第7章 环境量检测传感器

目录第1章传感器技术基础第2章温度传感器第3章力传感器第4章光电式传感器第5章磁传感器第6章位移传感器第7章环境量检测传感器第8章新型传感器和安全防范技术第9章传感器接口电路第10章现代传感技术7.1气体传感器与烟雾传感器7.2湿度与水分传感器7.3声敏传感器及超声波传感器第7章环境量检测传感器7.1气体传感器与烟雾传感器气敏电阻品种繁多，主要有可测量还原性气体和测量氧气浓度的两大类。

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。

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。测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。

1、还原性气体传感器MQN型气敏电阻结构及测量电路a）气敏烧结体b）气敏电阻外形c）基本测量转换电路

1—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

MQN型气敏半导体器件是由塑料底座、电极引线、不锈钢网罩、气敏烧结体以及包裹在烧结体中的两组铂丝组成。一组铂丝为工作电极，另一组（图中的左边铂丝）为加热电极兼工作电极。

气敏电阻工作时必须加热到200

300℃，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）。

气敏电阻外形

酒精传感器其他可燃性气体传感器酒精测试仪呼气管酒精传感器的选择性

气敏半导体的灵敏度特性曲线观察右图这些曲线，有何特点？可以得出哪些启示？请说明非线性特性对浓度超限报警是否有利，为什么？家庭用煤气报警器家庭用液化气报警器一氧化碳传感器其他气体传感器NH3传感器甲烷传感器2、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。其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。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。

TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路a）结构b）测量转换电路

1－外壳（接地）2－安装螺栓3－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

上图是用于汽车或燃烧炉排放气体中的氧浓度传感器结构图及测量转换电路。二氧化钛气敏电阻与补偿热敏电阻同处于陶瓷绝缘体的末端。当氧气含量减小时，RTiO2的阻值减小，Uo增大。在图b中，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。氧浓度传感器外形

可用于汽车尾气测量汽车尾气分析有毒气体传感器的使用休息一下7.2湿度与水分传感器

绝对湿度：是指大气中水汽的密度，即每一立方米大气中所含水汽的质量(克数)。相对湿度：是大气中实有水汽压与当时温度下饱和水汽压的百分比，是日常生活中常用来表示湿度大小的方法。当相对湿度达100%时，称饱和状态。露点：是指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下,冷却到饱和时的温度。形象地说,就是空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点.(当该温度低于零摄氏度时,又称为霜点.)

露点不受温度影响,但受压力影响.

当温度急剧下降到露点以下,空气中的水分迅速凝结为小水珠,就形成了雾.

湿度传感器的分类

湿敏电阻的原理水是一种强极性的电解质。水分子极易吸附于固体表面并渗透到固体内部，引起半导体的电阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二铝等吸湿材料制作湿敏电阻。水蒸气的凝结将给仪器设备带来各种危害

湿度对电子元件的影响

当环境的相对湿度增大时，物体表面就会附着一层水膜，并渗入材料内部。这不仅降低了绝缘强度，还会造成漏电、击穿和短路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引起有机材料的霉烂。露点

降低温度会产生结露现象。露点与农作物的生长有很大关系，结露也严重影响电子仪器的正常工作，必须予以注意。

测量露点的仪器露点传感器外形

电子湿度计模块封装后的外形电子式温湿度计机械式、电子式温湿度计对比陶瓷湿度传感器特性曲线

在右图所示的陶瓷湿度传感器特性曲线中，纵坐标的标度有何特点？其电阻率变化约有多少个数量级？电子相对湿度仪表的标定仪器

干湿球湿度计外形及原理干球湿球

用干湿球湿度计测量相对湿度的原理上页中，左边的玻璃温度计（湿球）用湿棉球包裹，并浸没在水槽里。湿棉球由于水份蒸发，所以其温度低于室温，致使湿球的示值低于干球。查对应的湿度表就可知道空气的相对湿度。虽然干湿球湿度计的历史悠久，但现在还经常用它作为电子相对湿度仪表的标定仪器。风水槽棉球玻璃酒精温度计休息一下7.3声敏传感器及超声波传感器概述：声波的分类

1.次声波次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，7~8Hz的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。2.可闻声波

美妙的音乐可使人陶醉。3.超声波蝙蝠能发出和听见超声波。蝙蝠依靠超声波捕食超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特点。

超声波雾化器

超声波加湿器压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下，可得到较大功率的超声波，可以被聚焦，能用于集成电路及塑料的焊接。

超声波塑料焊接机超声波金丝焊接机超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。便携式超声波探鱼器超声波在医学检查中的应用胎儿的

B超影像超声波用于高效清洗当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，即液体体积增加，液体中分子空隙加大，形成许多微小的气泡；而当强的声波信号作用于液体时，则会对液体产生一定的正压，即液体体积被压缩减小，液体中形成的微小气泡被压碎。经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压的压力，这种现象被称之为“空化作用”，超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。超声清洗多用于半导体、机械、玻璃、医疗仪器等行业。超声波清洗原理及清洗器

（参考湖南省浏阳市医用仪具厂、北京德泰隆科技发展有限责任公司资料）超声换能器气泡波浪清洗物1、超声波物理基础

频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。超声波的波型分类超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。

纵波横波

表面波

2、超声波换能器及耦合技术

超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。各种超声波探头

（以下参考常州市常超检测设备有限公司资料）常用频率范围：0.5~10MHz，常见晶片直径：5~30mm接触式直探头（纵波垂直入射到被检介质）外壳用金属制作，保护膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止压电晶片磨损。

保护膜接插件接触式直探头原理超声脉冲电压输入端

接地端接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30

、45

等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波将产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，可产生多次反射，而传播到较远处去。底部耐磨材料接插件各种接触式斜探头常用频率范围：1~5MHz接触法双晶直探头

将两个单晶探头组合装配在同一壳体内，其中一片发射超声波，另一片接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离。双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。发射晶片接收晶片各种双晶直探头焦距范围：5~40mm,频率范围：2.5~5MHz，钢中折射角：45

~70

接触法双晶斜探头（续）水浸探头

（可用自来水作为耦合剂）选择声透镜形状，可决定聚焦形式为点聚焦或线聚焦。聚焦探头由于超声波的波长很短（毫米数量级），所以它也类似光波，可以被聚焦成十分细的声束，其直径可小到1mm左右，可以分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为聚焦探头。聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波；也可以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜；也可以利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。

聚焦探头原理及外形水浸聚焦探头超声波探头中的压电陶瓷芯片将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。压电陶瓷的主要性能指标

1)介电常数：1000~60002)压电灵敏度D33

：300~600pC/N3)机械品质因素Q：100~20004)居里温度：300~400

C5）静电容：1000~100000pF（与面积有关）

6）频率范围：用于超声清洗：30~100KHz

用于探伤仪及流量计：2.5~5MHz

用于雾化器：1~2MHz耦合剂

超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。

空气超声探头

a）

超声发射器

b）超声接收器

1—外壳2—金属丝网罩3—锥形共振盘4—压电晶片5—引脚6—阻抗匹配器7—超声波束

空气超声探头（续）

空气超声探头外形空气超声探头外形（续）空气传导超声波电脉冲发生器超声波传感器的应用

当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。

超声波传感器应用举例

超声波传感器应用举例（续）

超声波传感器应用举例（续）质量检查紧固件的安装错误检测叠放高度测量超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）物件放置错误检测超声波传感器应用举例（续）透明塑料张力控制机械手定位超声波传感器应用举例（续）纸卷直径检测超声波传感器

应用举例（续）平整度测量超声波传感器应用举例（续）超长距离检测超声波传感器

应用举例（续）流水线计数超声波传感器

应用举例（续）超声波流量计

F1发射的超声波先到达

T1测量流量原理分类

时间差法测量流量原理：在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超声波是顺流传播的，而F2，T2的超声波是逆流传播的。由于这两束超声波在液体中传播速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的时间差

t，可得到流体的平均速度及流量。F1发射的超声波到达

F2的时间较短

频率差法测量流量原理：

F1、F2是完全相同的超声探头，安装在管壁外面，通过电子开关的控制，交替地作为超声波发射器与接收器用。首先由F1发射出第一个超声脉冲，它通过管壁、流体及另一侧管壁被F2接收，此信号经放大后再次触发F1的驱动电路，使F1发射第二个声脉冲。紧接着，由F2发射超声脉冲，而F1作接收器，可以测得F1的脉冲重复频率为f1。同理可以测得F2的脉冲重复频率为f2。顺流发射频率f1与逆流发射频率f2的频率差

f与被测流速v成正比。F2F1

发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧同侧式超声波流量计的使用

（参考北京菲波仪表有限公司资料）超声波流量计现场使用超声波多普勒测量车速多普勒效应前进方向的频率升高

如果波源和观察者之间有相对运动，那么观察者接收到的频率和波源的频率就不相同了，这种现象叫做多普勒效应。测出

f就可得到运动速度。超声波多普勒测量风速风

风引起超声波的频率变大或变小超声波测距空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，被反射回来，并被另一只空气超声探头所接收。测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以空气的声速（340m/s），就是超声脉冲在被测距离所经历的路程，除以2就得到距离。

超声波测厚双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉冲，超声脉冲到达试件底面时，被反射回来，并被另一只压电晶片所接收。只要测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以被测体的声速常数c，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以2，就得到厚度

：手持式超声波测厚仪某超声波测厚仪指标

（参考北京北方大河仪器仪表有限公司资料）显示方法∶128*32LCD点阵液晶显示（带背光）

显示位数：四位

测量范围：0.8~200mm

示值精度：0.1mm

声速范围：1000~9999m/s

测量周期：2次/秒

自动关机时间：90秒

电源：二节七号（AAA）电池，可连续工作不少于72小时

使用温度：-10°C~40°C

存储温度：-20°C~70°C

外形尺寸：108x61x25mm

重量：230g（含电池）超声波测厚石料测厚超声波手持式测厚混凝土测厚木材测厚小提琴木料测厚双晶超声波测厚探头双晶超声波测厚探头（续）超声波测量液位和物位原理在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。

超声波液位计原理

1—液面2—直管3—空气超声探头4—反射小板5—电子开关超声波测量液位和物位

喇叭形超声发生器超声防盗报警器

图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。发射器发射出频率f=40kHz左右的超声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为v，从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移

f。

无损探伤的基本概念人们在使用各种材料（尤其是金属材料）的长期实践中，观察到大量的断裂现象，它曾给人类带来许多灾难事故，涉及舰船、飞