第二章第三、四节 气敏湿敏电阻测温传感器

自动检测技术课程授课教案PAGEPAGE1第二章电阻传感器Ⅲ/Ⅳ课题：气敏/湿敏电阻测温传感器原理及应用课时安排：1课次编号：5（选讲）教材分析难点仪表的标定重点应用及分析教学目的和要求1.了解气敏电阻传感器的工作原理；2.了解气敏电阻传感器的工作原理；采用教学方法和实施步骤讲授、课堂讨论、分析教具：各种气敏/湿敏电阻各教学环节和内容第三节，气敏电阻演示并提问：（1）用酒精棉花靠近已经预热后的气敏酒精传感器，用数字表观察其阻值变化趋势，请同学回答是反应时间大概要多少秒？举例说明气敏传感器的应用：酒后驾车的测量方法。备注：酒后驾车测试仪多数采用燃料电池的原理，而不采用不稳定的气敏电阻传感器。第四节，湿敏电阻演示并提问：（1）用喷雾器向已经预热后的湿敏传感器喷雾，用数字表观察其阻值变化趋势，请同学回答是反应时间大概要多少秒？举例说明湿敏传感器的应用：测量空气湿度的方法。备注：简易型的指针式的湿度计，是利用弹力条受潮后伸长，变长来指示读数。转换为指针的角度变化。湿度越大，弹力条变长，指针顺时针转动。空气的相对湿度标定是用“干湿球温湿度计”来查表得到的。要可以用单片机来测量两个相同型号的温度传感器的温差（其中一个用湿棉花包裹，裸露在空气中），经过查表计算，得到在不同温度下的“空气相对湿度”。第三节气敏电阻传感器使用气敏电阻传感器（以下简称气敏电阻），可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号。本节主要介绍测量还原性气体的MQN型气敏电阻以及TiO2氧浓度气敏电阻。一、还原性气体传感器所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。图2-22MQN型气敏电阻结构、测量电路及外形a）气敏烧结体b）气敏电阻外形示意图c）基本测量转换电路d）产品外形1－电极引脚2－塑料底座3－烧结体4－不锈钢网罩5－加热电极6－工作电极7－加热回路电源8－测量回路电源气敏电阻工作时必须加热到200300℃，其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁作用）。表2-3几种国产气敏电阻的主要特性型号参数MQN-10UL-281UL-282UL-206检测对象各种可燃性气体煤气酒精蒸气油烟测量回路电压/V10±110±115±1.515±1.5加热回路电压/V5±0.5清洗5.5+0.5工作0.8+0.15±0.55±0.5加热电流/mA160～180清洗170～190工作25～35160～180160～180环境温度/℃-20～+50-10～+50-10～+50-10～+50环境相对湿度RH（%）<95<95<95<95气敏半导体有较大的非线性。图2-23示出了某型号MQN气敏电阻阻值随不同气体浓度变化的特性曲线。提问：这种特性较适用较浓的可燃性气体测量？还是微量检漏？超限报警？图2-23气敏电阻的阻值随不同气体浓度变化的特性曲线二、二氧化钛氧浓度传感器半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。图2-24TiO2氧浓度传感器结构、测量转换电路及应用a）结构b）测量转换电路c）外形及使用1－外壳（接地）2－安装螺栓2－搭铁线4－保护管5－补偿电阻6－陶瓷片7－TiO2氧敏电阻8－进气口9－引脚提问：当氧气含量减小时，RTiO2的阻值是减小？还是增大？输出电压Uo是增大？还是减小？与TiO2气敏电阻串联的热敏电阻Rt起温度补偿作用。当环境温度升高时，TiO2气敏电阻的阻值会逐渐减小，只要Rt也以同样的比例减小，根据分压比定律，Uo不受温度影响，减小了测量误差。TiO2气敏电阻必须在上百度的高温下才能工作。汽车之类的燃烧器刚起动时，排气管的温度较低，TiO2气敏电阻无法工作，所以还必须在TiO2气敏电阻外面套一个加热电阻丝（图中未画出），进行预热以激活TiO2气敏电阻。备注：目前还有一种二氧化锆氧浓度传感器，安装在烟道或汽车的排气系统中，也可以用于测量氧浓度，读者可参阅有关参考资料。第四节湿敏电阻传感器湿敏电阻演示，见第一页。一、大气温度与露点1．绝对湿度与相对湿度大气的水气含量通常用大气中水汽的密度来表示。即以每1m3大气所含水汽的克数来表示，它称为大气的绝对湿度。要想直接测量大气中的水汽含量是十分困难的，是世界计量领域的难题。这里就不作介绍。在许多与大气湿度有关的现象，都与大气的绝对湿度没有很大的关系，而主要是与大气中的水汽离饱和状态的远近程度即相对湿度有关。所谓饱和状态是指在某一压力、温度下，大气中的水汽的含量的最大值。相对湿度是空气的绝对湿度与同温度下的饱和状态空气绝对湿度的比值，它能准确说明空气干、湿程度。在一定的大气压力下，两者之间的数量关系是确定的，可以查表得到有关数据。举例：同样是17g/m3的绝对湿度，如果是在炎热的夏季中午，由于离当时的饱和状态尚远，人就感到干燥；如果是在初夏的傍晚，虽然水汽密度仍为17g/m3，但气温比中午下降很多，使大气水汽密度接近饱和状态，人们就会感到汗水不易挥发，因此觉得闷热。在前面所举的例子中，在20℃一个大气压下，1m3的大气中只能存在17g的水汽，则此时的相对湿度为100%。若同样条件下的绝对湿度只有8.5g/m3，则相对湿度就只有50%。在上述绝对湿度下，将气温降至10℃以下时，相对湿度又可能接近100%。2．露点降低温度可以使原先未饱和的水汽变成饱和水汽而产生结露现象。露点就是指：使大气中原来所含有的未饱和水汽变成饱和水汽所必须降低温度而达到的温度值。二、湿敏电阻传感器的分类将湿度变成电信号的传感器有红外线湿度计、微波湿度计、超声波湿度计、石英晶体振动式湿度计、湿敏电容湿度计、湿敏电阻湿度计等。湿敏电阻又有多种不同的结构型式。常用的有金属氧化物陶瓷湿敏电阻、金属氧化物膜型湿敏电阻、高分子材料湿敏电阻等。1．金属氧化物陶瓷湿度传感器金属氧化物陶瓷湿度传感器是当今湿度传感器的发展方向之一。近几年研究出许多电阻型湿敏多孔陶瓷材料，如LaO3-TiO2、SnO2-Al2O3-TiO2、La2O3-TiO2-V2O5、TiO2-Nb2O5、MnO2-Mn2O3、NiO等等。下面重点介绍MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器，其结构示意图如图2-25所示。图2-25陶瓷湿度传感器的结构和外形a）吸湿单元b）卸去外壳后的结构c）外形图d）带有液晶显示器的便携式温湿度计e）图形符号1－引线2－多孔性电极3－多孔陶瓷（MgCr2O4-TiO2）4－底座5－镍铬加热丝6－外壳7－引脚8－气孔图2-28MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器相对湿度与电阻的关系图2-29湿敏电阻传感器测量转换电路框图使用注意事项：由于多孔陶瓷置于空气中易被灰尘、油烟污染，从而堵塞气孔，使感湿面积下降。如果将湿敏陶瓷加热到400℃以上，就可使污物挥发或烧掉，使陶瓷恢复到初始状态。所以必须定期给加热丝通电（见图2-27b）。陶瓷湿敏传感器吸湿快（3min左右），而脱湿要慢许多，从而产生滞后现象，称为湿滞。每次使用前应先加热1分钟左右，待其冷却至室温后，方可进行测量。陶瓷湿敏传感器的湿度－电阻的标定比温度传感器的标定困难得多。它的误差较大，稳定性也较差。温度每上升1℃，电阻下降引起的误差约为1%（RH）。使用注意事项：陶瓷湿敏电阻应采用交流供电（例如50Hz）。提问：若长期采用直流供电，会使湿敏材料产生什么问题？（吸附的水分子电离，导致灵敏度降低，性能变坏）2．金属氧化物膜型湿度传感器图2-28金属氧化物膜型湿度传感器外形及结构示意图a）外形b）结构1－外壳2－吸湿窗口3－电极引线4－陶瓷基片5－梳状电极6－金属氧化物感湿膜通过测量两电极间的电阻值即可检测相对湿度。响应速度小于1分钟。3．高分子湿敏电阻传感器高分子电阻湿度传感器是目前发展迅速、应