《传感器及检测技术》课件07 项目七 环境量检测

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传感器及检测技术项目七环境量检测项目七环境量检测目录1任务一厨房可燃气体泄漏检测2任务二粮仓湿度检测3任务三噪声检测项目七环境量检测学习目标能了解并掌握气敏传感器的主要特性、原理、组成和使用注意事项等。能理解气敏传感器的测量、应用电路。能了解并掌握湿敏传感器的主要特性、原理、组成和使用注意事项等。能理解湿敏传感器的测量、应用电路。能了解声敏传感器的特性、分类和原理等。能理解声敏传感器的应用电路。任务一厨房可燃气体泄漏检测任务提出一般家庭厨房烹调热源有煤气、天然气、石油液化气等，由于这些可燃气体的泄漏、点火失误等原因，造成爆炸、火灾和中毒死伤事故的数字十分惊人。为了保障生命和财产安全，要对厨房可燃气体泄漏进行检测。厨房可燃气体报警器如图7-1所示。任务一厨房可燃气体泄漏检测任务提出任务一厨房可燃气体泄漏检测一、半导体气敏传感器半导体气敏传感器是目前广泛应用的气敏传感器之一。按半导体与气体的相互作用主要局限于半导体表面还是涉及半导体内部，可分为表面控制型和体控制型两种；按半导体物理特性的变化，可分为电阻式和非电阻式两种。电阻式半导体气敏传感器是利用其电阻值的改变来反映被测气体的含量，主要是由氧化锡、氧化锌等材料制成的；而非电阻式半导体气敏传感器则是利用半导体敏感元件的电压或电流随气体含量变化的原理工作的，主要有金属、半导体结型二极管和MOSFET等。任务一厨房可燃气体泄漏检测一、半导体气敏传感器（一）气敏电阻的外形各种气敏电阻的外形如图7-2所示。任务一厨房可燃气体泄漏检测一、半导体气敏传感器（二）气敏电阻的引脚图及符号气敏电阻的引脚如图7-3所示。它的引脚有六个，其中的两个A以及两个B分别相连后成为气敏电阻的输出引线，两个f为加热器引线。任务一厨房可燃气体泄漏检测一、半导体气敏传感器（二）气敏电阻的引脚图及符号气敏电阻的符号如图7-4所示。任务一厨房可燃气体泄漏检测一、半导体气敏传感器（三）气敏电阻的基本工作电路气敏电阻的基本工作电路如图7-5所示，其中的Uf为气敏电阻的加热电源，U+为气敏电阻的测量电源。任务一厨房可燃气体泄漏检测一、半导体气敏传感器（四）气敏电阻的组成和工作原理气敏电阻一般由敏感元件、加热器和外壳三部分组成。任务一厨房可燃气体泄漏检测一、半导体气敏传感器（五）气敏电阻的温度特性气敏电阻的温度特性如图7-6所示。如ZnO在室温下吸收某种气体后，其电导率变化不大，输出电压很小且几乎不变。若保持气体浓度不变，输出电压随温度升高而增大，即该气敏元件的电导率变化很大，灵敏度大幅提高。因此气敏电阻工作时必须加热，烧去气敏元件附着的油污、尘埃等，起到清洗作用，并加速被测气体的吸附、脱出过程。任务一厨房可燃气体泄漏检测一、半导体气敏传感器（五）气敏电阻的温度特性任务一厨房可燃气体泄漏检测二、接触燃烧式气敏传感器接触燃烧式气敏传感器的外形和内部结构如图7-7所示。任务一厨房可燃气体泄漏检测二、接触燃烧式气敏传感器它是用直径为50～60μm的高纯铂丝绕制成直径约为0．5mm的线圈，一般绕制10圈以上，线圈阻值在1~2Ω之间。在线圈外面涂氧化铝或者氧化铝和氧化硅组成的膏状涂覆层，干燥后在一定温度下烧结成球状多孔体，在贵金属铂、钯等的盐溶液中浸透后取出烘干，再经高温处理，在氧化铝或者氧化铝和氧化硅层上形成贵金属触媒层。最后组装成气敏传感器。任务一厨房可燃气体泄漏检测三、固体电解质气体传感器固体电解质是一类介于固体与液体之间的特殊固体材料，其内部粒子在固体中具有液体中离子的快速迁移性，因此又称为快离子导体。固体电解质气体传感器是使用固体电解质气敏材料作为气敏元件，气敏材料在通过气体时产生离子，从而形成电动势。通过测量电动势的大小，可间接测得气体的浓度。任务一厨房可燃气体泄漏检测四、电化学气体传感器电化学气体传感器的构成类似于通常的电池，电解质可以是电解质溶液或固体电解质。当气体存在于铂、铜等贵金属电极、比较电极和电解质组成的电池中时，气体与电解质发生反应或在电极表面发生氧化还原反应，在两个电极之间就有了电流或电压输出，从电流或电压的大小可计算出气体的浓度。任务一厨房可燃气体泄漏检测任务实施一、合理选择气敏传感器的类型根据厨房可燃气体泄漏检测的使用要求，结合气敏传感器相关知识，可采用半导体式和接触燃烧式两种气敏传感器。这里选用了半导体电阻式气敏传感器来检测厨房可燃气体的泄漏。任务一厨房可燃气体泄漏检测二、正确使用气敏电阻和报警器（一）气敏电阻使用时一定要加热一般由变压器二次绕组输出交流或直流电压提供低电压加热。加热温度对气敏电阻的特性影响很大，因此加热器的加热电压必须恒定。任务一厨房可燃气体泄漏检测二、正确使用气敏电阻和报警器（二）温度补偿

半导体气敏电阻在气体中的电阻值与温度和湿度有关。当温度和湿度较低时，电阻值较大；温度和湿度较高时，电阻值较小。因此，即使气体浓度相同，而湿度和温度不同，电阻值也会不同，需要进行温度补偿。常用的温度补偿电路如图78所示，在比较器的反相输入端接入负温度系数的热敏电阻RT。任务一厨房可燃气体泄漏检测二、正确使用气敏电阻和报警器（三）厨房气体报警器的性能指标1.精度可燃气体的体积百分率达到0．1%～0．3％时，能可靠报警。2.工作温度工作温度为－10～40℃。任务一厨房可燃气体泄漏检测二、正确使用气敏电阻和报警器（四）厨房气体报警器的正确安装厨房使用煤气和天然气当厨房使用煤气和天然气时，由于该类气体比空气轻，应将报警器安装在靠近天花板处，这样容易积聚上升的气体。厨房使用液化石油气当厨房使用液化石油气时，由于该类气体的主要成分为丙烷，比空气重，容易沉积到地面上，因此报警器要安装在接近地面处。任务一厨房可燃气体泄漏检测二、正确使用气敏电阻和报警器（五）厨房气体检测及自动排风控制器厨房气体检测及自动排风控制器的原理如图7-9所示。当气体浓度较低时，气敏电阻值较大，IC1的2脚为低电平，IC4输出为低，VT2不导通，J不吸合，抽气扇不转；且IC3组成的压控振荡器停振，VT1不导通，LED不亮。任务一厨房可燃气体泄漏检测二、正确使用气敏电阻和报警器（五）厨房气体检测及自动排风控制器任务一厨房可燃气体泄漏检测其它案例（一）简易家用可燃气体报警器如图7-10所示为简易家用可燃气体报警器原理图，气敏元件TGS109与蜂鸣器BZ构成检测回路。当室内可燃气体浓度升高时，气敏元件吸附气体使电阻值降低，检测回路的电流增加，直接驱动蜂鸣器BZ报警。任务一厨房可燃气体泄漏检测其它案例（二）矿灯瓦斯报警器矿灯瓦斯报警器原理如图7-11所示。它放置在矿工的工作帽内，以矿灯蓄电池4V为电源，气敏元件为QMN5型，R1为加热线圈的限流电阻，RP为瓦斯报警设定电位器。任务一厨房可燃气体泄漏检测其它案例（二）矿灯瓦斯报警器任务一厨房可燃气体泄漏检测其它案例（三）CO报警器CO报警器如图7-12所示。在洁净空气中，气敏电阻值很高，BB点电压很小，V5、V6、V7不导通，喇叭无声。当CO气体浓度升高时，气敏电阻值下降，BB点电压升高，V5、V6、V7导通，振荡器工作，喇叭报警。该电路采用交直流两用电源。任务一厨房可燃气体泄漏检测其它案例（三）CO报警器任务一厨房可燃气体泄漏检测训练一下首先读懂简易酒精测试仪的原理图，如图7-13所示。然后进入实训室，认识气体传感器（TGS812）和原理图上各种电子器件，按照原理图连接线路，并进行酒精浓度测试。任务一厨房可燃气体泄漏检测训练一下任务二粮仓湿度检测任务提出粮食的保管主要是控制粮食的温度和湿度。环境温度高、湿度大，粮食含水量高，就极易产生霉变，因此各种粮仓除了检测和控制温度外，还要检测和控制环境的湿度，并对粮食的含水量进行检测，通常粮食含水量在10％～14％之间。这就要用到湿度传感器。任务二粮仓湿度检测相关知识湿度传感器是基于某些材料能产生与湿度有关的物理效应或化学反应，将湿度的变化转换成某个电量的变化的器件。按输出电量可以分为电阻型、电容型和频率型等；按敏感材料的性质可分为电解质型、陶瓷型、有机高分子型、半导体型等。任务二粮仓湿度检测一、湿度的概念1.湿度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。湿度常用绝对湿度、相对湿度和露点等表示。2.绝对湿度绝对湿度是指在一定温度和压力下，单位体积空气中含有水蒸气的质量。3.相对湿度相对湿度是指在某一温度下，空气中水蒸气压与饱和水蒸气压比值的百分比。相对湿度表示大气的潮湿程度，被广泛使用。4.露点由于水的饱和蒸气压随着温度的降低而逐渐下降，因此在同样的空气水蒸气压下，空气温度越低，空气水蒸气压与饱和蒸气压的差值越小。任务二粮仓湿度检测二、湿敏器件的外形湿敏电阻的外形如图7-14所示。湿敏电容的外形如图7-15所示。任务二粮仓湿度检测三、湿敏传感器的结构与工作原理（一）高分子电阻湿敏传感器1.结构示意图高分子电阻湿敏传感器的结构示意图如图7-16所示。2.组成高分子电阻湿敏传感器由感湿层、电极和具有一定机械强度的绝缘基片等组成。3.工作原理高分子电解质感湿材料吸收水分后引起两电极间电阻的变化，将相对湿度的变化转换成电阻阻值的变化。任务二粮仓湿度检测三、湿敏传感器的结构与工作原理（一）高分子电阻湿敏传感器任务二粮仓湿度检测三、湿敏传感器的结构与工作原理（二）高分子电容湿敏传感器电容式湿敏传感器是利用湿敏元件的电容值随湿度变化的原理进行湿度测量的传感器。这类湿敏元件实际上是一种吸湿性电介质材料的介电常数随湿度而变化的薄片状电容器。吸湿件电介质材料（感湿材料）主要有高分子聚合物（例如乙酸丁酸纤维素和乙酸丙酸纤维素）和金属氧化物（例如多孔氧化铝）等。任务二粮仓湿度检测三、湿敏传感器的结构与工作原理（三）半导体陶瓷湿敏传感器1.结构示意图半导体陶瓷湿敏传感器的结构示意图如图7-18所示。任务二粮仓湿度检测三、湿敏传感器的结构与工作原理（三）半导体陶瓷湿敏传感器2.组成半导体陶瓷湿敏传感器是由多孔感湿陶瓷薄片的两面加上两个电极，再焊出引线；外面绕有镍镉加热丝，并由引脚引出；把它们固定在绝缘陶瓷底座上组成的。任务二粮仓湿度检测三、湿敏传感器的结构与工作原理（三）半导体陶瓷湿敏传感器3.工作原理当环境湿度发生改变时，多孔感湿陶瓷吸湿，电阻值随之变化。为了防止电阻极化，测量时必须是交流。另外，在高温、高湿环境下，要定期加热清洗，使传感器恢复性能。任务二粮仓湿度检测四、湿敏传感器的使用注意事项（一）电源选择湿敏电阻必须工作在交流回路中。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；若交流电源频率过高，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。对于离子导电型湿敏元件，电源频率一般以1kHz为宜。对于电子导电型湿敏元件，电源频率应低于50Hz。任务二粮仓湿度检测四、湿敏传感器的使用注意事项（二）线性化处理一般湿敏元件的特性均为非线性，为准确地获得湿度值，要加入线性化电路，使输出信号正比于湿度的变化。任务二粮仓湿度检测四、湿敏传感器的使用注意事项（三）测量湿度范围电阻式湿敏元件在湿度超过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，特性将变坏而不能复原。电容式湿敏元件在80％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，不能将湿敏电容直接浸入水中或长期用于结露状态，也不能用手摸或用嘴吹其表面。任务二粮仓湿度检测四、湿敏传感器的使用注意事项（四）温度补偿通常氧化物半导体陶瓷湿敏电阻温度系数为0.1～0.3，在测湿精度要求高的情况下必须进行温度补偿。任务二粮仓湿度检测四、湿敏传感器的使用注意事项（五）安装要求湿敏传感器应安装在空气流动的环境中。传感器的延长线应使用屏蔽线，最长不超过1m。任务二粮仓湿度检测四、湿敏传感器的使用注意事项（六）加热去污陶瓷元件的加热去污应控制在450℃。它利用元件的温度特性进行温度检测和控制，当温度达到450℃即中断加热。由于未加热前元件吸附有水分，突然加热会出现相当于450℃时的阻值，而实际温度并未达到450℃，因此应在通电后延迟2～3s再检测电阻值。加热结束后，应冷却至常温再开始检测湿度。任务二粮仓湿度检测任务实施一、合理选择湿度传感器的类型由于湿度传感器种类很多，应用环境复杂，因此必须合理选择湿度传感器，以适用于工作环境，满足性能要求。一般在常温洁净环境、连续使用的场合，应选择高分子湿度传感器。这类传感器精度高，稳定性好。任务二粮仓湿度检测二、正确使用湿敏传感器（一）电容湿敏传感器的检测电路及工作原理电容式湿度传感器应用电路如图7-19所示。图中IC1及外围元件组成多谐振荡器，产生触发IC2的脉冲。IC2和电容式湿度传感器及外围元件组成可调宽的脉冲发生器，其脉冲宽度取决于湿度传感器的电容大小。调宽脉冲从IC2的9脚输出，经R5、C2滤波后成为直流信号输出，它正比于空气的相对湿度。任务二粮仓湿度检测二、正确使用湿敏传感器（一）电容湿敏传感器的检测电路及工作原理任务二粮仓湿度检测二、正确使用湿敏传感器（二）粮食含水量检测粮食含水量不同，电导率也不同。检测粮食含水量是将两根金属探头插入粮食中，当粮食含水量越高时，电导率越大，两根金属探头间的阻值就越小；反之，阻值就越大。通过检测两根金属探头间阻值的变化，就能测出粮食含水量的大小。任务二粮仓湿度检测二、正确使用湿敏传感器（二）粮食含水量检测如图7-20所示为粮食含水量检测电路。它由高压电源、检测电路、电流/电压转换电路、模数转换电路和显示电路等组成。任务二粮仓湿度检测二、正确使用湿敏传感器（二）粮食含水量检测1.检测电路图720中A、B为两根金属探头，插入粮食中，来检测两探头间粮食的阻值RAB。由于阻值很大，因此间距要小，一般设置为2mm。任务二粮仓湿度检测二、正确使用湿敏传感器（二）粮食含水量检测2.高压电源由于RAB通常在几十兆欧～几百兆欧之间，因此供电电源要用高压才能流过电流。图720中由时基电路7555组成无稳自激振荡器，产生矩形脉冲，经升压变压器Tr提高振幅20倍，然后通过整流电路输出约150V的电压。任务二粮仓湿度检测二、正确使用湿敏传感器（二）粮食含水量检测3.后续电路150V的电压加在RAB上，产生1μA以内的电流，经运放输出小于2V的电压，由7106模数转换器转换为数字后在显示器上显示。任务二粮仓湿度检测二、正确使用湿敏传感器（二）粮食含水量检测4.校正（1）零点校正将A、B开路，即两金属棒完全分开，此时RAB无穷大，调节RP1使显示值为零。（2）满度校正将A、B短路，即两金属棒连接在一起，相当于粮食完全浸泡在水中，此时RAB的阻值为零，调整RP2使显示值为100％，即粮食含水量为100％。任务二粮仓湿度检测其它案例（一）检测露点电路结露传感器当相对湿度低于80％RH时，输出值与相对湿度的关系曲线较平坦，但当相对湿度超过80％RH时，输出值发生剧变，因此它具有开关特性。它的典型产品有：HOS103正特性电阻型结露传感器，应用电路如图7-21a所示；HOS003负特性电阻型结露传感器，应用电路如图7-21b所示。任务二粮仓湿度检测其它案例（一）检测露点电路任务二粮仓湿度检测其它案例（二）湿度检控系统如图7-22所示为湿度检控系统原理框图。直流电源为加热清洗电极提供加热电压，通电后内部电加热丝发热产生热量可除去传感器感湿层中的水分；振荡器提供湿敏电阻RS工作电源，Rr为固定电阻。当湿度增大时，RS减小，URr升高，经交直流变换、线性化处理后，由显示器显示，同时与参考电压比较后输出电压驱动控制系统的工作。任务二粮仓湿度检测其它案例（二）湿度检控系统任务二粮仓湿度检测其它案例（三）汽车玻璃自动去湿电路汽车驾驶室挡风玻璃的结露或结霜将影响驾驶员的视线，为避免事故的发生，可安装自动去湿电路，如图7-23所示。图中Rs为加热电阻丝，将其埋入挡风玻璃内，H为结露湿敏元件，晶体管V1、V2为施密特触发电路，V2的集电极负载为继电器线圈，R为湿敏元件H的等效电阻。任务二粮仓湿度检测其它案例（三）汽车玻璃自动去湿电路任务二粮仓湿度检测其它案例（四）农田灌溉自动控制电路自动灌溉控制电路能根据农田土壤湿度的大小对农作物进行自动灌溉，可广泛应用于农场、果园和塑料大棚中。自动灌溉控制电路如图7-24所示，由湿度传感器、施密特触发器、单稳态触发器、LED显示电路和控制执行电路组成。任务二粮仓湿度检测其它案例（四）农田灌溉自动控制电路任务二粮仓湿度检测训练一下进入实训室，认识各种湿敏传感器，了解它们的用途，并借助湿敏传感器等元器件制作一个如图7-25所示的湿度测量报警器。任务二粮仓湿度检测训练一下任务三噪声检测任务提出在人们日常工作和生活环境中，充满着各种频率的声音。有些频率的声音直接或间接地影响着人们的身心健康和生活品质，影响着机器设备的工作性能和工作寿命，这些声音都称为噪声。噪声已成为当今世界的主要公害之一，防治和控制噪声已是广大工程技术人员的重要任务。因此，测量声音的大小，为控制噪声提供依据就显得十分重要。任务三噪声检测相关知识测量声音的大小，就要用到声敏传感器。声敏传感器是一种将声能转换为电能或将电能转换为声能的器件。它是利用电磁感应、静电感应或压电效应等原理来完成声电转换的，主要有话筒、扬声器、压电陶瓷片、蜂鸣器等。任务三噪声检测一、声波1.声波的概念当声音在空气中传播时，空气质点在原位置沿传播方向作来回振动，空气密度发生变化，相应位置的压强也随之变化，并向邻近质点传递此变化，从而形成压力传播过程，这就是声波。任务三噪声检测一、声波2.声波的特性①声波的频率f、周期T、波长λ和波速c的关系符合下式：λ=cf=cT②声波在空气中传播时，遇到障碍物会产生反射、折射、衍射和干涉等现象。任务三噪声检测二、声敏传感器的分类将声音信号转换为相应电信号的声敏传感器又称为传声器。传声器的种类很多，一般分类如下：1.按结构形式分类声敏传感器按结构形式分为动圈式、晶体式、电容式、压电式、炭精式、铝带式等。2.按工作原理分类声敏传感器按工作原理分为静电式和电动式两类。静电式是以电场变化为原理的传声器，如电容式传声器；电动式是利用电磁感应原理在磁场中运动的导体上获得输出电压的传声器，如动圈式传声器。任务三噪声检测三、常用传声器的介绍动圈式传声器由声波冲击薄膜而引起动圈在永久磁场中作轴向振动，从而产生与振动速度成正比的电压。它的频率响应通常在200~5000Hz之间，可以输出0．3~3mV的音频电压，应用比较广泛。电容式传声器它是极距变化型的电容式传感器。组成电容器的两个极板之一是一片弹性金属膜，在瞬时声压的作用下振动，使振动电极和固定电极间的距离发生变化，从而改变电容器的电容量，并被专用电路转换为电压输出。压电式传声器它是利用石英晶体或压电陶瓷在受到机械应力作用时，产生微弱电压的压电特性来制作的。任务三噪声检测任务实施一、合理选择传声器的类型根