传感器及应用 第07章 气体与湿度传感器及应用课件

1、 传感器及应用第7章要点：1.气体传感器的类型，烧结型气体传感器的特性，一氧化碳检测报警器电路组成2.氧气传感器的原理3.湿度的概念和检测方法，湿度传感器的类型及特性4.湿度传感器传感器的应用注意事项、阻容值的测量方法、加热去污和基本应用电路。第7章 气体与湿度传感器及应用 气体传感器可以识别气体的种类，测定气体的含量，广泛应用于一些生产过程和安全防范技术中。湿度检测对科研、工农业生产和节人们的生活环境都有着重要得意仪。 主要内容 7.1 气体传感器及应用 7.2 湿度传感器及应用 气体检测的内容主要包括对可燃气体和有害气体的监测与报警，以防火灾、爆炸等事故发生；对混合气体中氧含量的检测与分析

2、，以提高塑料大棚作物的产量，提高锅炉和汽车发动机汽缸的燃烧效率，减少环境污染等等。7.1.1 可检测气体的种类与性质 1.可检测气体的种类 目前已开发的气体传感器能够检测气体的种类和主要检测场所见表7-1。 7.1 气体传感器及其应用2.可燃性气体的爆炸极限及允许浓度见表7-2。（1）表面控制型气体传感器的结构 类型：烧结型、薄膜型及厚膜型三种。结构：烧结型SnO2气体传感器的结构与符号如图7-1所示。按加热方式分为直热式和间热式两种。图7-1 烧结型气体传感器直热式的结构与符号a）结构 b）符号1、2，3、4直热式热子兼电极 2、5间热式热子 1、3，4、6间热式电极 7SnO2烧结体 8绝

3、缘瓷管1.表面电阻控制型气体传感器图7-1 烧结型气体传感器间热式的结构与符号a）结构 b）符号1、2，3、4直热式热子兼电极 2、5间热式热子 1、3，4、6间热式电极 7SnO2烧结体 8绝缘瓷管国产直热式气敏传感器有QN型和MQ型，其外形如图7-2所示。国产QM-N5等为间热式结构。 图7-2 部分国产半导体气敏元件的外形图a)HQ系列 b)QN系列 c)MQ系列 （2）烧结型气体传感器工作特性 气敏特性：遇H2、CO、碳氢化合物等(还原性即可燃性)气体，材料表面层电阻率减小；遇O2等氧化性气体时，材料表面层电阻率增大。在检测前，材料表面已经吸着氧，所以对可燃性气体更敏感。最佳工作温度一

4、般多在200500范围内。 温湿度特性：SnO2传感器的阻值随温度、湿度上升而有规律地减小。因此除尽量保持恒温、恒湿外，其有效措施是选用温湿度特性好的气敏元件及在电路中进行温湿度补偿。 2.表面电流变化型气敏传感器表面电流变化型气敏传感器有Pd-TiO2氢敏二极管和MOS场效应氢敏传感器。MOS场效应氢敏传感器即Pd-MOSFET的伏安特性如图7-3所示。 3DOH是一种新型氢敏传感器集成电路，如图7-4所示。 图7-3 Pd-MOSFET的ID-UDS曲线图7-4 3DOH氢敏传感器a）外部管脚排列 b）内部结构示意图7.2.1 湿度的概念和检测方法 1.气体的湿度 气体的湿度是指大气中水蒸

5、气的含量。7.2 湿度传感器及其应用表7-7 常用湿度量的种类湿度量种类定 义单 位绝对湿度1m3气体（空气）中含有的水蒸气重量（g）g/m3相对湿度一定体积气体（空气）中实际含有的水蒸气分压与相同温度下该气体所能包含的最大水蒸气分压之比RH=P/PS100%0100%RH容积比与重量比容积比：水蒸气分压与干燥载体气体（空气）分压之比重量比：水蒸气重量与干燥载体气体（空气）重量之比ppm(V)ppm(W)露点与霜点露点：气体中水蒸气的分压等于饱和水蒸气压时的温度霜点：露点在0以下时的温度、7.2.2 湿度传感器1.湿度传感器的特性参数和符号（1）湿度传感器的特性参数 湿度传感器的特性参数主要有

6、：湿度量程、灵敏度、温度系数、响应时间、湿滞回差、感湿特征量-相对湿度特性曲线等。湿度量程：各种湿度传感器并不都能适用于0100RH的整个相对湿度范围。因此，湿度量程是湿度传感器的重要参数。感湿特征量-相对湿度特性曲线：即输出-输入特性曲线。湿度传感器的输入为环境相对湿度，输出变量称为其感湿特征量，如电阻、电容、击穿电压、沟道电阻等。灵敏度：较普遍采用的方法是用器件在不同环境湿度下的感湿特征量之比来表示。例如，日本生产的MgCr204-TiO2湿度传感器的灵敏度是用一组器件电阻比表示的：R1%/R20%、R1%/R40%、R1%/R60%、R1%/R80%及R1%/R100%。角标表示该阻值所

7、对应的相对湿度。如R1%表示相对湿度在1时器件的电阻值。响应时间：响应时间是表示传感器完成吸湿或脱湿以及动态平衡过程所需时间的特性参数。电压与频率特性：湿度传感器加热清洗的激励电压不能用直流，必须用交流。加热使温度升高，因此电压不能过高。传感器的感湿特征值与交流电压频率有关，因此电压的频率应有上限和下限。 （2）湿度传感器的分类 湿度传感器的种类很多，据不完全统计，湿度传感器系列、类型见表7-8。表7-8 湿度传感器的分类原理湿 度 敏 感 元 件 物 性 型电解质系 氯化锂-聚乙烯醇光硬化树脂电解质、氯化锂植物纤维含浸系、聚苯乙烯磺酸及其盐类、氟化钡半导体及陶瓷系涂覆膜型 四氧化三铁涂覆膜、

8、氧化铝陶瓷烧结体型 三氧化钛-氧化物非加热式、锌-锂-钒系，Ni1-xFe2+xO4系、铁- 钾-铝系，羟基磷灰石系，MgCr2O4-TiO2系，ZnCrO4系，氧化铝- 氧化镁陶瓷、Ba1-xSrxTiO5系厚膜型钨酸锆系、钨酸镍系、LiNbO3-PbO系非加热式、钛酸钡-氧化澜-氧化铝系薄膜型三氧化二铝绝对湿度、TaMnO2电容式MOS型MOS型电容式薄膜湿度传感器有机物系亲水性高分子-碳黑体、聚酰亚胺薄膜式、等离子聚苯乙烯薄膜电容式、聚丙烯酸系 结构型毛发湿度传感器、肠膜湿度传感器、尼龙湿度传感器其他形式干湿球式、钛酸镁微波吸收式、五氧化二磷电解式、石英晶体振子式、氯化锂露点式、红外线式

9、、中子法式 （3）湿度传感器的图形符号 湿敏传感器的图形符号如图7-12所示。图7-12 图形符号图形符号代表电阻Rp和电容Cp的并联。图中，A-A端为测量电极，B-B端为加热清洗电极。加热清洗电极通电后，内部电加热丝产生热量可排除传感器感湿层中的水分子。 2.电解质湿度传感器 电解质湿敏元件分为无机电解质和高分子电解质湿敏元件两大类。 3.半导体陶瓷湿度传感器 这是湿度传感器中最大的一类，品种繁多。按其制作工艺可分为：涂覆膜型、烧结体型、厚膜型、薄膜型及MOS型等。金属氧化物半导体陶瓷为多孔结构材料，吸附水蒸气能力强且灵敏度高；物理化学性能稳定；响应速度快；可加热清洗，有利于在恶劣环境下工作

10、；工作范围宽且兼有热敏和气敏特性，可制成多功能敏感元件；生产工艺简单，成本低，是制作湿度传感器的理想材料。主要缺点是：材料固有电阻大，高温性能不够稳定，难以集成化等。一般金属半导体氧化物陶瓷具有感湿负特性，湿度增大，电阻减小。（1）MgCr2O4-TiO2陶瓷湿敏传感器（MCT型）传感器的结构如图7-13a所示。每次使用前，给线圈通电加热清洗，将湿敏陶瓷片加热至350400，保持1060s，即可清除污染；停数分钟，元件电阻恢复原值后方能测湿。传感器具有感湿特性，其曲线如图7-13b所示。图7-13 MgCr2O4-TiO2湿敏传感器结构与湿度特性a)结构 b)特性1康塔尔加热丝 2底座 3杜美

11、丝引线4引线环电极 5湿敏陶瓷 6RuO2电极 （3）Mn3O4-TiO2半导体陶瓷温湿敏传感器 在氧化铝管上涂敷添加有热固性合成树脂有机溶剂的（Mn3O4）0.7（TiO2）0.3，经高温烧结，即形成具有温湿敏的坚固电阻膜，其阻值较前几种烧结型陶瓷传感器都小（Rmax106）。元件具有感湿、感温负特性，感温一般不高于400。 4.有机物及高分子聚合物结露传感器 该元件在94RH以上高湿时呈现开关式阻值变化特性。该元件的特点有：灰尘和其他气体产生的表面污染对元件的湿度特性影响很小；能够检测并区别结露、水分等高湿状态；由于具有急剧的开关特性，尽管滞后等因素会引起特性变化，但其工作点变动较小；因为

12、是导电无极化现象，因此能使用直流电压设计电路。这种元件大量用于检测磁带机、照像机结露及小汽车玻璃窗除露等。其特性见表7-13。表7-13 结露敏感元件主要技术特性 电 阻 值 响应时间s使用电压 V工作温度 测湿范围RH湿度检测量程RH75RH时：10k以下94RH时：220k100RH时：200k以上25、60RH60、100RH达到100k的时间100.8以下(AC或DC) -10160 0100 94100 测湿范围：电阻式湿敏元件在温度超过95RH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8ORH以上高湿及100RH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。 2.阻容值的测量 测量湿度传感器阻值Rp和容值Cp的三种电路如图7-15所示。图a为低频交流供电，