传感器原理与技术课件：气体成分及湿度检测

Understandingofgassensors气体成分及湿度检测气体传感器是一种把气体(多数为空气)中的特定成分检测出来检测气体中特定的成分转换为电信号提供待测气体的存在及浓度大小的信息同学们，今天我们学习的主要内容是气体传感器气体传感器从20世纪开始，科学家已经开始了对气体传感器的研究此时气体传感器主要应用于家庭中的煤气和矿井下的瓦斯气体的检测家庭煤气瓦斯气体用于防灾，保证生产安全保证生产安全以后逐渐推广应用，用于有毒气体的检测(见图7-1-1)图7-1-1有毒气体报警系统容器或管道的检漏检漏环境监测(防止公害)环境监测锅炉及汽车的燃烧检测与控制燃烧检测与控制节省燃料减少有害气体排放工业过程的检测与自动控制工业过程的检测与自动控制近年来，在医疗、空气净化、家用燃气灶、热水器等方面医疗空气净化家用燃气灶热水器气体传感器得到普遍的应用气体传感器的应用领域如图7-1-2所示。图7-1-2气体传感器的应用领域接下来，我们来学习气体传感器的特征要求。气体传感器的特征要求设计气体传感器之前,要明确产品的最终用途明确产品的最终用途要考虑到传感器应用环境的干扰因素﹑精度﹑使用寿命,外形以及可靠性要求等。应用环境干扰因素精度使用寿命外形可靠性单一的功能也可以是由不同功能的敏感元件构成的复合传感器敏感元件气体传感器应该具备以下几个条件（1）对待测气体具有较高的灵敏度和较宽的动态响应范围；（2）具有较快的响应速度；（3）长期工作稳定性好,寿命较长；（4）成本较低,维护方便。（1）对待测气体具有较高的灵敏度和较宽的动态响应范围；（2）具有较快的响应速度；（3）长期工作稳定性好，寿命较长；（4）成本较低，维护方便。气体传感器应具备的条件目前来看,气体传感器主要存在以下几方面的问题。（1）选择性差；（2）使用寿命短；（3）灵敏度在某些场合不能够满足需求；（4）元件稳定性较差。（1）选择性差气体传感器存在的问题（2）使用寿命短（3）灵敏度在某些场合不能够满足需求（4）元件稳定性较差表7-1-1气体传感器的主要检测对象及应用场所分类易燃易爆气体有毒气体环境气体工业气体其他灾害检测对象气体液化石油气、焦炉煤气、发生炉煤气、天然气、甲烷、氢气一氧化碳（不完全燃烧煤气）硫化氢、含硫的有机化合物、卤素、卤化物、氨气等氧气(缺氧)水蒸气(调节湿度，防止结露）、大气污染(SO，NO，Cl2等)燃烧过程气体控制，调节燃/空比、一氧化碳(防止不完全燃烧)、水蒸气(食品加工)烟雾，司机呼出酒精应用场合家庭煤矿冶金试验室煤气灶等石油工业、制药厂、冶炼厂、化肥厂地下工程、家庭、电子设备、汽车、温室工业区内燃机、锅炉内燃机、冶炼厂、电子灶火灾预报，事故预报表7-1-1气体传感器的主要检测对象及应用场所同学们，通过今天的学习，大家对压电效应的知识都掌握了吗？Thankyou谢谢大家谢谢大家Applicationofgassensorandsmokesensor同学们，今天我们学习的主要内容是气体传感器和烟雾传感器的应用。气体传感器和烟雾传感器的应用气体传感器和烟雾传感器的应用随着工业及科研中使用气体做原料、燃料的增多工业科研使用气体做原料、燃料日常生活中煤气、液化气作为家庭燃料的普及煤气液化气家庭燃料气体的检测与控制目前已有的气体传感器种类较多气体传感器半导体线性较差而气体检测的目的也多为报警与控制气体检测报警与控制首先，我们先来学习气体报警器。气体报警器这种报警器可以根据使用气体种类，安放在易检测到气体泄漏的地方气体种类检测气体泄漏的地方是否泄露一旦泄露气体达到危险浓度，便自动发出报警信号。气体危险浓度泄露在此，以电阻式半导体气敏器件为例电阻式半导体气敏器件给出气体报警器与控制器的原理简图(见图7-1-8)以供参考。图7-1-8气体报警器与控制器的原理框图（a）报警器（b）控制器注意此类器件常设有加热丝(f1、f2)以加速被测气体的化学吸附和电离的过程图7-1-8气体报警器与控制器的原理框图（a）报警器（b）控制器加热丝加速被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去器件表面的污物(起清洁作用)。图7-1-8气体报警器与控制器的原理框图（a）报警器（b）控制器加热丝烧去器件表面的污物负载电阻R串联在传感器中，其两端加工作电压图7-1-8气体报警器与控制器的原理框图（a）报警器（b）控制器在加热丝两端(f1、f2)加有加热电源图7-1-8气体报警器与控制器的原理框图（a）报警器（b）控制器加热丝两端加有加热电源在洁净空气中，传感器的电阻较大，在负载上的输出电压较小；当在待测气体中时，传感器的电阻变小，则RL上的输出电压较大。传感器的电阻较大洁净空气在负载上的输出电压较小传感器的电阻变小待测气体

RL上的输出电压较大图7-1-8（a）为报警器，超过规定浓度时，发出声光报警；图7-1-8气体报警器与控制器的原理框图（a）报警器（b）控制器超过规定浓度时，发出声光报警图7-1-8（b）为控制器，由R调节设定浓度图7-1-8气体报警器与控制器的原理框图（a）报警器（b）控制器调节设定浓度超过设定浓度时，比较器翻转，输出控制信号，由驱动电路带动继电器或其他元件。图7-1-8气体报警器与控制器的原理框图（a）报警器（b）控制器调节设定浓度超过设定浓度比较器翻转输出控制信号由驱动电路带动继电器或其他元件图7-1-9是一种简易的家用气体报警器电路。图7-1-9简单的家用气体报警器电路气体传感器采用直热式气敏器件TGS109直热式气敏器件TGS109气体传感器可燃气体增加当室内可燃气体增加时，由于气敏器件接触到可燃气体可燃气体而其阻值降低阻值降低可燃气体增加这样流经测试回路的电流增加，可直接驱动蜂鸣器报警，设计报警器时，流经测试回路的电流增加直接驱动蜂鸣器报警重要的是如何确定开始报警的浓度。如何确定开始报警的浓度一般情况下，对于丙烷、丁烷、甲烷等气体，都选定在爆炸下限的十分之一。如何确定开始报警的浓度丙烷丁烷甲烷爆炸下限的十分之一接下来，我们一起来学习自动空气净化换气扇。自动空气净化换气扇利用SnO2气敏器件，可以设计用于空气净化的自动换气扇。SnO2气敏器件用于空气净化的自动换气扇图7-1-10是自动换气扇的电路。图7-1-9自动换气扇的电路当室内气体污浊时，烟雾或其他污染气体使气敏器件阻值下降室内气体污浊烟雾污染气体气敏器件阻值下降晶体管VT导通，继电器动作，接通风扇电源，可实现电扇自动启动，排放污浊气体，换进新鲜空气。室内气体污浊

当室内污浊气体浓度下降到希望的数值时，气敏器件阻值上升，VT截止，继电器断开，风扇电源切断，风扇停止工作。室内污浊气体浓度下降到希望的数值气敏器件阻值上升VT截止继电器断开风扇电源切断风扇停止工作下面，学习的是家用煤气安全报警器。家用煤气安全报警器家用煤气安全报警器的电路由两部分组成：一部分是煤气报警器，在煤气浓度达到危险界限前发生警报；家用煤气安全报警器的电路煤气报警器在煤气浓度达到危险界限前发生警报另一部分是开放式负离子发生器，其作用是自动产生空气负离子家用煤气安全报警器的电路开放式负离子发生器自动产生空气负离子使煤气中主要有害成分一氧化碳与空气中的臭氧（O3）反应家用煤气安全报警器的电路开放式负离子发生器一氧化碳臭氧生成对人体无害的二氧化碳家用煤气安全报警器的电路开放式负离子发生器二氧化碳家用煤气安全报警器的电路如图7-1-11所示。图7-1-11家用煤气安全报警器的电路煤气报警电路，包括电源电路、气源探测电路、电子开关电路和声光报警电路。电源电路气源探测电路电子开关电路声光报警电路煤气报警电路开放式空气负离子发生器开放式空气负离子发生器由R1~R13、C5~C7、VD5~VD7、3CTS3及T2等组成

开放式空气负离子发生器这种负离子发生器，由于元器件少，结构简单，通常无需特别调试即能正常工作。

无需特别调试即能正常工作开放式空气负离子发生器减少R12的阻值，可以使负离子浓度增加。

最后，我们来看看烟雾传感器在宾馆火灾自动报警系统中的应用。烟雾传感器宾馆火灾自动报警系统现代化的宾馆一般都具有多功能、综合性的特点多功能综合性餐饮购物住宿娱乐火灾自动报警系统，对于及早发现火灾和对火灾进行早期的扑灭及早发现火灾对火灾进行早期的扑灭最大化地减小火灾造成的人员伤亡、经济损失及不良的社会影响起着重要的作用。系统总体结构简化设计自警系统触发器件、灾警装置及联动控制系统等组成。系统总体结构简化设计自警系统触发器件灾警装置联动控制系统系统的工作原理如图7-1-12所示。图7-1-12火灾自动报警系统工作原理图(2)触发器件在自警系统中，自动或手动产生火灾报警信号的器件触发器件在自警系统自动或手动产生火灾报警信号的器件手动报警按钮火灾探测器触发器件在自警系统手动报警按钮火灾探测器手动方式产生火灾报警信号的器件火灾探测器是能对火灾参数(如烟、温、光、火焰辐射、气体浓度等)响应触发器件在自警系统手动报警按钮火灾探测器

并自动产生火灾报警信号的器件触发器件在自警系统手动报警按钮火灾探测器自动产生火灾报警信号的器件对于宾馆类建筑，为了精确预报失火位置，最大限度地减小探测器的误报率触发器件在自警系统精确预报失火位置最大限度地减小探测器的误报率选用感烟探测器、感温探测器来组成区域火灾探测器网络触发器件在自警系统感烟探测器感温探测器区域火灾探测器网络客房内卧室、书房、餐厅、会客室使用带蜂鸣器底座探测器触发器件在自警系统卧室书房会客室蜂鸣器底座探测器客房内任意区域探测器向控制室发出火灾报警信号，同时触发蜂鸣器发出蜂鸣声触发器件在自警系统任意区域探测器向控制室发出火灾报警信号，同时触发蜂鸣器发出蜂鸣声提醒处于熟睡或工作状态的客人快速撤离触发器件在自警系统快速撤离1）感烟探测器1.感烟探测器感烟式火灾探测器是利用一个小型烟雾传感器响应悬浮在其周围附近大气中的燃烧和(或)热解产生的烟雾气溶胶(固态或液态微粒)的一种火灾探测器。是利用一个小型烟雾传感器响应悬浮在其周围附近大气中的燃烧和(或)热解产生的烟雾气溶胶(固态或液态微粒)的一种火灾探测器。1.感烟探测器一般有离子式和光电式感烟火灾探测器光电式离子式1.感烟探测器本系统选用光电式感烟探测器(见图7-1-13)。图7-1-13光电式感烟火灾探测器离子式光电式1.感烟探测器光电式感烟探测器有一个烟雾检测室，里面设有一个光源和一个感光元件光电式

1.感烟探测器光源的光线一般不能照射到感光元件上光电式

光线1.感烟探测器但是当有烟雾进入后，光线在烟雾中产生散射光电式1.感烟探测器浓感光元件再把光信号转换为电信号进行输出火灾控制器光电式

输出火灾控制器1.感烟探测器2）感温探测器在火灾初起阶段，使用热敏元件来探测火灾的发生是一种有效的手段。2.感温探测器感温式火灾探测器可以根据其作用原理分为定温式火灾探测器、差温式火灾探测器和差定温火灾探测器三种。2.感温探测器根据作用原理分

本系统选用空气管线型差温火灾探测器。2.感温探测器

空气管线型它由空气管和膜盒以及电路部分组成2.感温探测器

空气管膜盒电路当环境温度缓慢变化时，空气管内空气受热膨胀后，能从膜盒的漏气孔泄出，因此不会推动波纹片，电接点不会闭合;2.感温探测器

环境温度缓慢变化空气管内空气热膨胀从膜盒的漏气孔泄出不会推动波纹片，电接点不会闭合当环境温用度上升很快，空气管内的空气受热膨胀迅速，来不及从膜盒的漏气孔泄出，膜盒内压力增加，推动波纹片位移，使接点闭合，从而产生火灾报警信号。2.感温探测器

环境温用度上升很快空气管内的空气受热膨胀迅速膜盒内压力增加，推动波纹片位移接点闭合，产生火灾报警信号3)火灾报警装置,在火灾自动报警系系统中，3.火灾报警装置用以接收、显示和传递火灾报警信号，并能发出控制信号和具有其他辅助功能的控制指示设备称为火灾报警装置3.火灾报警装置用以接收、显示和传递火灾报警信号，并能发出控制信号和具有其他辅助功能的控制指示设备称为火灾报警装置。本系统采用火灾声光报警器，这是一种安装在现场的声光报警设备3.火灾报警装置当现场发生火灾并确认后，安装在现场的火灾声光报警器3.火灾报警装置可由消防控制中心的火灾报警控制器启动，发出强烈的声光报警信号3.火灾报警装置以达到提醒现场人员注意的目的3.火灾报警装置考虑到探测器报警的可靠性，系统采用预警和火警两级报警方式可靠性预警火警3.火灾报警装置当区域内同种或两种探测器单回路报警时，系统发出一级报警，这需要工作人员进一步确认区域内同种或两种探测器单回路报警预警3.火灾报警装置当双回路报警或手动装置报警时，系统认为火灾发生，发出火灾警报，并通过消防控制系统启动灭火系统进行灭火。双回路报警或手动装置报警综合性火灾通过消防控制系统启动灭火系统进行灭火3.火灾报警装置4)联动控制系统宾馆类建筑的火灾自动报警系统的联动设备主要由室内外消火栓系统、自动喷水灭火系统、防排烟系统以及火灾报警装置和消防应急照明等部分组成。4.联动控制系统宾馆类建筑的火灾自动报警系统

同学们，本节课我们学习了接近开关与它的应用场合，大家都学会了吗？Thankyou谢谢大家谢谢大家Applicationofpiezoelectricsensors同学们，本节课我们主要学习压电式传感器的应用。湿度传感器主要特性湿度传感器主要特性湿度是指物质中所含水蒸气的量，湿度目前的湿度传感器多数是测量环境中的水蒸气含量。湿度传感器绝对湿度相对湿度露点（露点温度）(1)绝对湿度。绝对湿度是指单位体积的气氛中水蒸气的质量。绝对湿度相对湿度露点（露点温度）(2)相对湿度。相对湿度为待测环境中水蒸气分压与相同温度下水的饱和水蒸气压的比值的百分数。相对湿度露点（露点温度）待测环境中水蒸气分压相同温度下水的饱和水蒸气压100%=绝对湿度(3)露点。在一定大气压下，将含水蒸气的空气冷却，露点（露点温度）绝对湿度相对湿度当降到某温度时，空气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态变成液态而凝结成露珠，这种现象称为结露，此时的温度称为露点或露点温度。绝对湿度相对湿度露点（露点温度）结露如果这一特定温度低于0℃，水蒸气将凝结成霜，此时称其为霜点。通常对两者不予区分，统称为露点，其单位为℃。绝对湿度相对湿度露点（露点温度）露点（露点温度）霜点℃首先，我们先学习一下湿度传感器主要特性。湿度传感器主要特性湿敏元件是指对环境湿度具有相应或将湿度转换成相应可测信号的元件。湿敏元件湿度传感器湿度传感器是由湿敏元件及转换电路组成的，具有把环境湿度转变为电信号的能力。湿度传感器的主要特性有以下几点:湿度传感器是由湿敏元件及转换电路组成的，具有把环境湿度转变为电信号的能力。湿度传感器的主要特性有以下几点:湿度传感器环境湿度电信号第一，感湿特性；湿度传感器的特征量(如电阻、电容、频率等)随湿度变化的关系，常用感湿特征量和相对湿度的关系曲线来表示，如图7-2-1所示。电阻电容频率湿度一、感湿特性如图7-2-1所示第二，湿度量程；表示湿度传感器技术规范规定的的感湿范围。全量程湿度为(0~100)%RH。二、湿度量程全量程湿度：(0~100)%RH第三，灵敏度；湿度传感器的感湿特征量(如电阻、电电容等)随环境湿度变化的程度，也是该传感器感湿特性曲线的斜率三、灵敏度三、灵敏度感湿特性曲线是非线性的感湿特征量之比灵敏度大小第四，湿滞特性；湿度传感器在吸湿过程和脱湿过程中中吸湿与脱湿曲线不重合，而是一个环形回线，这一特性就是湿滞特性，如图7-2-2所示。四、湿滞特性第五，响应时间；在一定环境温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的感湿特征量达到稳定变化量的规定比例所需的时间。一般以相应的起始湿度和终止湿度这一变化区间的90%的相对湿度变化所需的时间来计算。五、响应时间在一定环境温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的感湿特征量达到稳定变化量的规定比例所需的时间。起始湿度终止湿度90%相对湿度变化所需的时间第六，感湿温度系数；当环境湿度恒定时，温度每变化1℃所引起的湿度传感器感湿特征量的变化量。六、感湿温度系数当环境湿度恒定时第七，老化特性；湿度传感器在一定温度、湿度环境下存放一定时间后，其感湿特性将发生变化的特性。七、老化特性一定温度一定湿度感湿特性将发生变化的特性同学们，本节课我们学习了湿度传感器的主要特性，大家都学会了吗？Thankyou谢谢大家谢谢大家Applicationofpiezoelectricsensors同学们，今天我们学习的主要内容是湿度传感器的应用。湿度传感器的应用湿度传感器的应用自1938年美国的F.W.Dummore研制成功浸涂式氯化锂湿敏元件至今，F.W.Dummore1938年已有几十种湿敏元件应运而生，但目前湿度传感技术的研究还远不如对温度等其他传感器技术研究得那么精确和完善。湿度较难检测的原因在于湿度信息的传递比较复杂。湿度信息的传递必须靠其信息物质精确完善信息传递复杂——水对湿敏元件直接接触来完成，因此，湿敏元件不能密封、隔离，必须直接暴露于待测的环境中。密封、隔离的环境暴露于待测的环境而水在自然环境中容易发生三态变化，当其液化或结冰时，往往使湿敏元件的高分子材料、电解质材料溶解，腐蚀或老化给测量带来不利。当其液化或结冰时高分子材料电解质材料溶解腐蚀老化测量不利长期稳定性方面存在问题测量精度响应时间湿度温度特性形状尺寸测量精度响应时间湿度温度特性形状尺寸根据大工业自动化微机