传感器与检测技术：第11章 化学传感器

1、1/66传感技术与智能仪器传感技术与智能仪器第第11章章 化学传感器化学传感器半导体气体传感器半导体气体传感器1.2离子敏传感器离子敏传感器11.111.2湿度传感器湿度传感器11.32/66第第11章化学传感器章化学传感器 化学传感器：能将各种物质的化学特性化学传感器：能将各种物质的化学特性(成分、浓度等）定性或定成分、浓度等）定性或定量地转变成电信号输出的装置。量地转变成电信号输出的装置。 组成：组成：接受器，具有分子或离子识别功能的化学敏感层。接受器，具有分子或离子识别功能的化学敏感层。 作用：吸附、离子交换、选择等作用：吸附、离子交换、选择等 物理形态：各种工艺制作的膜结构。物理形态：

2、各种工艺制作的膜结构。换能器，将敏感层的化学或物理变化转变成电或光信号。换能器，将敏感层的化学或物理变化转变成电或光信号。结构形式多种多样。结构形式多种多样。接受器接受器-关键部件。关键部件。也有的化学传感器不能明显地分为上述组成成分。也有的化学传感器不能明显地分为上述组成成分。如分光光度计等。如分光光度计等。3/66第第11章化学传感器章化学传感器一、离子敏传感器一、离子敏传感器离子敏传感器是指具有离子选择性的一类传感器，它能检测出溶液中离子的种类、浓度（活度）。最简单的离子敏传感器是离子选择电极（ISE）。 pH玻璃电极 氟离子选择电极氨气敏电极已经有已经有20多种离子选择电极多种离子选择

3、电极按照接受器（敏感膜）来分，有玻璃膜，固态膜，液态膜等；按照换能器来分，有：电极型、场效应管型、光导纤维型、声表面波型等。 4/66第第11章化学传感器章化学传感器原电池的组成原电池的组成：电极电极 Zn-Zn2+ , Cu-Cu2+外电路：导线联接电极外电路：导线联接电极盐桥：盐桥：U型管内有型管内有KNO3 ; 盐桥的作用：沟通内电路盐桥的作用：沟通内电路5/66第第11章化学传感器章化学传感器铜锌原电池铜锌原电池: 负极：氧化反应负极：氧化反应 Zn - 2e= Zn+2 (1) 正极：还原反应正极：还原反应 Cu+2+2e= Cu (2)每个电极反应中都有两类物质，每个电极反应中都有

4、两类物质，一类是可作还原剂的物质，称为还原态物质；一类是可作还原剂的物质，称为还原态物质； Ag ;Cu ; Zn另一类是可作氧化剂的物质，称为氧化态物质。另一类是可作氧化剂的物质，称为氧化态物质。 Ag+ ; Cu +2 ; Zn+2氧化态物质和还原态物质用来组成电对，通常称为氧化态物质和还原态物质用来组成电对，通常称为氧化还原电对氧化还原电对，并用符号并用符号“氧化态氧化态/还原态还原态”表示。表示。Zn+2/Zn和和Cu+2 /Cu0/0/ln1/ ;25)T273+F96485C/mol)n1oxox redox redredox redoxredredaRTEEnFaEmol lCR

5、Caaa标准电极电位（气体常数； 绝对温度（）； 法拉第常数，（电子转移数；氧化态离子的活度；还原态离子的活度（= ）。6/66第第11章化学传感器章化学传感器化学传感器与原电池的不同是盐桥的作用由敏感膜来代化学传感器与原电池的不同是盐桥的作用由敏感膜来代替完成。替完成。7/66第第11章化学传感器章化学传感器外部试液外部试液a外外内部参比内部参比a内内水化层水化层水化层水化层干玻璃干玻璃内电极内电极mEEmaEErErEj8/66第第11章化学传感器章化学传感器道南电位道南电位 将渗透膜放在浓度不相同的两溶液中间时，由于渗透膜允许将渗透膜放在浓度不相同的两溶液中间时，由于渗透膜允许离子选择性

6、通过，使得两溶液交盖面上的电荷分布不平衡，产生电位离子选择性通过，使得两溶液交盖面上的电荷分布不平衡，产生电位差，称为道南电位。膜与溶液界面上的电位具有这一性质。差，称为道南电位。膜与溶液界面上的电位具有这一性质。 如果内充液和膜外面的溶液相同时，则中膜电位应为零。但实际上仍有一个很小的电位存在，这个电位称为不对称电位不对称电位。 9/66第第11章化学传感器章化学传感器rjmamr|EEEE EE参比电极 待测溶液 敏感膜内部溶液 内部电极rmamjrEEEEEEE10/66第第11章化学传感器章化学传感器参比电极参比电极（reference electrode） 在恒温恒压条件下，电极电位

7、电极电位不随溶液中被测离子活度变化而变化，具基本恒定值基本恒定值的电极。 要求：温度稳定性好，湿度系数小，不受被测离子浓度的影响常用参比电极：氢电极，Ag/AgCl电极，电极， Hg /Hg2Cl2电极电极参比电极参比电极11/66第第11章化学传感器章化学传感器指示电极指示电极（indicating electrode）在电化学电池中借以反映待测离子活度待测离子活度、发生所需电化学反应或响应激发信号的电极。玻璃膜电极（玻璃膜电极（PH）、固态膜电极（）、固态膜电极（F）、液态膜电）、液态膜电极（极（Ca)、气敏电极、气敏电极(氨）等氨）等12/66第第11章化学传感器章化学传感器离子选择性电

8、极性能参数离子选择性电极性能参数一、校正曲线一、校正曲线 以以ISE的电位的电位 对响应离子活度的负对数对响应离子活度的负对数-lgax(或或pX) 作图作图, 所得曲线为标准校正曲线。如图。所得曲线为标准校正曲线。如图。Nernst 响应：如果该电极对待测物活度的响应符响应：如果该电极对待测物活度的响应符 合合Nernst方程，则称为方程，则称为Nernst 响应。响应。线性范围：线性范围：Nermst 响应区的直线所对应的浓度范响应区的直线所对应的浓度范 围。围。级差：标准曲线的斜率。级差：标准曲线的斜率。检测下限：图中校正曲线的延线与非检测下限：图中校正曲线的延线与非 Nernst 响应

9、响应 区区(弯曲部分弯曲部分) 切线的交点所对应的活切线的交点所对应的活 度。度。-lgaiDFCG 检测下限检测下限13/66第第11章化学传感器章化学传感器二、选择性系数二、选择性系数 (selectivity coefficient)定定 义：义：ISE并没有绝对的专一性，有些离子仍可能有干扰。即离子选并没有绝对的专一性，有些离子仍可能有干扰。即离子选 择性电极除对特定待测离子有响应外，共存择性电极除对特定待测离子有响应外，共存(干扰干扰)离子亦会响离子亦会响 应，此时电极电位为应，此时电极电位为:i 为待测离子，为待测离子，j 为共存干扰离子。为共存干扰离子。Kij 为离子选择性系数，

10、其值越小，为离子选择性系数，其值越小，表示表示ISE 测定测定 i 离子抗离子抗 j 离子的干扰能力越强。离子的干扰能力越强。 jz/zjijii)aKalg(z059. 0Kji 14/66第第11章化学传感器章化学传感器三、响应时间三、响应时间定义：指离子指示电极定义：指离子指示电极(工作电极工作电极)与参比电极从接触试液开始到电极与参比电极从接触试液开始到电极 电位变化稳定电位变化稳定( 1mV)所需要的时间。影响因素包括电极电位建所需要的时间。影响因素包括电极电位建 立平衡的快慢、参比电极的稳定性和溶液的搅拌程度。立平衡的快慢、参比电极的稳定性和溶液的搅拌程度。四、内阻四、内阻 电极的

11、内阻决定测量仪器的输入阻抗电极的内阻决定测量仪器的输入阻抗(即二者要匹配，否则会带来即二者要匹配，否则会带来较大测量误差较大测量误差)，包括膜内阻、内参比液和内参比电极的内阻。通常玻，包括膜内阻、内参比液和内参比电极的内阻。通常玻璃膜比晶体膜有更大的内阻。璃膜比晶体膜有更大的内阻。 *注意：内阻与总阻抗之比等于测试仪器注意：内阻与总阻抗之比等于测试仪器(读数读数)所带来相对误差。所带来相对误差。 15/66第第11章化学传感器章化学传感器ISE测量方法测量方法直接测量方法（标准曲线直接测量方法（标准曲线查曲线）查曲线）滴定法滴定法0.059lgxxEKcz0.059lgxEKczccVVccV

12、VVcVccxsssxsxssxxx )110(cc059. 0Ezx 16/66第第11章化学传感器章化学传感器离子敏感场效应管离子敏感场效应管(ISFET) 它是将场效应晶体管稍作改装而成。它是将场效应晶体管稍作改装而成。1) p 型硅作衬底型硅作衬底+两个高掺杂的两个高掺杂的 ns 和和 nd 区区(s极和极和d 极极)+ 涂涂 SiO2绝缘层绝缘层(于于ns和和nd区之间的表面区之间的表面)作栅级作栅级(g)2) Ugs=0, Uds0, 此时此时p-nd间构成反向偏置，因间构成反向偏置，因d-s间无间无 导电沟道，故导电沟道，故Id=03) 当当Ugs0, g-p间形成电场，空穴受斥

13、移向间形成电场，空穴受斥移向p内，而内，而Uds 将载流子将载流子(电子电子)吸引到表面，形成导电沟道。吸引到表面，形成导电沟道。4) 用电极敏感膜代替栅极用电极敏感膜代替栅极g，当此敏感膜与试液接触，当此敏感膜与试液接触 时，其表面电荷分布改变，产生的膜电位迭加到时，其表面电荷分布改变，产生的膜电位迭加到s-g 上，从而使上，从而使Id发生变化，该响应与离子活度之间的发生变化，该响应与离子活度之间的 关系遵循关系遵循Nernst公式公式 。5) 在栅极上涂在栅极上涂PVC膜，可得到对膜，可得到对K+，Ca2+，H+，X-等等离子敏感场效应管离子敏感场效应管(ISFET)17/66第第11章化

14、学传感器章化学传感器气敏传感器的定义：是能够感知环境中某种气体某种气体及其浓度浓度的一种敏感器件，它将气体种类及其浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息。 二、气敏传感器二、气敏传感器18/66第第11章化学传感器章化学传感器气敏传感器的性能要求： 对被测气体具有较高的灵敏度对被测气体以外的共存气体或物质不敏感 性能稳定，重复性好 动态特性好，对检测信号响应迅速使用寿命长 制造成本低，使用与维护方便等 19/66第第11章化学传感器章化学传感器气敏传感器的主要参数及特性灵敏度灵敏度：对气体的敏感程度响应时间响应时间 ：对被测气体浓度的响应速

15、度选择性选择性：指在多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类的能力稳定性稳定性：当被测气体浓度不变时，若其他条件发生改变，在规定的时间内气敏元件输出特性保持不变的能力温度特性温度特性：气敏元件灵敏度随温度变化而变化的特性湿度特性湿度特性：气敏元件灵敏度随环境湿度变化而变化的特性电源电压特性电源电压特性：指气敏元件灵敏度随电源电压变化而变化的特性 时效性与互换性时效性与互换性：反映元件气敏特性稳定程度的时间，就是时效性；同一型号元件之间气敏特性的一致性，反映了其互换性 20/66第第11章化学传感器章化学传感器气敏传感器的分类类 型原 理检测对象特 点半导体式半导体式 若气体接触到加热的金属氧

16、化物(SnO2、Fe2O3、ZnO2等)，电阻值会增大或减小还原性气体、城市排放气体、丙烷气等灵敏度高，构造与电路简单，但输出与气体浓度不成比例接触燃烧式 可燃性气体接触到氧气就会燃烧，使得作为气敏材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大燃烧气体输出与气体浓度成比例，但灵敏度较低化学反应式利用化学溶剂与气体反应产生的电流、颜色、电导率的增加等CO、H2、CH4、C2H5OH、 SO2等气体选择性好，但不能重复使用光干涉式利用与空气的折射率不同而产生的干涉现象与空气折射率不同的气体，如CO2等寿命长，但选择性差热传导式根据热传导率差而放热的发热元件的温度降低进行检测与空气热传导率不同的气体，如H2等构

17、造简单，但灵敏度低，选择性差红外线吸收散射式由于红外线照射气体分子谐振而吸收或散射量进行检测CO、CO2等能定性测量，但装置大，价格高21/66第第11章化学传感器章化学传感器半导体式气敏传感器的工作原理半导体式气敏传感器：n利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质发生变化的原理来检测特定气体的成分或者浓度半导体式气敏传感器可分为：n电阻式，电阻型气敏器件的原理是气体分子引起敏感材料电阻的变化； n非电阻式，非电阻型气敏器件主要有MOS二极管和结型二极管或场效应管，利用敏感气体改变MOSFET开启电压的原理。 22/66第第11章化学传感器章化学传感器从半导体气敏传感器的工作稳定性和可靠性

18、考虑，一般不采用非氧化物半导体材料，而只采用氧化物半导体材料制作所需的气敏传感器，故此常简称为氧化物气敏传感器。 2SnOZnO23Fe O半导体材料：半导体材料：最常用的氧化物气敏传感器材料是N型氧化物，如23/66第第11章化学传感器章化学传感器基本原理n是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。n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）。w当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时， 吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附负

19、离子吸附， 半导体表面呈现电荷层。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。w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，而形成正离子吸附正离子吸附。具有正离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。24/66第第11章化学传感器章化学传感器当氧化型气体吸附到N型半导体（SnO2, ZnO)上，还原型气体吸附到P型半导体(CrO3)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。25/66第第11章化学传感器章化

20、学传感器规则总结：氧化型气体N型半导体：载流子数下降，电阻增加还原型气体N型半导体：载流子数增加，电阻减小氧化型气体P型半导体：载流子数增加，电阻减小还原型气体P型半导体：载流子数下降，电阻增加 26/66第第11章化学传感器章化学传感器半导体气敏元件的特性参数半导体气敏元件的特性参数 （1）气敏元件的电阻值）气敏元件的电阻值 将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件敏元件(电阻型电阻型)的固有电阻值，表示为的固有电阻值，表示为。一般其固有。一般其固有电阻值在电阻值在(103105)范围。范围。测定固有电阻值测定固有电阻值时时,

21、 要求必须在洁净空气环境中进行。要求必须在洁净空气环境中进行。由于经济地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分由于经济地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分差别较大，即使对于同一气敏元件，在温度相同的条件下，差别较大，即使对于同一气敏元件，在温度相同的条件下，在不同地区进行测定，其固有电阻值也都将出现差别。因在不同地区进行测定，其固有电阻值也都将出现差别。因此，必须在洁净的空气环境中进行测量。此，必须在洁净的空气环境中进行测量。27/66第第11章化学传感器章化学传感器（2）气敏元件的灵敏度）气敏元件的灵敏度是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表示气体敏感元件的电是表征气敏元件

22、对于被测气体的敏感程度的指标。它表示气体敏感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）与被测气体浓度之间的依从关系。表示参量（如电阻型气敏元件的电阻值）与被测气体浓度之间的依从关系。表示方法有三种方法有三种 （a a）电阻比灵敏度）电阻比灵敏度K K（b b）气体分离度）气体分离度R RC1C1气敏元件在浓度为气敏元件在浓度为CcCc的被测气体中的阻值：的被测气体中的阻值： R R2 2气敏元件在浓度为气敏元件在浓度为C2C2的被测气体中的阻值。的被测气体中的阻值。通常，通常，C C1 1C C2 2。（c c）输出电压比灵敏度）输出电压比灵敏度K KV VV Va a: :气敏元件在洁净空气中

23、工作时，负载电阻上的电压输出；气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；V Vg g: :气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出 gaVVVK 21CCRRRa气敏元件在洁净空气中的电阻值；Rg气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值gaRRK 28/66第第11章化学传感器章化学传感器（4）气敏元件的响应时间）气敏元件的响应时间表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。一般从气敏元件与一定表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的阻值达到在此

24、浓度下的稳定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的电阻值的63时为止，所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时为止，所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间，通常用符号时间，通常用符号tr表示。表示。 agiaggigVVVVVVS （3）气敏元件的分辨率）气敏元件的分辨率表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制能力。气敏元表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制能力。气敏元件分辨率件分辨率S表示为表示为Va气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压；气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电

25、压；Vg气敏元件在气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压Vgi气敏元件在气敏元件在i种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压29/66第第11章化学传感器章化学传感器（5 5）气敏元件的加热电阻和加热功率）气敏元件的加热电阻和加热功率 气敏元件一般工作在气敏元件一般工作在200200以上高温。为气敏元件提以上高温。为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻供必要工作温度的加热电路的电阻( (指加热器的电阻值指加热器的电阻值) )称为加热电阻，用称为加热电阻，用R RH H表示。直热式的加热电阻值

26、一般小表示。直热式的加热电阻值一般小于于55；旁热式的加热电阻大于；旁热式的加热电阻大于2020。气敏元件正常工。气敏元件正常工作所需的加热电路功率，称为加热功率，用作所需的加热电路功率，称为加热功率，用表示。表示。一般在一般在(0.5(0.52.0)2.0)W范围。范围。 （6）气敏元件的恢复时间）气敏元件的恢复时间表示在工作温度下表示在工作温度下,被测气体由该元件上解吸的速度被测气体由该元件上解吸的速度,一一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时般从气敏元件脱离被测气体时开始计时,直到其阻值恢复直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值的到在洁净空气中阻值的63时所需时间。时所需时间。30/66第第11

27、章化学传感器章化学传感器（7）初期稳定时间）初期稳定时间 长期在非工作状态下存放的气敏元件长期在非工作状态下存放的气敏元件, ,因表面吸附空因表面吸附空气中的水分或者其他气体气中的水分或者其他气体, ,导致其表面状态的变化，在加导致其表面状态的变化，在加上电负荷后上电负荷后, ,随着元件温度的升高随着元件温度的升高, ,发生解吸现象。因此发生解吸现象。因此, ,使气敏元件恢复正常工作状态使气敏元件恢复正常工作状态, ,需要一定的时间需要一定的时间, ,称为气称为气敏元件的初期稳定时间。一般电阻型气敏元件敏元件的初期稳定时间。一般电阻型气敏元件, ,在刚通电在刚通电的瞬间的瞬间, ,其电阻值将下

28、降其电阻值将下降, ,然后再上升然后再上升, ,最后达到稳定。由最后达到稳定。由开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间, ,称为初期称为初期稳定时间。初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状稳定时间。初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数。存放时间越长态的函数。存放时间越长, ,其初期稳定时间也越长。在一其初期稳定时间也越长。在一般条件下般条件下, ,气敏元件存放两周以后气敏元件存放两周以后, ,其初期稳定时间即可其初期稳定时间即可达最大值。达最大值。 31/66第第11章化学传感器章化学传感器选择性问题和温湿度特性（1）添加不同的催化剂（2）选

29、择或改变工作温度（3）使用过滤设备32/66SnO2气敏电阻的基本检测电路第第11章化学传感器章化学传感器33/66第第11章化学传感器章化学传感器烧结型烧结型SnOSnO2 2气敏元件气敏元件SnO2系列气敏元件有系列气敏元件有烧结型烧结型、薄膜型薄膜型和和厚膜型厚膜型三种。烧结型应用最广泛性。三种。烧结型应用最广泛性。其敏感体用粒径很小其敏感体用粒径很小( (平均粒径平均粒径m) )的的SnO2粉体为基本材料，根据需要添粉体为基本材料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为原料。主要用于检测加不同的添加剂，混合均匀作为原料。主要用于检测可燃的还原性可燃的还原性气体，其工气体，其工作温度约作

30、温度约300。根据加热方式，分为。根据加热方式，分为直接加热式直接加热式和和旁热式旁热式两种两种。（1）直接加热式）直接加热式SnO2气敏元件气敏元件(直热式气敏元件直热式气敏元件)内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)符号由芯片由芯片( (敏感体和加热器敏感体和加热器) )，基座和金属防，基座和金属防爆网罩三部分组成。因其热容量小、稳定爆网罩三部分组成。因其热容量小、稳定性差，测量电路与加热电路间易相性差，测量电路与加热电路间易相互干扰互干扰，加热器与，加热器与SnO2基体间由于热膨胀系数的基体间由于热膨胀系数的差异而导致接触不良，造成元件的失效，

31、差异而导致接触不良，造成元件的失效，现已很少使用。现已很少使用。 34/66第第11章化学传感器章化学传感器（2）旁热式）旁热式SnO2气气敏元件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35/66优点：n工艺简单，价格便宜，使用方便；n气体浓度发生变化时响应迅速；n即使是在低浓度下，灵敏度也较高。缺点：n稳定性差，老化较快，气体识别能力不强，各器件之间的特性差异大等。 第第11章化学传感器章化学传感器电阻式气敏传感器的特点36/66第第1

32、1章化学传感器章化学传感器气体传感器的应用气体传感器的应用 分为检测、报警、监控等几种类型。分为检测、报警、监控等几种类型。1 1、电源电路、电源电路 一般气敏元件的工作电压不高一般气敏元件的工作电压不高( (3V10V) )，其工作电压，特，其工作电压，特别是供给加热的电压，必须稳定。否则，将导致加热器的温度变别是供给加热的电压，必须稳定。否则，将导致加热器的温度变化幅度过大，使气敏元件的工作点漂移，影响检测准确性。化幅度过大，使气敏元件的工作点漂移，影响检测准确性。2 2、辅助电路、辅助电路 由于气敏元件自身的特性由于气敏元件自身的特性( (温度系数、湿度系数、初期稳定温度系数、湿度系数、

33、初期稳定性等性等) )，在设计、制作应用电路时，应予以考虑。如采用温度补，在设计、制作应用电路时，应予以考虑。如采用温度补偿电路，减少气敏元件的温度系数引起的误差；设置延时电路，偿电路，减少气敏元件的温度系数引起的误差；设置延时电路，防止通电初期，因气敏元件阻值大幅度变化造成误报；使用加热防止通电初期，因气敏元件阻值大幅度变化造成误报；使用加热器失效通知电路，防止加热器失效导致漏报现象。下器失效通知电路，防止加热器失效导致漏报现象。下图是一温度图是一温度补偿电路补偿电路37/66第第11章化学传感器章化学传感器当环境温度降低时，当环境温度降低时，则负温度热敏电阻则负温度热敏电阻(R(R5 5)

34、 )的阻值增大，使相应的阻值增大，使相应的输出电压得到补偿。的输出电压得到补偿。BZU气敏传感器氖管蜂鸣器NTC电阻WR1R2R3R4R5R6SCR右图为正温度系数热敏电右图为正温度系数热敏电阻阻(R2)的延时电路。刚通电的延时电路。刚通电时，其电阻值也小，电流时，其电阻值也小，电流大部分经热敏电阻回到变大部分经热敏电阻回到变压器，压器，蜂鸣器蜂鸣器( (BZ) )不发出不发出报警。当通电报警。当通电12min后，后，阻值急剧增大，通过蜂鸣阻值急剧增大，通过蜂鸣器的电流增大，电路进入器的电流增大，电路进入正常的工作状态。正常的工作状态。 BZ气敏传感器PTC电阻R2R1R3R4BCRUB蜂鸣器

35、氖管38/66第第11章化学传感器章化学传感器39/66第第11章化学传感器章化学传感器40/66第第11章化学传感器章化学传感器41/66第第11章化学传感器章化学传感器42/66第第11章化学传感器章化学传感器43/66第第11章化学传感器章化学传感器44/66第第11章化学传感器章化学传感器45/66第第11章化学传感器章化学传感器46/66第第11章化学传感器章化学传感器47/66就是一种能将被测环境湿度转换成电信号的装置主要由两个部分组成：湿敏元件和转换电路，除此之外还包括一些辅助元件，如辅助电源、温度补偿、输出显示设备等 第第11章化学传感器章化学传感器湿敏传感器的定义48/66第

36、第11章化学传感器章化学传感器一、湿度表示法一、湿度表示法 空气中含有水蒸气的量称为湿度，含有水蒸气的空气是一种混空气中含有水蒸气的量称为湿度，含有水蒸气的空气是一种混合气体。主要有质量百分比和体积百分比、相对湿度和绝对湿度、合气体。主要有质量百分比和体积百分比、相对湿度和绝对湿度、露点（霜点）等表示法。露点（霜点）等表示法。 1 1、质量百分比和体积百分比、质量百分比和体积百分比 质量为质量为M的混合气体中，若含水蒸气的质量为的混合气体中，若含水蒸气的质量为m，则质量百分，则质量百分比为比为vV100这两种方法统称为水蒸气百分含量法。这两种方法统称为水蒸气百分含量法。mM100在体积为在体积

37、为V的混合气体中，若含水蒸气的体积为的混合气体中，若含水蒸气的体积为v，则体积百分，则体积百分比为比为49/66第第11章化学传感器章化学传感器相对湿度（RH） 相对湿度是指待测空气中实际所含的水蒸气分压与相同温度下饱和水蒸气压比值的百分数。其数学表达式为： 相对湿度给出了大气的潮湿程度。实际中常用。%100WVTPPH50/66第第11章化学传感器章化学传感器露点（温度）在一定大气压下，将含有水蒸气的空气冷却，当温度下降到某一特定值时，空气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态变成液态而凝结成露珠，这种现象称为结露，这一特定温度就称为露点温度51/66第第11章化学传感器章化学传感器二、湿度传感

38、器的主要参数二、湿度传感器的主要参数 1 1、湿度量程、湿度量程指湿度传感器技术规范中所规定的感湿范围。全湿度范围用相对湿度(0100)RH表示，它是湿度传感器工作性能的一项重要指标。由于各种湿度传感器所使用的材料及依据的工作原理不同，其特性并不都能适用于0100%RH的整个相对湿度范围。2 2、感湿特征量、感湿特征量相对湿度特性相对湿度特性每种湿度传感器都有其感湿特征量，如电阻、电容等，通常用电每种湿度传感器都有其感湿特征量，如电阻、电容等，通常用电阻比较多。以电阻为例，在规定的工作湿度范围内，湿度传感器阻比较多。以电阻为例，在规定的工作湿度范围内，湿度传感器的电阻值随环境湿度变化的关系特性

39、曲线，简称的电阻值随环境湿度变化的关系特性曲线，简称阻湿特性阻湿特性。有的。有的湿度传感器的电阻值随湿度的增加而增大，这种为湿度传感器的电阻值随湿度的增加而增大，这种为正特性湿敏电正特性湿敏电阻器阻器，如，如Fe3O4湿敏电阻器。有的阻值随着湿度的增加而减小，湿敏电阻器。有的阻值随着湿度的增加而减小，这种为这种为负特性湿敏电阻器负特性湿敏电阻器，如，如TiO2SnO2陶瓷湿敏电阻器。对于陶瓷湿敏电阻器。对于这种湿敏电阻器，低湿时阻值不能太高，否则不利于和测量系统这种湿敏电阻器，低湿时阻值不能太高，否则不利于和测量系统或控制仪表相连接。或控制仪表相连接。52/66第第11章化学传感器章化学传感器

40、3 3、感湿灵敏度、感湿灵敏度 简称灵敏度，又叫湿度系数。其定义是在某一相对湿度范围简称灵敏度，又叫湿度系数。其定义是在某一相对湿度范围内，相对湿度改变内，相对湿度改变1RH时，湿度传感器电参量的变化值或百分时，湿度传感器电参量的变化值或百分率。率。 各种不同的湿度传感器，对灵敏度的要求各不相同，对于低各种不同的湿度传感器，对灵敏度的要求各不相同，对于低湿型或高湿型的湿度传感器，它们的量程较窄，要求灵敏度要很湿型或高湿型的湿度传感器，它们的量程较窄，要求灵敏度要很高。但对于全湿型湿度传感器，并非灵敏度越大越好，因为电阻高。但对于全湿型湿度传感器，并非灵敏度越大越好，因为电阻值的动态范围很宽，给

41、配制二次仪表带来不利，所以灵敏度的大值的动态范围很宽，给配制二次仪表带来不利，所以灵敏度的大小要适当。小要适当。 53/66第第11章化学传感器章化学传感器4 4、特征量温度系数、特征量温度系数反映湿度传感器在感湿特征量反映湿度传感器在感湿特征量相对湿度特性曲线随环境温度相对湿度特性曲线随环境温度而变化的特性。感湿特征量随环境温度的变化越小，环境温度变而变化的特性。感湿特征量随环境温度的变化越小，环境温度变化所引起的相对湿度的误差就越小。化所引起的相对湿度的误差就越小。在环境温度保持恒定时，湿度传感器特征量的相对变化量与对应在环境温度保持恒定时，湿度传感器特征量的相对变化量与对应的温度变化量之

42、比，称为的温度变化量之比，称为特征量温度系数特征量温度系数。100121TRRR100121TCCCT温度温度25与另一规定环境温度之差；与另一规定环境温度之差；R1( (C1) )温度温度25时湿度传感器的电阻值时湿度传感器的电阻值( (或电容值或电容值) )；R2( (C2) )另一规定环境温度时湿度传感器的电阻值另一规定环境温度时湿度传感器的电阻值( (或电容值或电容值) )。 电容温度系数电容温度系数(%/)=电阻温度系数电阻温度系数(%/)=54/66第第11章化学传感器章化学传感器5 5、感湿温度系数、感湿温度系数反映湿度传感器温度特性的一个比较直观、实用的物理量。它表反映湿度传感

43、器温度特性的一个比较直观、实用的物理量。它表示在两个规定的温度下，湿度传感器的电阻值示在两个规定的温度下，湿度传感器的电阻值(或电容值或电容值)达到相达到相等时，其对应的相对湿度之差与两个规定的温度变化量之比，称等时，其对应的相对湿度之差与两个规定的温度变化量之比，称为感湿温度系数。或环境温度每变化为感湿温度系数。或环境温度每变化1时，所引起的湿度传感器时，所引起的湿度传感器的湿度误差。感湿温度系数的湿度误差。感湿温度系数 T温度温度25与另一规定环境温度之差；与另一规定环境温度之差；H1温度温度25时湿度传感器某一电阻值时湿度传感器某一电阻值(或电容值或电容值)对应的相对对应的相对湿度值；湿

44、度值； H2另一规定环境温度下湿度传感器另一电阻值另一规定环境温度下湿度传感器另一电阻值(或电容值或电容值)对对应的相对湿度。应的相对湿度。下图为感湿温度系数示意图。下图为感湿温度系数示意图。 THH21(%RH/)=55/66第第11章化学传感器章化学传感器相对湿度/%H1H2H2感湿温度系数示意图相对湿度/%H1H2H2RCT2T2T2T22525(a) 电阻型 (b)电容型56/66第第11章化学传感器章化学传感器6 6、响应时间、响应时间在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的电参量达在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的电参量达到稳态变化量的规定比例所需要的时间。一

45、般是以相应的起始和到稳态变化量的规定比例所需要的时间。一般是以相应的起始和终止这一相对湿度变化区间的终止这一相对湿度变化区间的63作为相对湿度变化所需要的时作为相对湿度变化所需要的时间，也称时间常数，它是反映湿度传感器相对湿度发生变化时，间，也称时间常数，它是反映湿度传感器相对湿度发生变化时，其反应速度的快慢。单位是其反应速度的快慢。单位是s。也有规定从起始到终止。也有规定从起始到终止90的相对的相对湿度变化作为响应时间的。响应时间又分为湿度变化作为响应时间的。响应时间又分为吸湿响应时间吸湿响应时间和和脱湿脱湿响应时间响应时间。大多数湿度传感器都是脱湿响应时间大于吸湿响应时。大多数湿度传感器都

46、是脱湿响应时间大于吸湿响应时间，一般以脱湿响应时间作为湿度传感器的响应时间。间，一般以脱湿响应时间作为湿度传感器的响应时间。 57/66第第11章化学传感器章化学传感器7 7、电压特性、电压特性当用湿度传感器测量湿度时，所加的测试电压，不能用直流电压。当用湿度传感器测量湿度时，所加的测试电压，不能用直流电压。这是由于加直流电压引起感湿体内水分子的电解，致使电导率随这是由于加直流电压引起感湿体内水分子的电解，致使电导率随时间的增加而下降，故测试电压采用交流电压。时间的增加而下降，故测试电压采用交流电压。右图表示湿度传感器的电阻与外右图表示湿度传感器的电阻与外加交流电压之间的关系。可见，加交流电压

47、之间的关系。可见，测试电压小于测试电压小于5V时，电压对阻时，电压对阻湿特性没有影响。但交流电压湿特性没有影响。但交流电压大于大于15V时，由于产生焦耳热，时，由于产生焦耳热，对湿度传感器的阻对湿度传感器的阻湿特性产湿特性产生了较大影响，因而一般湿度传生了较大影响，因而一般湿度传感的使用电压都小于感的使用电压都小于10V。Lg R /0123456578420 100Hz11% RH33% RH75% RH100% RHU/V58/66第第11章化学传感器章化学传感器电阻频率特性20 5V11% RH33% RH100% RHLg f / Hz0123456578475% RHLg R /8

48、8、频率特性、频率特性湿度传感器的阻值与外加测试电压频率的关系，如图。在高湿时，湿度传感器的阻值与外加测试电压频率的关系，如图。在高湿时，频率对阻值的影响很小，当低湿高频时，随着频率的增加，阻值频率对阻值的影响很小，当低湿高频时，随着频率的增加，阻值下降。对这种湿度传感器，在各种湿度下，当测试频率小于下降。对这种湿度传感器，在各种湿度下，当测试频率小于103Hz时，阻值不随使用频率而变化，故该湿度传感器使用频率时，阻值不随使用频率而变化，故该湿度传感器使用频率的上限为的上限为103Hz。湿度传感器的使用频率上限由实验确定。直流。湿度传感器的使用频率上限由实验确定。直流电压会引起水分子的电解，因

49、此，测试电压频率也不能太低。电压会引起水分子的电解，因此，测试电压频率也不能太低。 59/66界限电流式湿敏传感器湿敏传感器电阻式电容式其它电解质式陶瓷式高分子式陶瓷式高分子式光纤湿敏传感器二极管式、石英振子、SAW式、微波式、热导式等湿敏传感器的分类 第第11章化学传感器章化学传感器湿敏传感器的分类60/66电阻式湿敏传感器 电容式湿敏传感器 第第11章化学传感器章化学传感器常用湿敏传感器的基本原理61/66电阻式湿敏传感器是利用器件电阻值随湿度变化的基本原理来进行工作的，其感湿特征量为电阻值。 根据使用感湿材料的不同，电阻式湿敏传感器可分为： 电解质式 陶瓷式 高分子式第第11章化学传感器

50、章化学传感器电阻式湿敏传感器62/66电解质式（氯化锂）电阻湿敏传感器电解质式（氯化锂）电阻湿敏传感器 氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。它由引线、基片、感湿层与电极组成。 氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，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，其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。第第11章化学传感器章化学传感器63/66第第11章化学传感器章化学传感器64/66传感器表面与水蒸气的接触面积大，易于水蒸气的吸收与脱却； 陶瓷烧结体能耐高温，物理、化学性质稳定，适合采用加热去污的方法恢复材料的湿敏特性； 可以通过调整烧结体表面晶粒、晶粒界和细微气孔的构造，改善传感器湿敏特性。 第第11章化学传感器章化学传感器陶瓷式电阻湿敏传感器的特点65/66利用高分子电解质吸湿而导致电阻率发生变化