5型和日本费加罗TGS812、813型等气敏传感器都采用这种结构。 2022-2-1520（2）旁热式）旁热式SnO2气敏元件气敏元件加热器电阻值一般为3040电极加热器瓷绝缘管旁热式气敏器件结构及符号SnO2烧结体123456（a）结构（b）符号7100目不锈钢网18.412312345674545气敏元件外形和引出线分布2022-2-1521l传感器

11、的加热电压直接由变压器次级（6V）经R12将压提供；工作电压由全波整流后，经C1滤波及R1、VZ5稳压后提供。l传感器负载电阻由R2及R3组成（更换R3大小，可调节控制信号与待测气体的浓度的关系）。R4、VD6、C2及IC1组成开机延时电路，调整使其延时为60s左右（防止初始稳定状态误动作）。2022-2-1522 当达到报警浓度时，IC1的2端为高电平，使IC4输出高电平，此信号使VT2导通，继电器吸合（起动排气扇）；组成排气扇延迟电路，使IC4出现低电平后10s才使J释放；另外，IC4输出高电平使IC2、IC3组成的压控振荡器起振，其输出使VT1导通或截止交替出现，则LED（红色）产生闪光

12、报警信号。 LED（绿色）为工作指示灯。2022-2-1523l右图为简易酒精测试仪。l其加热及工作电压都是5V，加热电流约125mA。传感器的负载电阻为R1及R2，其输出直接结LED显示驱动器LM3914。当无酒精蒸气，其上的输出电压很低，随着酒精蒸气的浓度增加，输出电压也上升，则LM3912的LED（共10个）亮的数目也增加。2022-2-1524l 下图所示为有害气体鉴别器的电路。MQS2B是烟雾、有害气体传感器，平时阻值较高（10k左右）。当有烟雾或有害气体进入时，阻值急剧下降。2022-2-1525l MQS2B的A、B两端电压下降时，12V电压经MQS2B的压降减少，使得B的电压升

13、高，经电阻R1和RP分压、R2限流加到开关集成电路TWH8778的端。当端电压达到预定值时，、两端导通。2022-2-1526l调节可调电阻RP可改变端的电压预定值，从而调节其灵敏度，使、两端导通。12V电压加至继电器，使继电器得电，触点J1-1吸合，从而控制排风扇电源的开关，使排风扇自动排风。同时端输出的12V电压经R4限流和稳压二极管VD3（5V）稳压后提供微音器HTD电源电压，此微音器是有源的（自带音源），此时便会发出嘀嘀声，由此可知是否有有害气体产生。同时，发光二极管发出红光，实现生光显示。2022-2-1527 1 1、接触燃烧式气敏元件的结构、接触燃烧式气敏元件的结构 用高纯的铂丝

14、用高纯的铂丝, ,绕制成线圈绕制成线圈, ,为了使线圈具为了使线圈具有适当的阻值有适当的阻值( (12),),一般应绕一般应绕10圈以上。圈以上。在线圈外面涂以氧化铝或氧化铝和氧化硅组成在线圈外面涂以氧化铝或氧化铝和氧化硅组成的膏状的膏状涂涂覆层覆层, ,干燥后在一定温度下烧结成球状干燥后在一定温度下烧结成球状多孔体。将烧结后的小球多孔体。将烧结后的小球, ,放在贵金属铂、钯等放在贵金属铂、钯等的盐溶液中的盐溶液中, ,充分浸渍后取出烘干。然后经过高充分浸渍后取出烘干。然后经过高温热处理温热处理, ,使在氧化铝使在氧化铝( (氧化铝一氧化硅氧化铝一氧化硅) )载体上载体上形成贵金属触媒层形成贵

15、金属触媒层, ,最后组装成气体敏感元件。最后组装成气体敏感元件。2022-2-1528 除此之外除此之外, ,也可以将贵金属触媒粉体也可以将贵金属触媒粉体与氧化铝、氧化硅等载体充分混合后配与氧化铝、氧化硅等载体充分混合后配成膏状成膏状, ,涂覆在铂丝绕成的线圈上涂覆在铂丝绕成的线圈上, ,直接直接烧成后备用。另外，作为补偿元件的铂烧成后备用。另外，作为补偿元件的铂线圈线圈, ,其尺寸、阻值均应与检测元件相同。其尺寸、阻值均应与检测元件相同。并且并且, ,也应涂覆氧化铝或者氧化硅载体层也应涂覆氧化铝或者氧化硅载体层, ,只是无须浸渍贵金属盐溶液或者混入贵只是无须浸渍贵金属盐溶液或者混入贵金属触媒

16、粉体金属触媒粉体, ,形成触媒层而已。形成触媒层而已。 2022-2-1529触媒Al2O3载体Pt丝元件(0.8-2)mm(b)敏感元件外形图接触燃烧式气敏元件结构示意图(a)元件的内部示意图 2022-2-1530l2、检测原理、检测原理 l 对铂丝线圈通以电流，使其保持高温对铂丝线圈通以电流，使其保持高温（300400）。可燃性气体）。可燃性气体(H2、CO、CH4等等)与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热反应热(无焰接触燃烧热无焰接触燃烧热)，使得作为敏感材料，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。一般情况的铂丝温度升高，电阻值相应增

17、大。一般情况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高下，空气中可燃性气体的浓度都不太高(低于低于10)，可燃性气体可以完全燃烧，可燃性气体可以完全燃烧，其发热量其发热量与可燃性气体的浓度有关与可燃性气体的浓度有关。2022-2-1531l 空气中可燃性气体浓度愈大，氧化空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应反应(燃烧燃烧)产生的反应热量产生的反应热量(燃烧热燃烧热)愈多，愈多，铂丝的温度变化铂丝的温度变化(增高增高)愈大，其电阻值增愈大，其电阻值增加的就越多。因此，只要测定作为敏感加的就越多。因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值件的铂丝的电阻变化值(R)，就可检测，就可检测空气中可燃性气体的浓度。

18、但是，使用空气中可燃性气体的浓度。但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都较短，所以，实际应用的检测元件，都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使用寿命，又可以提这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。高检测元件的响应特性。2022-2-1532 接触燃烧式气体敏感元件接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图。图中的桥式电路如图。图中F1是检是检测元件；测元件；F2是补偿元件，其作是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体接触燃烧用是补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温度、

19、电源电压变以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起的偏差。工作化等因素所引起的偏差。工作时 ， 要 求 在时 ， 要 求 在 F1和和 F2上 保 持上 保 持100mA200mA的电流通过，的电流通过，以供可燃性气体在检测元件以供可燃性气体在检测元件F1AF2F1MR1R2CBDW2W1E0上发生氧化反应上发生氧化反应( (接触燃烧接触燃烧) )所需要的热量。当检测元所需要的热量。当检测元件件F1与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用( (燃燃烧烧) )，释放出热量，使得检测元件的温度上升，电阻，释放出热量，使得检测元件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电

20、路不再平衡，在值相应增大，桥式电路不再平衡，在A、B间产生电间产生电位差位差E。 2022-2-1533就可以就可以测得测得A、B间的电间的电位差位差E，并由此求得空气，并由此求得空气中可燃性气体的浓度。中可燃性气体的浓度。若与相应的电路配合，若与相应的电路配合，就能在空气中当可燃性就能在空气中当可燃性气体达到一定浓度时，气体达到一定浓度时，自动发出报警信号，其自动发出报警信号，其感应特性曲线如图。感应特性曲线如图。1.0接触燃烧式气敏元件的感应特性00.20.40.60.850100150输出电压/mV丙烷乙醇异丁烷丙酮环己烷气体浓度(XLEL) A、B两点间的电位差与可燃性气体的浓度两点间的电位差与可燃性气体的浓度m成成比例。如果在比例。如果在A、B两点间连接电流计