《传感器技术及应用》课件-项目十 化学传感器

开封大学PAGEPAGE1项目十化学传感器课题：气敏、湿敏传感器的原理及应用课时安排：4课次编号：17、18教材分析难点：气敏传感器的应用重点：气敏、湿敏传感器的应用教学目的和要求1、气敏电阻、湿敏电阻基础知识；2、掌握气敏电阻在有害气体检测中的应用；3、了解湿敏电阻在湿度检测中的应用。采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂互动、分析教具：湿敏、气敏传感器各教学环节和内容任务一气敏传感器气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它将气体种类极其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。一、气敏传感器的分类及原理1．半导体气体传感器半导体气敏器件（又称气敏传感器）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。表10-1气敏传感器的分类类型原理检测对象特点半导体式若气体接触到加热的金属氧化物（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等构造简单，但灵敏度低，选择性差红外线吸收散射式利用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1）烧结型SnO2气敏元件图10-1直热式气敏器件结构及符号1SnO2烧结体；2Ir-Pd合金丝（加热器兼电极）图10-2旁热式气敏器件结构及符号1加热器；2电极；3SnO2烧结体；4瓷绝缘管SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型应用最广泛。其敏感体用粒径很小（平均粒径≤1μm）的SnO2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。主要用于检测可燃的还原性气体，其工作温度约300℃。根据加热方式，分为直接加热式（图10-1）和旁热式（图10-2）两种。旁热式SnO2气敏元件由电极、加热器、烧结体和瓷绝缘管组成，加热器电阻值一般为30～40。2）薄膜型气敏器件制作采用蒸发或溅射的方法，在处理好的石英基片上形成一薄层金属氧化物薄膜（如SnO2、ZnO等），再引出电极。优点：灵敏度高、响应迅速、机械强度高、互换性好、产量高、成本低等。 图10-3薄膜型气敏器件的结构 图10-4厚膜型气敏器件的结构 1氧化物半导体；2电极； 1电极；2氧化物半导体；

3引线；4基片；5加热器 3基片；4加热器（印刷厚膜电阻）3）厚膜型气敏器件厚膜型气敏器件（见图10-4）是将SnO2和ZnO等材料与3%～15%重量的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印制到装有铂电极的氧化铝基片上，在400～800℃高温下烧结1～2小时制成。优点：一致性好，机械强度高，适于批量生产。二、气敏传感器的应用半导体气敏传感器按其用途可分为以下几种类型。气体泄露报警、自动控制、自动测试等。1．矿井瓦斯超限报警器图10-6所示为瓦斯超限报警电路。当无瓦斯或瓦斯浓度很低时，QM-N5的A-B极间电阻很大，电位器RP滑动触点电压小于0.7V，VS不被触发，警笛声电路无电源不发声；当瓦斯气体超过安全标准时，A-B极间电阻迅速减小，当RP滑动触点电压大于0.7V，VS被触发导通，警笛电路得电，发出报警声。图10-6矿井瓦斯超限报警器2．有害气体报警电路图10-7（a）所示为有害气体报警电路。电路中晶体管VT采用U850，它是一种高增益的达林顿晶体管。在纯洁的空气中，气敏传感器的A-B间内阻较大，此时B点为低电位，VT不导通，因此，KD9561无工作电流而不报警。当传感器接触到有害可燃气体后，A-B间电阻变小，B点电位升高并向C2充电，当充电电位达到U850导通电位（约1.4V），VT导通，驱动报警器KD9561报警。一旦有害气体浓度降低，使B电位低于1.4V时，VT截止，报警解除。若将本电路的负载改为继电器，如图10-7（b）所示，即可成为自动排气控制装置。图10-7有害气体报警电路（a）有害气体报警电路原理图；（b）自动排气控制装置原理图3．实用酒精测试仪图10-8所示为实用酒精测试仪的电路。该测试仪只要被试者向传感器吹一口气，便可显示出醉酒的程度，确定被试者是否适宜驾驶车辆。气体传感器选用二氧化锡气敏元件。当气体传感器探测不到酒精时，加在A的第5脚电平为低电平；当气体传感器探测到酒精时，其内阻变低，从而使A的第5脚电平变高。A为显示推动器，它共有10个输出端，每个输出端可以驱动一个发光二极管，显示推动器A根据第5脚电压高低来确定依次点亮发光二极管的级数，酒精含量越高则点亮二极管的级数越大。上面5个发光二极管为红色，表示超过安全水平，酒精含量不超过0.05%。图10-8酒精测试仪电路4．防酒后驾车控制器图10-9所示为防止酒后驾车控制器原理图。图中QM-J1为旁热式气敏传感器元件，若司机没有喝酒，或酒精浓度较低时，在驾驶室内合上开关S，此时气敏器件间电阻很高，Ua为高电平，则U1为低电平，555定时器截止，U3为高电平，K2线圈失电，其常闭触点K2-2闭合，绿灯VD1亮，常闭触点K2-1闭合，发动机点火启动。若司机酗酒，气敏器件阻值急剧下降，使Ua为低电平，则U1为高电平，555定时器导通，U3为低电平，继电器K2带电吸合，K2-2常闭触点断开，常开触点闭合，红灯VD2亮，以示警告，常闭触点K2-1断开，发动机无法启动。若司机拔出器敏器件，则继电器K1失电，其常开触点K1-1断开，仍然无法启动发动机。常闭触点K1-2的作用是长期加热气敏器件，保证控制器处于准备工作的状态。图10-9防止酒后驾车控制器原理图任务二湿敏传感器湿度是指大气中的水蒸气含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种表示方法。湿度的检测已广泛用于工业、农业、国防、科技、生活等各个领域，湿度不仅与工业产品质量有关，而且是环境条件的重要指标。一、氯化锂湿敏电阻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，如图10-10所示。由图10-11可知，在50%～80%相对湿度范围内，电阻与湿度的变化成线性关系。氯化锂湿敏元件的优点是滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度高达±5%，但其耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能重复性不理想，使用寿命短。 图10-10湿敏电阻结构示意图 图10-11氯化锂湿度—电阻特性曲线 1引线；2基片；3感湿层；4金电极二、半导体陶瓷湿敏电阻通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷。这些材料有ZnO—LiO2—V2O5系、Si—Na2O—V2O5系、TiO2—MgO—Cr2O3系、Fe3O4等，前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷（以下简称半导瓷）。1．MgCr2O4—TiO2湿敏元件氧化镁复合氧化物—二氧化钛湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿—电”转换器件，它是负特牲半导瓷，MgCr2O4为P型半导体，它的电阻率低，阻值温度特性好，结构如图10-14所示。MgCr2O4—TiO2陶瓷湿度传感器的相对湿度与电阻值之间的关系，如图10-15所示。传感器的电阻值既随所处环境的相对湿度的增加而减小，又随周围环境温度的变化而有所变化。 图10-14MgCr2O4—TiO2陶瓷湿度传感器的结构 图10-15MgCr2O4—TiO2陶瓷湿度传感器 1—加热线圈；2—湿敏陶瓷片；3—电极； 相对湿度与电阻的关系

4—引线圈电极；5—底板；6—引线2．ZnO—Cr2O3陶瓷湿敏元件ZnO—Cr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料的金电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线，然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中用树脂固定，其结构如图10-16所示。ZnO—Cr2O3传感器能连续稳定地测量湿度，而无须加热除污装置，因此功耗低于0.5W，体积小，成本低，是一种常用测湿传感器。3．四氧化三铁（Fe3O4）湿敏器件四氧化三铁湿敏器件由基片、电极和感湿膜组成，器件构造如图10-17所示。当空气相对湿度增大时，Fe3O4胶膜吸湿，由于水分子的附着，强化颗粒之间的接触，降低粒间的电阻和增加更多的导流通路，所以元件阻值减小。当处于干燥环境中，胶膜脱湿，粒间接触面减小，元件阻值增大。 图10-16ZnO—Cr2O3陶瓷湿敏传感器结构 图10-17Fe3O4湿敏元件构造 1—外壳；2—烧结元件；3—电极； 1—滑石板；2—金电极；

4—树脂固封；5—引线；6—滤网 3—Fe3O4胶粒；4—引线Fe3O4湿敏器件在常温、常湿下性能比较稳定，有较强的抗结露能力，测湿范围广。三、湿敏传感器的应用1．直读式湿度计图10-18所示是直读式湿度计电路，其中RH为氯化锂湿度传感器。由VT1、VT2、T1等组成测湿电桥的电源，其振荡频率为250～1000Hz。电桥输出经变压器T2、C3耦合到VT3、经VT3放大后的信号，由VD1～VD4桥式整流后，输入给微安表，指示出由于相对湿度的变化引起电流的改变，经标定并把湿度刻划在微安表盘上，就成为一个简单而实用的直读式湿度计了。图10-18直读式湿度计电路图2．自动喷灌控制器电路工作原理本例介绍的自动喷灌控制器由分立元器件组成，它也是通过检测土壤的湿度来实现对植物喷灌设施的自动控制。该控制器电路由电源电路、湿度检测电路和控制电路组成，如图10-19所示。图10-19自动喷灌控制电路电源电路由电源变压器T、整流桥UR、隔离二极管VD2、稳压二极管VS和滤波电容器C1、C2等组成。交流220V电压经T降压、UR整流后，在滤波电容器C2两端产生直流6V电压。该电压一路供给微型水泵的直流电动机（采用交流电动机的大、中型水泵使用交流220V电源供电，见图中虚线所示）；另一路经VD2降压、VS稳压和C1滤波后，产生+5.6V电压，供给VT1～VT3和继电器K。湿度传感器插在土壤中，对土壤湿度进行检测。当土壤湿度较高时，湿度传感器两电极之间的电阻值较小，使VT1、VT2导通，VT3截止，继电器K不吸合，水泵电动机M不工作。当土壤湿度变小，使湿度传感器两电极之间的电阻值增大至一定值时，VT1和VT2将截止，使VT3导通，继电器K吸合，其常开触头K接通，使水泵电动机M通电，喷水设施开始工作。当土壤中的水分增加到一定程度，湿度传感器两电极间的电阻值减小至一定值时，VT1和VT2又导通，使VT3截止，继电器K释放，水泵电动机M停转。当土壤水分减少至一定程度时，将重复进行上述过程，从而使土壤保持较恒定的湿度。3．汽车挡风玻璃自动去湿电路图10-21所示是一种用于汽车驾驶室挡风玻璃的自动去湿装置。其中图10-34（a）为挡风玻璃示意图，图中RS为嵌入玻璃的加热电阻丝，H为结露感湿器件；图10-34（b）为原理电路，晶体R1，R2和湿敏器件H的等效电阻RP并联。预先调整各电阻值，使在常温、常湿下VT1导通，VT2截止。一旦由于阴雨使湿