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气敏、湿敏传感器

一、气敏电阻传感器

气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器,它的传感元件是气敏电阻。气敏电阻形式繁多,可以检测各种特定对象的气体,如各种还原性气体。

1.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。

【举例】各种可燃性气体传感器

如,酒精传感器、煤气报警器、液化气报警器、一氧化碳传感器、甲烷传感器等。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介绍

【举例】氧浓度传感器可用于汽车尾气测量

气敏半导体的灵敏度较高,它较适用于气体的微量检漏、浓度检测或超限报警。

二、湿敏电阻传感器

湿度包括:绝对湿度和相对湿度,湿度对电子元件的影响很大。

检测湿度的手段很多,如毛发湿度计、干湿球湿度计、石英振动式湿度计、微波湿度计、电容湿度计、电阻湿度计等,本节介绍陶瓷湿敏电阻式湿度传感器。图2-19是陶瓷湿敏电阻传感器的结构、外形及测量转换电路框图,它主要用于测量空气的相对湿度。

新型传感器包括气敏传感器、湿敏传感器、微传感器、光栅传感器、光电式传感器、光纤传感器、集成化智能传感器等。本章分别介绍了这些新型传感器概念、工作原理、性能参数、应用领域等相关问题。

第10章气敏、湿敏传感器

本章主要内容

10.1 气敏传感器

一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类

1. 定义

2. 结构:半导体气敏传感器一般由三部分组成:敏感元件、加热器和外壳。

3. 分类:按其制造工艺,分为烧结型、薄膜型和厚膜型;按加热方式不同,可分为直热式和旁热式两种气敏器件。

二. 半导体气敏材料的气敏机理

三. SnO2 系列气敏器件

1. 主要特性

2. 检测电路

四. 气敏传感器的应用

1 简易家用气体报警

2 有害气体鉴别、报警与控制电路

3 防止酒后开车控制器

10.2 湿敏传感器

一.半导体陶瓷湿敏电阻

1. 负特性湿敏半导瓷的导电原理

2 正特性湿敏半导瓷的导电原理

二. 典型半导瓷湿敏元件

三. 湿敏传感器的应用

1 湿度检测器

2 高湿度显示器

本章教学要求及重点、难点

一.教学要求

1.了解气敏、湿敏电阻传感器的结构

2. 掌握气敏、湿敏电阻传感器的工作原理及应用

二. 重点、难点

重点:气敏、湿敏电阻传感器的原理及应用

难点:气敏、湿敏电阻传感器的原理

10.1 气敏传感器

一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类

1. 定义

气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器,它的传感元件是气敏电阻。

气敏电阻形式繁多,可以检测各种特定对象的气体,如各种还原性气体。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。

2. 结构:半导体气敏传感器一般由三部分组成:敏感元件、加热器和外壳。

3. 分类:

按其制造工艺来分,有烧结型、薄膜型和厚膜型三种:

①烧结型:

图5.1(a)所示为烧结型气敏元器件,它是以氧化物半导体(如SnO2) 材料为基体,将铂电极和加热器埋入金属氧化物中,经加热或加压成形后,再用低温(700℃~900℃)制陶工艺烧结制成,因此也被称为半导体陶瓷。

优点:制作方法简单,器件寿命较长。

缺点:由于烧结不充分,器件的机械强度较差,且所用电极材料较贵重,此外,电特性误差较大,所以应用受到一定限制。

②薄膜型

图5.1(b)所示为薄膜型气敏元器件,采用蒸发或溅射方法,在石英基片上形成氧化物半导体薄膜(厚度在100nm以下)。

优点:制作方法也简单,

缺点:由于这种薄膜是物理性附着,所以器件间性能差异较大。

③厚膜型

图5.1(c)、图5.1(d)所示为厚膜型器件,它是将氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶,再把厚膜胶印刷到装有电极的绝缘基片上,经烧结制成。

优点:这种工艺制成的元件机械强度高,其特性也相当一致,适合大批量生产。这些器件全部附有加热器,它的作用是使附着在探测部分处的油雾、尘埃等烧掉,加速气体的吸附,从而提高了器件的灵敏度和响应速度。一般加热到200℃~400℃。

按加热方式不同,可分为直热式和旁热式两种气敏器件:

①直热式器件

直热式器件的结构和符号如图5.2所示,器件管芯由SnO2、ZnO等基体材料和加热丝、测量丝三部分组成,加热丝和测量丝都直接埋在基体材料内,工作时加热丝通电,测量丝用于测量器件阻值。

优点:制造工艺简单、成本低、功耗小、可以在高电压回路下使用。缺点:热容量小,易受环境气流的影响,测量回路与加热回路之间没

有隔离,相互影响。

②旁热式器件

旁热式气敏器件的结构和符号如图5.3所示。其管芯增加了一个陶瓷管,管内放加热丝,管外涂梳状金电极作测量极,在金电极外涂SnO2等材料。

这种结构的器件克服了直热式器件的缺点,其测量极与加热丝分离,加热丝不与气敏材料接触,避免了测量回路与加热回路之间的相互影响,器件热容量大,降低了环境气氛对器件加热温度的影响,所以这类器件的稳定性、可靠性都较直热式器件有所改进。

二. 半导体气敏材料的气敏机理

半导体气敏器件被加热到稳定状态下,当气体接触器件表面而被吸附时,吸附分子首先在表面上自由地扩散(物理吸附),失去其运动能量,其间的一部分分子蒸发,残留分子产生热分解而固定在吸附处

(化学吸附)。这时,如果器件的功函数小于吸附分子的电子亲和力,则吸附分子将从器件夺取电子而变成负离子吸附。具有负离子吸附倾向的气体有O2和NO x,称为氧化型气体或电子接收性气体。如果器件的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分子将向器件释放出电子,而成为正离子吸附。具有这种正离子吸附倾向的气体有H2 、CO、碳氢化合物和酒类等,称为还原型气体或电子供给型气体。

当氧化型气体吸附到N型半导体上,还原型气体吸附到P型半导体上时,将使载流子减少,而使电阻增大。相反,当还原型气体吸附到N型半导体上,氧化型气体吸附到P型半导体上时,将使载流子增多,而使电阻下降。

三. SnO2 系列气敏器件

1. 主要特性

吸附性:

图5.4为气体接触到N型半导体时所产生的器件阻值变化。当这种半导体气敏传感器与气体接触时,其阻值发生变化的时间(称响应时间)不到1min。相应的N型材料有SnO2,ZnO,TiO2,W2O3等,P型材料有MoO2,CrO3等。空气中的氧成分大体上是恒定的,因而氧的吸附量也是恒定的,气敏器件的阻值大致保持不变。如果被测气体流入这种气氛中,器件表面将产生吸附作用,器件的阻值将随气体浓度而变化,从浓度与电阻值的变化关系即可得知气体的浓度。

灵敏度特性:

图5.5为SnO2气敏器件的灵敏度特性,它表示不同气体浓度下气敏器件的电阻值。实验证明SnO2中的添加物对其气敏效应有明显影响,如添加Pt(铂)或Pd(钯)可以提高其灵敏度和对气体的选择性。添加剂的成分和含量、器件的烧结温度和工作温度不同,都可以产生不同的气敏效应。例如在同一温度下,含1.5%(重量)Pd的元件,对CO最灵敏,而含0.2%(重量)Pd时,对CH4最灵敏;又如同一含量Pt的元件,在200℃以下,对CO最灵敏,而400℃以检测甲烷最佳。

●温湿度特性

SnO2气敏器件易受环境温度和湿度的影响,其电阻一温湿度特性如图5.6所示。图中RH为相对湿度,所以在使用时,通常需要加温湿度补偿。以提高仪器的检测精度和可靠性。

●初期恢复特性

除上述特性外,SnO2 气敏器件在不通电状态下存放一段时间后,再使用之前必须经过一段电老化时间,因在这段时间内,器件阻值要发生突然变化而后才趋于稳定。经过长时间存放的器件,在标定之前,一般需1~2周的老化时间。

2. 检测电路

SnO2气敏器件所用检测电路如图5.7所示。当所测气体浓度变化时,气敏器件的阻值发生变化,从而使输出发生变化。

四. 气敏传感器的应用

各类易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警都可以用相应的气敏传感器及其相关电路来实现,如气体成分检测仪、气体报警器、空气净化器等已用于工厂、矿山、家庭、娱乐场所等。下面给出几个典型实例。

1 简易家用气体报警

图5.8是一种最简单的家用气体报警器电路,采用直热式气敏传感器TGS109,当室内可燃性气体浓度增加时,气敏器件接触到可燃性气体而电阻值降低,这样流经测试回路的电流增加,可直接驱动峰鸣器BZ报警。对于丙烷、丁烷、甲烷等气体,报警浓度一般选定在其爆炸下限的1/10,通过调整电阻来调节。

2 有害气体鉴别、报警与控制电路

图5.9给出的有害气体鉴别、报警与控制电路图,一方面可鉴别实

验中有无有害气体产生,鉴别液体是否有挥发性,另一方面可自动控制排风扇排气,使室内空气清新。MQS2B是旁热式烟雾、有害气体传感器,无有害气体时阻值较高(10kΩ左右),有有害气体或烟雾进

入时阻值急剧下降,A、B两端电压下降,使得B的电压升高,经电阻R1和R P分压、R2限流加到开关集成电路TWH8778的选通端脚,当脚电压达到预定值时(调节可调电阻R P可改变5脚的电压预定值),1、2两脚导通。+12V电压加到继电器上使其通电,触点J1-1吸合,合上排风扇电源开关自动排风。同时2脚+12V电压经R4限流和稳压二极管VZ1稳压后供给微音器HTD电压而发出嘀嘀声,而且发光二极管发出红光,实现声光报警的功能。

3 防止酒后开车控制器

图5.10为防止酒后开车控制器原理图。图中QM–J1为酒敏元件。若司机没喝酒,在驾驶室内合上开关S,此时气敏器件的阻值很高,U a为高电平,U1低电平,U3高电平,继电器K2线圈失电,其常闭触点K2-2闭合,发光二极管VD1通,发绿光,能点火启动发动机。

若司机酗酒,气敏器件的阻值急剧下降,使U a为低电平,U1高电平,

U3低电平,继电器K2线圈通电,K2-2常开触头闭合,发光二极管VD2 通,发红光,以示警告,同时常闭触点K2-1断开,无法启动发动机。若司机拔出气敏器件,继电器K1线圈失电,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,保证此控制器处于准备工作的状态。5G1555为集成定时器。

10.2 湿敏传感器

湿度的基本概念

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。绝对湿度是指在一定温度和压力条件下,每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量,单位为g/m3,一般用符号AH表示;相对湿度是指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿

度之比,一般用符号%RH表示。相对湿度给出大气的潮湿程度,它是一个无量纲的量,在实际使用中多使用相对湿度这一概念。

1.定义

湿敏传感器是能够感受外界湿度变化,并通过器件材料的物理或

化学性质变化,将湿度转化成有用信号的器件。

湿度检测较之其他物理量的检测显得困难,这首先是因为空气中水蒸气含量要比空气少得多;另外,液态水会使一些高分子材料和电解质材料溶解,一部分水分子电离后与溶入水中的空气中的杂质结合成酸或碱,使湿敏材料不同程度地受到腐蚀和老化,从而丧失其原有的性质;再者,湿信息的传递必须靠水对湿敏器件直接接触来完成,因此湿敏器件只能直接暴露于待测环境中,不能密封。通常,对湿敏器件有下列要求:在各种气体环境下稳定性好、响应时间短、寿命长、有互换性、耐污染和受温度影响小等。微型化、集成化及廉价是湿敏器件的发展方向。湿度的检测已广泛应用于工业、农业、国防、科技和生活等各个领域,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。

下面介绍一些现已发展比较成熟的几类湿敏传感器。

2. 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系和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,最后一种材料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) 负特性湿敏半导瓷的导电原理

由于水分子中的氢原子具有很强的正电场,当水在半导瓷表面吸附时,就有可能从半导瓷表面俘获电子,使半导瓷表面带负电。如果

该半导瓷是P型半导体,则由于水分子吸附使表面电动势下降,将吸引更多的空穴到达其表面,于是,其表面层的电阻下降。若该半导瓷为N型,则由于水分子的附着使表面电动势下降,如果表面电动势下降较多,不仅使表面层的电子耗尽,同时吸引更多的空穴达到表面层,有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度,出现所谓表面反型层,这些空穴称为反型载流子。它们同样可以在表面迁移而表现出电导特性。因此,由于水分子的吸附,使N型半导瓷材料的表面电阻下降。由此可见,不论是N型还是P型半导瓷,其电阻率都随湿度的增加而下降。图5.12给出了几种负特性半导瓷阻值与湿度的关系。

2)正特性湿敏半导瓷的导电原理

正特性材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不同。当水分子附着在半导瓷的表面使电动势变负时,导致其表面层电子浓度下降,但这还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度,此时仍以电子导电为主。于是,表面电阻将由于电子浓度下降而加大,这类

半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。如果对某一种半导瓷,它的晶粒间的电阻并不比晶粒内电阻大很多,那么表面层电阻的加大对总电阻并不起多大作用。不过,通常湿敏半导瓷材料都是多孔的,表面电导占比例很大,故表面层电阻的升高必将引起总电阻值的明显升高。但是由于晶体内部低阻支路仍然存在,正特性半导瓷的总电阻值的升高没有负特性材料的阻值下降那么明显。图5.13给出了Fe3O4正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线。从图5.13可以看出,当相对湿度从0%RH变化到100%RH时,负特性材料的阻值均下降3个数量级,而正特性材料的阻值只增大了约1倍。

3. 典型半导瓷湿敏元件

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,它是负特性半导瓷,MgCr2O4为P 型半导体,它的电阻率低,电阻-湿度特性好,结构如图5.14所示,在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的两面涂覆有多孔金电极,金电极与引出线烧结在一起。为了减少测量误差,在陶瓷片外设置由镍铬丝制成的加热线圈,以便对器件加热清洗,排除恶劣气氛对器件的污染。整个器件安装在陶瓷基片上,电极引线一般采用铂-铱合金。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5.15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。

2)ZnO-Cr2O3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5.16 所示。

4. 湿敏传感器的应用

1 湿度检测器

图5.18所示的是湿度检测器电路。由555时基电路、湿度传感器CH 等组成多谐振荡器,在振荡器的输出端接有电容器C2,它将多谐振荡器输出的方波信号变为三角波。当相对湿度变化时,湿度传感器

C H的电容量将随着改变,它将使多谐振荡器输出的频率及三角波的幅度都发生相应的变化,输出的信号经VD1,VD2整流和C4滤波后,可从电压表上直接读出与相对湿度相应的指数来。R p电位器用于仪器的调零。

2 高湿度显示器

图5.19是高湿度显示器电路。它能在环境相对湿度过高时作出显示,告知人们应采取图5.17 Fe3O4湿敏元件构造排湿措施了。湿度传感器采用SMOL-A型湿敏电阻,当环境的相对湿度在(20%~90%)RH变化时,它的电阻值在几十千欧到几百欧范围内改变。为防止湿敏电阻产生极化现象,采用变压器降压供给检测电路9V交流电压,湿敏电阻RH和电阻R1串联后接在它的两端。当环境湿度增大时,RH阻值减小,电阻R1两端电压会随之升高,这个电压经D1整流后加到由T1和T2组成的施密特电路中,使T1导通,T2截止,T3随之导通,发光二极管D4发光。高湿度显示电路可应用于蔬菜大棚、粮棉仓库、花卉温室、医院等对湿度要求比较严格的场合

气敏传感器是用来检测气体浓度和成分的传感器,它对于环境保护和安全监督方面起着极重要的作用。气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的,由于检测现场温度、湿度的变化很大,又存在大量粉尘和油雾等,所以其工作条件较恶劣,而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物,附着在元件表面,往往会使其性能变差。所以对气敏传感器有下列要求:能够检测报警气体的允许浓度和其他标准数

值的气体浓度,能长期稳定工作,重复性好,响应速度快,共存物质所产生的影响小等。由于被测气体的种类繁多,性质各不相同,不可能用一种传感器来检测所有气体,所以气敏传感器的种类也有很多。近年来随着半导体材料和加工技术的迅速发展,实际使用最多的是半导体气敏传感器,这类传感器一般多用于气体的粗略鉴别和定性分析,具有结构简单、使用方便等优点。

半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体(主要是金属氧化物)表面接触时,产生的电导率等物性变化来检测气体。按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部,可分为表面控制型和体控制型。第一类,半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子授受,结果使半导体的电导率等物性发生变化,但内部化学组成不变;第二类,半导体与气体的反应,使半导体内部组成(晶格缺陷浓度)发生变化,而使电导率改变。按照半导体变化的物理特性,又可分电阻型和非电阻型两类。电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时,其阻值变化来检测气体的成分或浓度;非电阻型半导体气敏元件是利用其他参数,如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测被测气体。表5-1为半导体气敏元件的分类,SnO2(氧化锡)是目前应用最多的一种气敏元件。

第二章电阻传感器第二讲气敏与湿敏传感器

教师授课方案(首页) 授课班级09D电气1、电气2 授课日期 课节 2 课堂类型讲授 课题第二章电阻式传感器第二讲第三节测温热传感器 第四节气敏与湿敏传感器 教学目的与要求【知识目标】1、理解测温热传感器的工作特性及应用、掌握测量转换电路2、理解气敏与湿敏电阻的工作特性与应用 【能力目标】提高并培养学生实际仪表接线技能及理论联系实际的能力。 【职业目标】通过学生二线、三线、四线接线培养学生爱岗敬业的情感目标。 重点难点重点:掌握测温热传感器的测量转换电路难点:三线制测量转换电路 教具教学辅助活动教具:铂热电阻、气敏、湿敏传感器实物、多媒体课件、习题册 教学辅助活动:提问、学生讨论 一节教学过程安排复习 1、电位器式传感器的测量原理、转换电路、 应用 2、应变片的工作原理及应变片特性 3、单臂半桥、双臂半桥、四臂全桥的输出电 压及优点 4、举例说明应变式电阻传感器的应用 5分钟讲课 1、测温热电阻原理、二线、三线、四线测量 转换电路的特点,重点掌握三线制仪表的特点 及应用 2、气敏电阻及湿敏电阻原理、测量转换电路 及应用。掌握选用不同类型气敏电阻的方法。 70分钟小结 1、小结见内页之后 2、利用10分钟时间与学生互动答疑 13分钟作业 习题册第二章温热、气敏、湿敏传感器 习题 2分钟 任课教师:叶睿2011年1月18日审查教师签字:年月日

教案附页

【复习提问】 上节课知识点: 1、电位器式传感器的测量原理、转换电路、应用 2、应变片的工作原理及应变片特性 3、单臂半桥、双臂半桥、四臂全桥的输出电压及优点 4、举例说明应变式电阻传感器的应用 第二节测温热传感器【新课导入】 测量温度的方法有很多:本课程主要学习热电阻以及热电偶测量温度,热电偶传感器将在第九章学习到,本次课学习测温热电阻传感器。 热电阻在工业上被广泛用来测量–200~+9600C范围内的温度。 热电阻分为金属热电阻和半导体热电阻。前者仍简称热电阻,后者的灵敏度比前者高十倍以上,又称为热敏电阻。 【本节内容设计】 通过测量温度的方法学习测温热传感器的工作特性、测量转换电路以及测温热传感器的应用。 【授课内容】 一、金属热电阻 1、测量原理 热电阻利用电阻随温度的升高而增大的特性。需要电阻温度系数大、线性好、性能稳定、测量温度范围宽、价格容易。目前工业常用铜热电阻–50~+1500C 、铂热电阻–200~+9600C。 正温度系数:温度升高,电阻增大。用PTC表示。 负温度系数:温度升高,电阻减小。用NTC表示。 测温热电阻利用正温度系数的电阻制成。 实验说明: 取一只 100W/220V 灯泡,用万用表测量其电阻值,可以发现其冷态阻值只有几十欧姆,而计算得到的额定热态电阻值应为484Ω。2、热电阻的主要技术性能指标比较: 表2-2 热电阻的主要技术性能 材料铂(WZP)铜(WZC) 使用温度范围/℃-200~+960 -50~+150 电阻率/(Ω?m?10-6)0.098~0.106 0.017 0~100℃间电阻 温度系数α(平均 值)/℃-1 0.00385 0.00428 化学稳定性 在氧化性介质中较稳 定,不能在还原性介质中 超过100℃易氧化

常用的热敏、光敏、气敏、力敏和磁敏传感器及其敏感元件介绍

常用的热敏、光敏、气敏、力敏和磁敏传感器及其敏感元件介绍传感器由敏感元器件(感知元件)和转换器件两部分组成,有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号,本身就构成传感器。敏感元器件品种繁多,就其感知外界信息的原理来讲,可分为①物理类,基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。②化学类,基于化学反应的原理。③生物类,基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类(还有人曾将传感器分46类)。下面对常用的热敏、光敏、气敏、力敏和磁敏传感器及其敏感元件介绍如下。一、温度传感器及热敏元件温度传感器主要由热敏元件组成。热敏元件品种教多,市场上销售的有双金属片、铜热电阻、铂热电阻、热电偶及半导体热敏电阻等。以半导体热敏电阻为探测元件的温度传感器应用广泛,这是因为在元件允许工作条件范围内,半导体热敏电阻器具有体积小、灵敏度高、精度高的特点,而且制造工艺简单、价格低廉。 1、半导体热敏电阻的工作原理按温度特性热敏电阻可分为两类,随温度上升电阻增加的为正温度系数热敏电阻,反之为负温度系数热敏电阻。⑴正温度系数热敏电阻的工作原理此种热敏电阻以钛酸钡(BaTio3)为基本材料,再掺入适量的稀土元素,利用陶瓷工艺高温烧结尔成。纯钛酸钡是一种绝缘材料,但掺入适量的稀土元素如镧(La)和铌(Nb)等以后,变成了半导体材料,被称半导体化钛酸钡。它是一种多晶体材料,晶粒之间存在着晶粒界面,对于导电电子而言,晶粒间界面相当于一个位垒。当温度低时,由于半导体化钛酸钡内电场的作用,导电电子可以很容易越过位垒,所以电阻值较小;当温度升高到居里点温度(即临界温度,此元件的‘温度控制点一般钛酸钡的居里点为120℃)时,内电场受到破坏,不能帮助导电电子越过位垒,所以表现为电阻值的急剧增加。因为这种元件具有未达居里点前电阻随温度变化非常缓慢,具有恒温、调温和自动控温的功能,只发热,不发红,无明火,不易燃烧,电压交、直流3~440V均可,使用寿命长,非常适用于电动机等电器装置的过热探测。⑵负温度系数热敏电阻的工作原理负温度系数热敏电阻

气敏传感器

2.3 气敏、湿敏电阻传感器 2.3.1气敏电阻 在现代社会的生产和生活中,人们往往会接触到各种各样的气体,需要对它们进行检测和控制。比如化工生产中气体成分的检测与控制;煤矿瓦斯浓度的检测与报警;环境污染情况的监测;煤气泄漏:火灾报警;燃烧情况的检测与控制等等。气敏电阻传感器就是一种将检测到的气体的成分和浓度转换为电信号的传感器。 1.气敏电阻的工作原理及其特性 气敏电阻是一种半导体敏感器件,它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化这一机理来进行检测的。人们发现某些氧化物半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有气敏效应。 以SnO2气敏元件为例,它是由0.1~10μm的晶体集合而成,这种晶体是作为N型半导体而工作的。在正常情况下,是处于氧离子缺位的状态。当遇到离解能较小且易于失去电子的可燃性气体分子时,电子从气体分子向半导体迁移,半导体的载流子浓度增加,因此电导率增加。而对于P型半导体来说,它的晶格是阳离子缺位 状态,当遇到可燃性气体时其电导率则减小。 气敏电阻的温度特性如图2.26所示,图中纵坐标为灵 敏度,即由于电导率的变化所引起在负载上所得到的值号 电压。由曲线可以看出,SnO2在室温下虽能吸附气体,但 其电导率变化不大。但当温度增加后,电导率就发生较大 的变化,因此气敏元件在使用时需要加温。此外,在气敏 元件的材料中加入微量的铅、铂、金、银等元素以及一些 金属盐类催化剂可以获得低温时的灵敏度,也可增强对气 图2.26 气敏电阻灵敏度与温度的关系体种类的选择性。 2.常用的气敏电阻 气敏电阻根据加热的方式可分为直热式和旁热式两种,直热式消耗功率大,稳定性较差,故应用逐渐减少。旁热式性能稳定,消耗功率小,其结构上往往加有封压双层的不锈钢丝网防爆,因此安全可靠,其应用面较广。 (1)氧化锌系气敏电阻 ZnO是属于N型金属氧化物半导体,也是一种应用较广泛的气敏器件。通过掺杂而获得不同气体的选择性,如掺铂可对异丁烷、丙烷、乙烷等气体有较高的灵敏度,而掺钯则对氢、一氧化碳、甲烷,烟雾等有较高的灵敏度。ZnO气敏电阻的结构如图2.27所示。这种气敏元件的结构特点是:在圆形基板上涂敷ZnO主体成分,当中加以隔膜层与催化剂分成两层而制成。例如生活环境中的一氧化碳浓度达0.8~1.15 ml/L时,就会出现呼吸急促,脉搏加快,甚至晕厥等状态,达1.84ml/L时则有在几分钟内死亡的危险,因此对一氧化碳检测必须快而准。利用SnO2金属氧化物半导体气敏材料,通过对颗粒超微细化和掺杂工艺制备SnO2纳米颗粒,并以此为基体掺杂一定催化剂,经适当烧结工艺进行表面修饰,制成旁热式烧结型CO敏感元件,能够探测0.005%~0.5%范围的CO 气体。

气敏、湿敏传感器

一、气敏电阻传感器 气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器,它的传感元件是气敏电阻。气敏电阻形式繁多,可以检测各种特定对象的气体,如各种还原性气体。 1.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。 【举例】各种可燃性气体传感器 如,酒精传感器、煤气报警器、液化气报警器、一氧化碳传感器、甲烷传感器等。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介绍 【举例】氧浓度传感器可用于汽车尾气测量 气敏半导体的灵敏度较高,它较适用于气体的微量检漏、浓度检测或超限报警。 二、湿敏电阻传感器 湿度包括:绝对湿度和相对湿度,湿度对电子元件的影响很大。 检测湿度的手段很多,如毛发湿度计、干湿球湿度计、石英振动式湿度计、微波湿度计、电容湿度计、电阻湿度计等,本节介绍陶瓷湿敏电阻式湿度传感器。图2-19是陶瓷湿敏电阻传感器的结构、外形及测量转换电路框图,它主要用于测量空气的相对湿度。 新型传感器包括气敏传感器、湿敏传感器、微传感器、光栅传感器、光电式传感器、光纤传感器、集成化智能传感器等。本章分别介绍了这些新型传感器概念、工作原理、性能参数、应用领域等相关问题。

第10章气敏、湿敏传感器 本章主要内容 10.1 气敏传感器 一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类 1. 定义 2. 结构:半导体气敏传感器一般由三部分组成:敏感元件、加热器和外壳。 3. 分类:按其制造工艺,分为烧结型、薄膜型和厚膜型;按加热方式不同,可分为直热式和旁热式两种气敏器件。 二. 半导体气敏材料的气敏机理 三. SnO2 系列气敏器件 1. 主要特性 2. 检测电路 四. 气敏传感器的应用 1 简易家用气体报警 2 有害气体鉴别、报警与控制电路 3 防止酒后开车控制器 10.2 湿敏传感器 一.半导体陶瓷湿敏电阻 1. 负特性湿敏半导瓷的导电原理 2 正特性湿敏半导瓷的导电原理 二. 典型半导瓷湿敏元件

常用传感器的种类

通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。 1、热敏传感器 热敏传感器是将温度转换成电信号的转换器件,可分为有源和无源两大类。前者的工作原理是热释电效应、热电效应、半导体结效应。后者的工作原理是电阻的热敏特性,约占热敏传感器的55%。在温度检测精度要求比较高的场合,这种传感器比较适用。较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等,它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。用于测量-200℃~+500℃范围内的温度。 2、光敏传感器 光敏传感器是最常见的传感器之一,它的种类繁多,主要有:光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。国内主要厂商有OTRON品牌等。光传感器是产量最多、应用最广的传感器之一,它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。最简单的光敏传感器是光敏电阻,当光子冲击接合处就会产生电流。 3、气敏传感器 气敏传感器是用来检测气体浓度和成分的传感器,它对于环境保护和安全监督方面起着极重要的作用。气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的,由于检测现场温度、湿度的变化很大,又存在大量粉尘和油雾等,所以其工作条件较恶劣,而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物,附着在元件表面,往往会使其性能变差。所以对气敏传感器有下列要求:能

够检测报警气体的允许浓度和其他标准数值的气体浓度,能长期稳定工作,重复性好,响应速度快,共存物质所产生的影响小等。 4、力敏传感器 力敏传感器是将应力、压力等力学量转换成电信号的转换器件。力敏传感器有电阻式、电容式、电感式、压电式和电流式等多种形式,它们各有优缺点。其广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。 5、磁敏传感器 霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器,广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数,能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。霍尔效应传感器属于被动型传感器,它要有外加电源才能工作,这一特点使它能检测转速低的运转情况。 6、湿敏传感器 湿敏传感器是能够感受外界湿度变化,并通过器件材料的物理或化学性质变化,将湿度转化成有用信号的器件。理想的湿敏传感器的特性要求是,适合于在宽温、湿范围内使用,测量精度要高;使用寿命长,稳定性好;响应速度快,湿滞回差小,重现性好;灵敏度高,线形好,温度系数小;制造工艺简单,易于批量生产,转换电路简单,成本低;抗腐蚀,耐低温和高温特性等。

传感器的定义及分类(精)

传感器的定义及分类 一、传感器的定义 信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展,都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强,作为信息采集系统的前端单元,传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件,作为系统中的一个结构组成,其重要性变得越来越明显。 最广义地来说,传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC:International Electrotechnical Committee)的定义为:“传感器是测量系统中的一种前置部件,它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是:“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”,而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分,它是被测量信号输入的第一道关口。 传感器系统的原则框图示于图1-1,进入传感器的信号幅度是很小的,而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程,首先要将信号整形成具有最佳特性的波形,有时还需要将信号线性化,该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下,这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号,并输入到微处理器。 德国和俄罗斯学者认为传感器应是由二部分组成的,即直接感知被测量信号的敏感元件部分和初始处理信号的电路部分。按这种理解,传感器还包含了信号成形器的电路部分。 传感器系统的性能主要取决于传感器,传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。有两类传感器:有源的和无源的。有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种,不需要外接的能源或激励源(参阅图1-2(a))。 有源(a)和无源(b)传感器的信号流程 无源传感器不能直接转换能量形式,但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能 传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体,而它们的状态可以是静态的,也可以是动态(即过程)的。对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。对象的特性可以是物理性质的,也可以是化学性质的。按照其工作原理,传感器将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量,然后将此电信号分离出来,送入传感器系统加以评测或标示。 各种物理效应和工作机理被用于制作不同功能的传感器。传感器可以直接接触被测量对象,也可以不接触。用于传感器的工作机制和效应类型不断增加,其包含的处理过程日益完善。 常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟: 光敏传感器——视觉声敏传感器——听觉 气敏传感器——嗅觉化学传感器——味觉 压敏、温敏、流体传感器——触觉

化学传感器的原理及应用

化学传感器的原理及应用 一.化学传感器定义 能将各种化学物质的特性(如气体,离子,电解质浓度,空气湿度等)等的变化定性的或定量的地转换成电信号的传感器称为化学传感器。 二·化学传感器的分类 化学传感器包括电化学传感器、光化学传感器、质量化学传感器和热化学传感器。根据转换的电信号种类不同,可将电化学传感器分为电流型化学传感器、电位型化学传感器和电阻型化学传感器。以下介绍气敏传感器,湿敏传感器,离子敏传感器 (1)气敏传感器 气敏传感器是一种基于声表面波器件波速和频率随外界环境的变化而发生漂移的原理制作而成的一种新型的传感器。气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等,其中用的最多的是半导体气敏传感器。它的应用主要有:一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂(R11、R12)的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。 1)气敏传感器的主要参数及特性 ⏹灵敏度:对气体的敏感程度 ⏹响应时间:对被测气体浓度的响应速度 ⏹选择性:指在多种气体共存的条件下,气敏元件区分气体种类的能力 ⏹稳定性:当被测气体浓度不变时,若其他条件发生改变,在规定的时间内 气敏元件输出特性保持不变的能力 ⏹温度特性:气敏元件灵敏度随温度变化而变化的特性 ⏹湿度特性:气敏元件灵敏度随环境湿度变化而变化的特性 ⏹电源电压特性:指气敏元件灵敏度随电源电压变化而变化的特性 ⏹时效性与互换性:反映元件气敏特性稳定程度的时间,就是时效性;同一 型号元件之间气敏特性的一致性,反映了其互换性 2)气敏感器原理及分类 气敏半导体材料的导电机理

气敏传感器工作原理及应用

气敏传感器工作原理及应用 气敏传感器是一种能够感知气体浓度变化并将其转化为电信号的传感器。它是通过一种特别的物理或化学反应来实现的,当特定气体分子接触到传感器的感应层时,会产生化学反应或物理性质的变化,这种变化可以被传感器检测到并转化为电信号输出。 一般来说,气敏传感器可以分为两大类:基于电阻变化的传感器和基于电容变化的传感器。 基于电阻变化的传感器中最常见的是金属氧化物半导体传感器(MOS)。这类传感器的感应层由一种或多种金属氧化物组成,当目标气体与感应层接触时,其电阻值会发生变化,这种变化与目标气体浓度呈正相关。例如,常用的氧气传感器就是利用金属氧化物感应层的电阻值变化来检测氧气浓度的。 基于电容变化的气敏传感器则是通过感应层与探测电极之间的电容变化来检测气体浓度的。当目标气体接触到感应层时,感应层的电容值会发生变化,这种变化可以由传感器测量电路检测到并转化为电信号输出。 气敏传感器广泛应用于许多领域,以下是一些常见的应用示例: 1.空气质量监测:气敏传感器可以用于监测室内和室外空气中的有害气体浓度,如CO2、CO、甲醛等,用于提醒人们做好防护措施,保障健康。

2.工业安全监测:在工业生产中,许多化学物质具有毒性或易燃性,气敏传感器可以用于检测这些气体浓度,及时发现异常情况并采取相应措施,确保工作环境的安全。 3.火灾报警系统:气敏传感器可以用于检测火灾产生的有害气体,如烟雾、一氧化碳等,一旦检测到异常浓度,可以及时发出警报并采取紧急措施。 4.环境污染监测:气敏传感器可以用于监测大气中的有害气体浓度,如二氧化硫、氮氧化物等,帮助评估环境污染程度和制定相应防治措施。 5.智能家居:气敏传感器可以用于检测厨房或浴室中的有害气体,如煤气泄漏、液化气泄漏等,及时发出警报并切断气源,避免潜在的安全隐患。 总结起来,气敏传感器通过感应层与目标气体的相互作用来感知气体浓度变化,具有灵敏度高、响应速度快等特点,可广泛应用于环境监测、工业安全、火灾报警等领域,起到保护生命和财产安全的重要作用。随着技术的不断发展,气敏传感器的应用领域还将进一步扩展和提升。

气敏传感器工作原理

气敏传感器工作原理 气敏传感器是一种能够检测环境中气体浓度的传感器,它可以通过测量气体浓度的变化来判断环境的污染程度或者监测特定气体的含量。气敏传感器的工作原理主要有两种:电阻型和电化学型。 电阻型气敏传感器是利用气体与传感器表面上的活性材料发生化学反应,产生一定的能量来改变传感器的电阻值。常见的活性材料有颗粒状氧化锡、氧化锰、氧化铜等。当特定气体分子与这些活性材料发生反应时,会改变材料的导电性能,从而产生相应电阻值的变化。传感器通过测量电阻值的变化来判断环境中特定气体的浓度。 电化学型气敏传感器是利用特定的电化学反应来检测气体浓度。它通常由一个工作电极和一个参比电极组成,两个电极之间通过电解质连接。当待测气体进入传感器时,会在工作电极上发生氧化还原反应,产生一定的电流。电流的大小和气体浓度成正比。工作电极上的电流会经过放大和转换,最后被测量和记录。常见的电化学反应有氧化邻二氮杂菲反应、还原性氧化铜反应等。 无论是电阻型气敏传感器还是电化学型气敏传感器,在进行测量前都需要一个恒温控制系统来保持传感器的工作温度恒定。因为传感材料的活性和响应速度与温度密切相关。传感器的工作温度通常在室温到几百摄氏度之间。 气敏传感器广泛应用于环境监测、工业生产、医疗卫生等领域。

它可以检测一氧化碳、二氧化碳、氨气、硫化氢等有害气体的浓度,用于判断环境的危险程度。同时,气敏传感器也可以用于监测空气中的氧气浓度,广泛应用于医疗设备和氧气发生器等领域。 总结起来,气敏传感器是一种通过测量气体浓度的变化来判断环境污染程度或特定气体含量的传感器。它的工作原理主要分为电阻型和电化学型。电阻型传感器通过测量氧化物的电阻值变化来检测气体浓度,而电化学型传感器则通过特定的电化学反应来测量气体浓度。无论是哪种类型的传感器,都需要配备恒温控制系统来保持传感器的工作温度。气敏传感器在环境监测、工业生产、医疗卫生等领域得到广泛应用。

气敏传感器的分类

气敏传感器的分类 气敏传感器是一种常用的传感器,用于测量气体浓度和其他气体特性。气敏传感器根 据其感知材料类型和传感器结构可以分成多种类型。 一、基于感知材料分类 1.半导体气敏传感器 半导体气敏传感器的感知材料是一种硫化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)、钨三氧化物(WO3) 等半导体材料。在气体进入传感器后,半导体材料表面的电子结构会产生变化,导致电阻 率发生变化,从而实现测量气体浓度的目的。半导体气敏传感器体积小、响应速度快、能 耗低、价格相对较低。 2.电化学气敏传感器 电化学气敏传感器的感知材料通常是一种贵金属或其合金,如白金、铂铑合金等,其 原理是将气体与电解液接触后,气体分为氧化或还原的反应,被感知材料所吸收或反应。 这种传感器具有高灵敏度和高选择性,但价格相对较高,且需要在特定的环境中使用。 光学气敏传感器的感知材料是一种可以与气体反应的荧光分子,当气体进入传感器后,荧光分子会产生变化,从而导致光学信号的变化,通过检测光学信号的变化可以实现气体 浓度的测量。这种传感器具有高灵敏度和高选择性,但价格相对较高。 二、基于传感器结构分类 红外型气敏传感器是一种基于红外吸收原理的传感器,它可以测量气体的分子结构。 当气体进入传感器后,红外光源发出红外光束,气体会吸收其中的特定波长,通过检测红 外光束的强度变化可以实现气体浓度的测量。 电容型气敏传感器是一种将电容作为感知元件的传感器。当气体进入传感器后,感知 元件所在区域的介电常数会发生变化,从而导致电容值发生变化,通过检测电容值的变化 可以实现气体浓度的测量。 总之,气敏传感器可以根据其感知材料类型、传感器结构等多方面的因素进行分类。 不同类型的气敏传感器在其应用领域和技术特点方面有所不同,具体的使用需要根据实际 需求进行选择。

简述气敏传感器及其用途

简述气敏传感器及其用途 气敏传感器是一种能够检测气体浓度变化的传感器,广泛应用于 环境监测、安全预警、工业生产等领域。它可以通过感知气体浓度的 变化,将其转化成电信号并输出,以实现对环境中有害气体的监测和 控制。 气敏传感器的工作原理基于半导体材料的特性。当环境中的气体 进入传感器,它会与传感器表面的活性材料发生化学反应。这些反应 会改变传感器的电导率,并产生一个电信号。通过测量电信号的变化,可以确定气体浓度的变化。 气敏传感器的用途非常广泛。在环境监测方面,它可以用于检测 空气中的有害气体,如甲醛、二氧化碳等。通过监测这些有害气体的 浓度,可以及时采取措施来改善室内空气质量,保障人们的健康。同时,在工业生产中,气敏传感器可以用于监测化学品的泄漏情况,及 时预警并防止事故的发生。 在安全预警方面,气敏传感器可以用于火灾预警系统中。传感器 可以检测到烟雾中的有害气体,如一氧化碳等,并发出警报以提醒人 们注意火灾风险。此外,在汽车生产中,气敏传感器也扮演着重要的 角色。它可以监测汽车尾气中的有害气体排放,以促进环保和减少空 气污染。 为了更好地应用气敏传感器,我们需要注意以下几点。首先,选 择合适的传感器类型。根据需要检测的气体种类和工作环境确定传感

器的类型和特性。其次,合理安装和校准传感器。将传感器安装在合 适的位置,并进行定期校准,以确保其准确性和可靠性。此外,及时 维护和更换传感器也是保证传感器工作正常的关键。 总之,气敏传感器是一项重要的技术创新,广泛应用于环境监测、安全预警和工业生产等领域。通过使用气敏传感器,我们可以更好地 保护环境、预防事故并提高生产效率。因此,我们应该加强对气敏传 感器的研究和应用,为社会的可持续发展做出贡献。

气敏传感器用途

气敏传感器用途 气敏传感器是一种能够感知气体浓度的传感器,它可以将气体的浓度转化为电信号输出。气敏传感器的用途非常广泛,下面将从以下几个方面介绍气敏传感器的用途。 1. 空气质量监测 气敏传感器可以用于监测室内和室外的空气质量。在室内,气敏传感器可以监测有害气体的浓度,如甲醛、苯等有害物质的浓度,以保障人们的健康。在室外,气敏传感器可以监测环境中的污染气体的浓度,如二氧化硫、氮氧化物等,以评估空气质量,并为环境保护部门提供数据支持。 2. 工业安全监测 气敏传感器可以用于工业场所的安全监测。在化工厂、煤矿等危险场所,气敏传感器可以监测可燃气体的浓度,如甲烷、乙炔等,及时发现并预警潜在的爆炸危险。同时,气敏传感器也可以监测有毒气体的浓度,如硫化氢、氰化氢等,以保障工人的生命安全。 3. 智能家居 气敏传感器可以应用于智能家居系统中,实现对家庭环境的监测和控制。通过安装气敏传感器,可以实时监测室内空气中的有害气体浓度,如一氧化碳、烟雾等,当浓度超过安全阈值时,系统可以自动报警并采取相应的措施,如打开新风系统、关闭燃气阀门等,以

保障家人的安全。 4. 智慧城市建设 气敏传感器可以用于智慧城市建设中的环境监测。通过在城市各个角落安装气敏传感器,可以实时监测环境中的有害气体浓度,并将数据传输到中心控制系统,以实现对城市空气质量的动态监测和评估。这些数据可以用于城市规划和环境政策的制定,以改善城市居民的生活质量。 5. 农业温室控制 气敏传感器可以应用于农业温室中,实现对温室环境的监测和控制。通过安装气敏传感器,可以实时监测温室内的二氧化碳浓度、湿度等参数,并根据监测到的数据调节温室的通风、加湿等系统,以提供最适宜的生长环境,提高农作物的产量和质量。 总结: 气敏传感器的用途非常广泛,主要包括空气质量监测、工业安全监测、智能家居、智慧城市建设和农业温室控制等领域。随着技术的不断进步,气敏传感器的应用将会越来越广泛,为人们的生活和工作带来更多的便利和安全。

湿度传感器原理及其应用

湿度传感器的原理及其应用 随着时代的发展,科研、农业、暖通、纺织、机房、航空航天、电力等工业部门,越来越需要采用湿度传感器,对产品质量的要求越业越高,对环境温、湿度的控制以及对工业材料水份值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一。湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业。如何使用好湿度传感器,如何判断湿度传感器的性能,这对一般用户来讲,仍是一件较为复杂的技术问题。 一、湿度传感器的分类及感湿特点 湿度传感器,分为电阻式与电容式两种,产品的基本形式都为在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后,元件的阻抗、介质常数发生很大的变化,从而制成湿敏元件。 国内外各厂家的湿度传感器产品水平不一,质量价格都相差较大,用户如何选择性能价格比最优的理想产品确有一定难度,需要在这方面作深入的了解。湿度传感器具有如下特点: 1、精度与长期稳定性 湿度传感器的精度应达到±2%~±5%RH,达不到这个水平很难作为计量器具使用,湿度传感器要达到 ±2%~±3%RH的精度是比较困难的,通常产品资料中给出的特性是在常温(20℃±10℃)与洁净的气体中测量的。在

实际使用中,由于尘土、油污及有害气体的影响,使用时间一长,会产生老化,精度下降,湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断,一般说来,长期稳定性与使用寿命是影响湿度传感器质量的头等问题,年漂移量控制在1%RH 水平的产品很少,一般都在±2%左右,甚至更高。 2、湿度传感器的温度系数 湿敏元件除对环境湿度敏感外,对温度亦十分敏感,其温度系数一般0.2~0.8%RH/℃范围内,而且有的湿敏元件在不同的相对湿度下,其温度系数又有差别。温漂非线性,这需要在电路上加温度补偿式。采用单片机软件补偿,或无温度补偿的湿度传感器是保证不了全温范围的精度的,湿度传感器温漂曲线的线性化直接影响到补偿的效果,非线性的温漂往往补偿不出较好的效果,只有采用硬件温度跟随性补偿才会获得真实的补偿效果。湿度传感器工作的温度范围也是重要参数。多数湿敏元件难以在40℃以上正常工作。 3、湿度传感器的供电 金属氧化物陶瓷,高分子聚合物与氯化锂等湿敏材料施加直流电压时,会导致性能变化,甚至失效,所以这类湿度传感器不能用直流电压或有直流成份的交流电压。必须是交流电供电。 4、互换性 目前,湿度传感器普遍存在着互换性差的现象,同一型

气湿敏传感器实验

实验三十二气敏传感器实验 一、实验目的: 了解气敏传感器原理及应用。 二、实验仪器: 气敏传感器、酒精、棉球(自备)、差动变压器实验模块 三、实验原理: 本实验所采用的SnO2(氧化锡)半导体气敏传感器属电阻型气敏元件;它是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化:若气浓度发生,则阻值发生变化,根据这一特性,可以从阻值的变化得知,吸附气体的种类和浓度。 四、实验内容与步骤: 1.将气敏传感器夹持在差动变压器实验模板上传感器固定支架上。 2.按图32-1接线,将气敏传感器,接线端红色接+5V加热电压,黑色接地;电压输出选择±10V,黄色线接+10V电压、蓝色线接Rw1上端。 3.将±15V直流稳压电源接入差动变压器实验模块中。差动变压器实验模块的输出Uo 接主控台直流电压表。打开主控台总电源,预热5分钟。 4.用浸透酒精的小棉球,靠近传感器,并吹2次气,使酒精挥发进入传感器金属网内,观察电压表读数变化。 图32-1 五、实验报告 1.酒精检测报警,常用于交通片警检查有否酒后开车,若要这样一种传感器还需考虑哪些环节与因素? 实验三十三湿敏传感器实验 一、实验目的: 了解湿敏传感器的原理及应用范围。

二、实验仪器: 湿敏传感器、湿敏座、干燥剂、棉球(自备)。 三、实验原理: 湿度是指大气中水份的含量,通常采用绝对湿度和相对湿度两种方法表示,湿度是指单位窨体积中所含水蒸汽的含量或浓度,用符号AH表示,相对湿度是指被测气体中的水蒸汽压和该气体在相同温度下饱和水蒸汽压的百分比,用符号%RH表示。湿度给出大气的潮湿程度,因此它是一个无量纲的值。实验使用中多用相对湿度概念。湿敏传感器种类较多,根据水分子易于吸附在固体表面渗透到固体内部的这种特性(称水分子亲和力),湿敏传感器可以分为水分子亲和力型和非水分子亲和力型,本实验所采用的属水分子亲和力型中的高分子材料湿敏元件。高分子电容式湿敏元件是利用元件的电容值随湿度变化的原理。具有感湿功能的高分子聚合物,例如,乙酸-丁酸纤维素和乙酸-丙酸比纤维素等,做成薄膜,它们具有迅速吸湿和脱湿的能力,感湿薄膜覆在金箔电极(下电极)上,然后在感湿薄膜上再镀一层多孔金属膜(上电极),这样形成的一个平行板电容器就可以通过测量电容的变化来感觉空气湿度的变化。 四、实验内容与步骤 1.湿敏传感器实验装置如图33-1所示,红色接线端接+5V电源,黑色接线端接地,蓝色接线端和黑色接线端分别接频率/转速表输入端。频率/转速表选择频率档。记下此时频率/转速表的读数。 2.将湿棉球放入湿敏腔内。并插上湿敏传感器探头,观察频率/转速表的变化。 3.取出湿纱布,待数显表示值下降回复到原示值时,在干湿腔内被放入部分干燥剂,同样将湿度传感器置于湿敏腔孔上,观察数显表头读数变化。 五、实验报告 1.输出频率f与相对湿度RH值对应如下,参考下表,计算以上三中状态下空气相对湿度。 RH(%)0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Fre(Hz)7351 7224 7100 6976 6853 6728 6600 6468 6330 6186 6033 图33-1

第三章__气敏[2]

第三章 气敏、湿敏电阻传感器 第一节气敏电阻传感器的原理及结构 工业、科研、生活、医疗、农业等许多领域都需要测量环境中某些气体的成分、浓度。例如,煤矿中瓦斯气体浓度超过极限值时,有可能发生爆炸;家庭发生煤气泄漏时,将发生煤气中毒事件;农业塑料大棚中CO 2浓度不足时,农作物将减产;锅炉和汽车发动机汽缸燃烧过程中氧气含量不正确时,效率将降低,并造成环境污染。 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,再转换成电流、电压信号。 一、气敏电阻的构成 气敏电阻的材料是金属氧化物,制作上通过化学计量比的偏离的杂质缺陷制成的。金属氧化物半导体分为N 型半导体(如2SnO 、23Fe O 等)和P 型半导体(如O C O 、PbO )等。为了提高某种气敏电阻对某些气体成分的选择性和灵敏度,合成这些材料时,还掺入催化剂,如钯Pd 、铂Pt 等。 二、气敏电阻的原理及特性 金属氧化物在常温下是绝缘体,制成半导体后却显示气敏特性,其机理是比较复杂的。但是,这种气敏元件接触气体时,由于表面吸附气体,致使它的电阻率发生明显的变化却是肯定的。这种对气体的吸附可分为物理吸附和化学吸附。在常温下主要是物理吸附,是气体与气敏材料表面上分子的吸附,它们之间没有电子交换,不形成化学键。若气敏电阻温度升高,化学吸附增加,在某一温度时达到最大值。化学吸附是气体与气敏材料表面建立离子吸附,它们之间有电子的交换,存在化学键力。若气敏电阻的温度再升高,由于解吸作用,两种吸附同时减小。例如,用氧化锡(S n O 2)制成的气敏电阻,在常温下吸附某种气体后,其电阻率变化不大,表明此时是物理吸附。若保持这种气体浓度不变,该元件的电导率随元件本身温度的升高而增加,尤其在100~300℃范围内电导率变化很大,表明此温度范围内化学吸附作用大。 气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多。为此,气敏元件在结构上要有加热器,通常用电阻丝加热,如图3-1所示。 氧化锡(S n O 2)、氧化锌(ZnO )材料气敏元件输出电压与温度的关系曲线如图3-2示。 图2-1 气敏元件两对电极 2-2 输出电压与温度关系 1、2—加热电极 3、4—气敏电阻的一对电极

传感器 第9章 气、湿敏传感器

第9章 气、湿敏传感器 • 气敏、湿敏传感器是利用物质的物理效应和化学效应对气体中的某些成分或水汽进行检测的器件。 • 检测气体的成分或水汽的湿度,用得最多的是半导体气敏传感器和半导体湿敏传感器。 9.1 气敏传感器 9.1.1 半导体气敏元件的分类及必备条件 • 利用半导体与某些气体接触时,其特性发生变化这一规律来检测气体的成分 或浓度的传感器。 • 按照其与气体的相互作用主要是局限于半导体外表,还是涉及到内部,分为: 外表控制型; 体控制型。 按照半导体变化的物理特性: 电阻式; 非电阻式。 • 电阻式半导体气敏元件是利用半导体接触到气体时其阻值的改变来检测气体的浓度; • 非电阻式半导体气敏元件那么是根据气体的吸附和反响,使其某些关系特性发生变化,来对气体进行直接或间接的检测。 • 气敏元件至少都必须具备如下条件: ① 对气体的敏感现象是可逆的; ② 单位浓度的信号变化量大; ③ 能检测出的下限浓度低; ④ 响应重复特性良好; ⑤ 选择性好,即对与被测气体共存的其它气体不敏感; ⑥ 对周围环境(如温度、湿度)的依赖性小; ⑦ 性能长期稳定,结构比拟简单。 9.1.2 外表控制型电阻式半导体气敏元件 • 这种类型的气敏元件是利用半导体外表因吸附气体引起电阻阻值变化的元件,主要用于检测可燃性气体。它具有气体检测灵敏度较高、响应速度快等优点。 气敏元件的材料 多数采用氧化锡和氧化锌等较难复原的氧化物。为提高气体的选择性,一般都掺有少量的贵金属(如铂等)作催化剂。 1.结构 通常主要由三局部组成: ① 气体敏感元件; ② 对敏感元件进行加热的加热器; ③ 支持上述部件的封装局部。 以多孔质烧结体型气敏元件为例 烧结型2SnO 气敏元件是以多孔质陶瓷2SnO 为基材(粒度在1μm 以下),添加不同物质,采用传统制陶方法,进行烧结。烧结时埋入测量电极和加热丝,制成管芯,最后将电极和加热丝引线焊在管座上,并罩覆于二层不锈钢网中而制成元件。这种元件主要用于检测复原性气体、可燃

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