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1、第7章 气体成分、湿度的检测传感器与自动检测技术刘丽 主编第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测 本本 章章 小小 结结7.37.3粮食湿度检测器的制作与调试粮食湿度检测器的制作与调试7.2 7.2 湿度检测湿度检测7.1 7.1 气敏传感器测量气体成分气敏传感器测量气体成分第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测7.1 气敏传感器测量气体成分气敏传感器测量气体成分表7-1按工作原理列出几种常用的气敏传感器类 型原 理检测对象特 点半导体式电阻型半导体接触气体时，其阻值的改变来检测气体的成分或浓度还原性气体、易燃或可燃性液体蒸汽等灵敏度高、响应时间和恢复时间短、使
2、用寿命长、成本低、但输出与气体浓度不成比例，非电阻型对气体的吸附和反应，使其某些有关特性变化对气体进行直接间接检测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由于红外
3、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，装置大，价格高7.1 气敏传感器测量气体成分气敏传感器测量气体成分 7.1.1气体成分检测的主要方法及特点气体成分检测的主要方法及特点第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测7.1 气敏传感器测量气体成分气敏传感器测量气体成分7.1.2半导体气敏传感器 半导体气敏传感器是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的。 半导体式气敏传感器可分为电阻式和非电阻式两类。 第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测7.1 气敏传感器测量气体成分气敏传感器测量气体成分1
4、.电阻式半导体气敏传感器（1）工作原理 电阻式半导体气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰等金属氧化物制成敏感元件. 为了提高某种气敏元件对某些气体成分的选择性和灵敏度，合成材料有时还渗入了催化剂，如钯、铂、银等。当它们吸收了可燃气体的烟雾，如氢、一氧化碳、烷、醚、醇、苯以及天然气、沼气等时，电阻发生变化。利用半导体材料的这种特性，将气体的成分和浓度变换成电信号，进行监测和报警。第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测7.1 气敏传感器测量气体成分气敏传感器测量气体成分（2）电阻型半导体气敏传感器的结构 电阻型半导体气敏传感器(气敏电阻)通常由气敏元件、加热器和封装体等
5、三部分组成。从制造工艺上可分为烧结型、薄膜型和厚膜型三类。烧结型气敏器件 烧结型气敏器件是以加掺杂剂（如Pt、Pb等）的半导体材料（如SnO2、ZnO等）为基体，将铂电极和加热丝埋入SnO2材料中，经加温、加压，利用700900的制陶工艺烧结成形。最后将加热丝和电极焊在管座上，加上特制外壳就构成器件。目前最常用的是氧化锡烧结型气敏元件 烧结型气敏器件按照加热方式可分为直热式和旁热式两种。图7-3 直热式气敏器件的结构与符号图7-4 旁热式气敏器件的结构与符号第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测7.1 气敏传感器测量气体成分气敏传感器测量气体成分薄膜型气敏元件 薄膜型气敏元件采
6、用蒸发或溅射方法在石英基片上形成一薄层氧化物半导体薄膜（其厚度约在100nm以下)。实验测定，证明SnO2和ZnO薄膜的气敏特性最好。薄膜型气敏元件灵敏度高、响应迅速、机械强度高、互换性好、产量高、成本低等，但这种薄膜为物理性附着系统，器件之间的性能差异仍较大。 第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测7.1 气敏传感器测量气体成分气敏传感器测量气体成分厚膜型气敏器件 厚膜型气敏器件是将SnO2和ZnO等材料与315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或氧化硅等绝缘基片上，在400800高温下烧结12小时制成，其结构原理如图7-6所示。由于这
7、种工艺制成的元件离散性小、机械强度高，适合大批量生产，是一种有前途的器件。 第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测7.1 气敏传感器测量气体成分气敏传感器测量气体成分（3）电阻式半导体气敏元件的基本特性气敏元件的电阻值 气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值称为气敏元件的电阻值，一般在103105范围。气敏元件的灵敏度 气敏元件的灵敏度表示气体敏感元件的电参量与被测气体浓度之间的关系。它是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。SnO2的灵敏度特性如图7-7所示。 气敏元件的分辨率 表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制能力。气敏元件的响应时间 在工作温度下，从
8、气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始，到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的63时为止，所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间。半导体气敏器件的响应时间一般不超过1min。气敏元件的加热电阻和加热功率 气敏元件一般工作在200以上高温。为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻称为加热电阻。直热式的加热电阻值一般小于5；旁热式的加热电阻大于20。气敏元件正常工作所需的加热电路功率，称为加热功率，一般在(0.52.0)W范围。气敏元件的恢复时间 在工作温度下，从气敏元件脱离被测气体时开始，直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值的63时所需时间。洁净空气中电压 在最佳工作条件下，气
9、敏器件在洁净空气中负载电阻RL上的电压降的稳定值。 标定气体中电压 在最佳的工作条件下，气敏器件在标定气体中负载电阻RL上的电压降的稳定值。第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测7.1 气敏传感器测量气体成分气敏传感器测量气体成分（4）气敏元件的基本测量电路 气敏元件的基本测量电路如图，它包括加热回路和测试回路。（5）气敏元件的使用方法 器件在开始工作时，需预热几分钟，其电导率稳定下来，这时方可正常工作；回路电压、取样电阻应根据电路的需要，在允许工作条件内选取；要避免油侵和油垢污染，长期使用防止灰尘堵住不锈钢丝网；不要长期在腐蚀性气氛中工作；长期停用，器件应放在密封袋中或在干燥
10、、通风、洁净的气氛中。第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测7.1 气敏传感器测量气体成分气敏传感器测量气体成分2.非电阻型气敏器件 非电阻型主要有结型和MOSFET型两种。 结型气敏传感器件（气敏二极管）是利用气体改变二极管的整流特性来工作的。它的原理是：贵金属Pd对氢气具有选择性，它与半导体接触形成接触势垒。当二极管加正向偏压时，从半导体流向金属的电了将增加，因此正向是导通的；当加负向偏压时，载流子基本没变化，这是肖特基二极管的整流特性。检测气体时，由于对氢气的吸附作用，贵金属的功函数改变，接触势垒减弱，导致载流子增多，正向电流增加，二极管的整流特性曲线会发生左移。因此，通
11、过测量二极管的正向电流可以检测氢气的浓度。 气敏二极管的特性曲线左移可以看作二极管导通电压发生改变，这一特性如果发生在场效应管的栅极，将使场效应管的阈值电压UT改变。利用这一原理可以制成MOSFET型气敏器件。 氢气敏MOSFET是种最典型的气敏器件，它用金属钯制成钯栅，检测氢气时，由于钯的催化作用，氢气分子分解成氢原子扩散到钯与二氧化硅的界面，最终导致MOSFET的阈值电压发生变化，可以检测氢气的浓度。第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测7.1 气敏传感器测量气体成分气敏传感器测量气体成分7.1.3半导体气敏传感器的应用1.煤气报警器 第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体
12、成分、湿度的检测7.1 气敏传感器测量气体成分气敏传感器测量气体成分2.酒精测试仪酒精测试仪第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测7.1 气敏传感器测量气体成分气敏传感器测量气体成分3一氧化碳报警器一氧化碳报警器第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测7.2 湿度检测湿度检测7.2 湿度检测湿度检测7.2.1湿度检测的主要方法及特点湿度检测的主要方法及特点1.湿度的表示方法湿度的表示方法 湿度是表示空气中水蒸气含量的物理量，常用湿度是表示空气中水蒸气含量的物理量，常用绝对湿绝对湿度、相对湿度、露点度、相对湿度、露点等表示。等表示。 绝对湿度：单位体积空气内所含水蒸
13、气的质量，即一立方绝对湿度：单位体积空气内所含水蒸气的质量，即一立方米空气中所含水蒸气的克数。米空气中所含水蒸气的克数。 相对湿度：待测空气中实际所含的水蒸气分压与相同温相对湿度：待测空气中实际所含的水蒸气分压与相同温度下饱和水蒸气压比值的百分数。度下饱和水蒸气压比值的百分数。 露点：当空气温度下降到某一温度时，空气中的水蒸气压露点：当空气温度下降到某一温度时，空气中的水蒸气压与同温度下水的饱和水蒸气压相等，此时，空气中的水蒸与同温度下水的饱和水蒸气压相等，此时，空气中的水蒸气将向液相转化而凝结成露珠，相对湿度为气将向液相转化而凝结成露珠，相对湿度为100RH。该。该温度称为空气的露点温度，简
14、称露点。温度称为空气的露点温度，简称露点。 第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测7.2 湿度检测湿度检测2. 湿度传感器的分类湿度传感器的分类湿度传感器就是一种能将被测环境湿度转换成电信号的器件。湿度传感器就是一种能将被测环境湿度转换成电信号的器件。 水分子亲和力型水分子亲和力型非水分子亲和力型非水分子亲和力型 按感湿元件材料分：按感湿元件材料分： 电解质型电解质型 半导体陶瓷型半导体陶瓷型 高分子型高分子型 单晶半导体型单晶半导体型 湿湿度度传传感感器器 按湿敏元件水分子亲和力分：按湿敏元件水分子亲和力分：第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测7.2 湿度检
15、测湿度检测7.2.2 常见的湿度传感器常见的湿度传感器1. 电解质湿度传感器电解质湿度传感器 利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的湿敏元件。最常用的是电解质氯化锂。湿敏元件。最常用的是电解质氯化锂。 氯化锂湿敏元件由引线、基片、感湿层与电极组成。氯化锂湿敏元件由引线、基片、感湿层与电极组成。 第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测7.2 湿度检测湿度检测 溶液的当量电导随着溶液浓度的增高而下降。 当溶液置于一定温湿场中，若环境相对湿度高，溶液将吸收水分使浓度降低；反之，环境的相对湿度低，则溶液的浓度高。 氯化锂湿敏元件的电
16、阻值将随环境相对湿度的改变而变化，从而实现对湿度的测量。 在50%80%相对湿度范围内，电阻与湿度的变化成线性关系。 为了扩大湿度测量的线性范围，可以将多个氯化锂含量不同的器件组合使用，就可自动地转换完成整个湿度范围的湿度测量。 第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测7.2 湿度检测湿度检测2. 高分子材料湿敏传感器高分子材料湿敏传感器 高分子材料湿敏传感器是利用有机高分子材料的吸湿性能制成的高分子材料湿敏传感器是利用有机高分子材料的吸湿性能制成的湿敏元件。吸湿后介电常数发生明显变化，可做成电容式湿敏元件；湿敏元件。吸湿后介电常数发生明显变化，可做成电容式湿敏元件；吸湿后电阻值
17、改变的高分子材料，可做成电阻式湿敏元件。吸湿后电阻值改变的高分子材料，可做成电阻式湿敏元件。(1)高分子薄膜电解质电容式高分子薄膜电解质电容式 （2）高分子薄膜电阻式）高分子薄膜电阻式第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测7.2 湿度检测湿度检测3. 半导体陶瓷湿度传感器半导体陶瓷湿度传感器 利用半导体陶瓷传感器材料制成的陶瓷湿度传感器，按其制作工艺可分利用半导体陶瓷传感器材料制成的陶瓷湿度传感器，按其制作工艺可分为为涂覆膜型、烧结体型、薄膜型、MOS型，最常见的是烧结体型。，最常见的是烧结体型。 烧结体型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。烧结体型通常
18、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。陶瓷烧结体微结晶表面对水分子进行吸湿或脱湿时，引起电极间电阻值随相陶瓷烧结体微结晶表面对水分子进行吸湿或脱湿时，引起电极间电阻值随相对湿度变化，从而湿度信息转化为电信号。烧结型典型产品是对湿度变化，从而湿度信息转化为电信号。烧结型典型产品是MgCr2O4-TiO2、ZnO-Cr2O3等陶瓷湿敏元件。等陶瓷湿敏元件。 涂覆膜型湿度敏感元件是把感湿粉料涂覆膜型湿度敏感元件是把感湿粉料(金属氧化物金属氧化物)调浆，涂覆在已制好的梳调浆，涂覆在已制好的梳状电极或平行电极的滑石瓷、氧化铝或玻璃等基板上。状电极或平行电极的滑石瓷、氧化铝或玻璃等基板上
19、。Fe3O4、Al2O3等湿等湿敏元件均属此类，其中比较典型的性能较好的是敏元件均属此类，其中比较典型的性能较好的是Fe3O4湿敏元件。湿敏元件。 薄膜型湿度传感器利用金属氧化物的强吸湿件制成电容器件，薄膜型陶瓷湿薄膜型湿度传感器利用金属氧化物的强吸湿件制成电容器件，薄膜型陶瓷湿度件感器采用平行板制成平板电容，上下两层是金属电极，中间是感湿薄膜。度件感器采用平行板制成平板电容，上下两层是金属电极，中间是感湿薄膜。电极为多孔结构，厚度只有几百埃，可以保证水汽自由进出。这种结构的湿电极为多孔结构，厚度只有几百埃，可以保证水汽自由进出。这种结构的湿敏元件兼有电容、电阻随湿度变化两种感湿性能。常用的金
20、属氧化物材料是敏元件兼有电容、电阻随湿度变化两种感湿性能。常用的金属氧化物材料是Al2O3和和Ta2O5薄膜型湿度传感器。薄膜型湿度传感器。第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测7.2 湿度检测湿度检测（1）MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器陶瓷湿度传感器MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器结构MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器电阻-湿度特性（2）ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件陶瓷湿敏元件 ZnO-Cr2O3湿敏传感器的结构第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测7.2 湿度检测湿度检测（3）四氧化三铁（）四氧化三铁（Fe3O4）湿敏器件）湿敏器件Fe3
21、O4湿敏器件构造Fe3O4湿敏器件的湿度特性 Fe3O4湿敏器件的响应时间分析：湿度检测时，如何解决脱湿分析：湿度检测时，如何解决脱湿过程时间较长的问题？过程时间较长的问题？第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测7.2 湿度检测湿度检测7.2.3湿度传感器的特性参数湿度传感器的特性参数湿度传感器主要特性参数有：湿度传感器主要特性参数有：湿度量程湿度量程 感湿特征量灵敏度湿度温度系数响应时间湿滞回线和湿滞回差HS1101型湿度传感器的技术参数(T=25) 第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测7.2 湿度检测湿度检测7.2.4湿度传感器的使用湿度传感器的使用1.
22、湿度传感器的选择湿度传感器的选择（1）测量范围的选择）测量范围的选择 （2）测量精度的选择）测量精度的选择 （3）长期稳定性）长期稳定性2. 湿度传感器的使用湿度传感器的使用（1）供电）供电 金属氧化物陶瓷，高分子聚合物和氯化锂等湿敏材料施加直流电压时，会金属氧化物陶瓷，高分子聚合物和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。份的交流电压。必须是交流电供电。（2）加热清洗）加热清洗 多孔结构的陶瓷元件使用一段时间后，陶瓷表面的污垢容易堵塞毛
23、细孔影多孔结构的陶瓷元件使用一段时间后，陶瓷表面的污垢容易堵塞毛细孔影响元件的感湿性能，加热到响元件的感湿性能，加热到400左右元件可恢复原有的感湿性能。左右元件可恢复原有的感湿性能。（3）湿度传感器的使用环境）湿度传感器的使用环境 湿度传感器是非密封性的，为保护测量的准确度和稳定性，应尽量避免在湿度传感器是非密封性的，为保护测量的准确度和稳定性，应尽量避免在酸性、碱性及含有机溶剂的气氛中使用。也避免在粉尘较大的环境中使用。酸性、碱性及含有机溶剂的气氛中使用。也避免在粉尘较大的环境中使用。为正确反映被测空间的湿度，还应避免将传感器安放在离墙壁太近或空气不为正确反映被测空间的湿度，还应避免将传感
24、器安放在离墙壁太近或空气不流通的死角处。如果被测的房间太大，就应放置多个传感器。流通的死角处。如果被测的房间太大，就应放置多个传感器。第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测7.2 湿度检测湿度检测7.2.5湿度传感器的应用实例湿度传感器的应用实例1. 土壤湿度监测器土壤湿度监测器例：SY.69-AT210土壤湿度传感器 第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测7.2 湿度检测湿度检测2. 湿度控制器湿度控制器YK-34温湿度控制器外形第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测7.2 湿度检测湿度检测7.2.5结露传感器结露传感器 结露传感器用于检测电气
25、中的水蒸汽是否将要结露，它实际上是结露传感器用于检测电气中的水蒸汽是否将要结露，它实际上是一个开关型的湿度传感器，具有开关特性。结露传感器有电阻型和电一个开关型的湿度传感器，具有开关特性。结露传感器有电阻型和电容型两类。容型两类。1.电阻型结露传感器电阻型结露传感器电阻型结露传感器的结构 电阻型结露传感器电阻与相对湿度的特性 第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测7.2 湿度检测湿度检测2.电容型结露传感器电容型结露传感器 电容型结露传感器的结构和电阻型结露传感器相似，电容型结露传感器的结构和电阻型结露传感器相似，只是感湿膜的材料不同。传感器高湿的电容值将比低湿条只是感湿膜的材
26、料不同。传感器高湿的电容值将比低湿条件下的电容值高几百倍。电容型结露传感器电容与相对湿件下的电容值高几百倍。电容型结露传感器电容与相对湿度的特性见图。度的特性见图。 HDS05结露传感器 第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测7.3 粮食湿度检测器的制作与调试7.3 粮食湿度检测器的制作与调试粮食湿度检测器的制作与调试7.3.1电机温控电路的制作目的电机温控电路的制作目的 粮食湿度检测器能快速、直观地检测出粮食的湿度。粮食湿度检测器能快速、直观地检测出粮食的湿度。7.3.2 制作器件制作器件 电容式湿度检测传感器、电容式湿度检测传感器、NE555时基集成电路时基集成电路IC、2
27、CWl4稳压二极稳压二极管、滤波电容器、电阻器和电容器等。管、滤波电容器、电阻器和电容器等。7.3.3 电路制作电路制作 粮食湿度传感器由多谐振荡器、湿度指示电路、电源电路组成，如粮食湿度传感器由多谐振荡器、湿度指示电路、电源电路组成，如图图7-37。7.3.4电路调试电路调试1.使用时，将电压表使用时，将电压表PV的刻度盘上直接刻上湿度的百分数或涂上红、绿的刻度盘上直接刻上湿度的百分数或涂上红、绿色色 (红色表示不合格，绿色表示合格红色表示不合格，绿色表示合格)来指示。来指示。2.调整调整RP的阻值，在湿度检测传感器中末装入粮食时，调节的阻值，在湿度检测传感器中末装入粮食时，调节RP使电压使
28、电压表表PV的指示为的指示为0V。第第7 7章气体成分、湿度的检测章气体成分、湿度的检测 小结小结1气敏传感器就是能够感受环境中某种气体及其浓度并转换成电信号的器件。气敏传感器有半导体式、接触燃烧式、化学反应式、光干涉式、热传导式、红外线吸收散射式等几种类型，其中半导体气敏传感器是目前实际使用最多的气敏传感器。半导体气敏传感器是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的。半导体式气敏传感器可分为电阻式和非电阻式两类。2. 湿度传感器就是一种能将被测环境湿度转换成电信号的器件。湿度传感器基本形式都为利用湿敏材料对水分子的吸附能力或对水分子产生物理效应的方法测量湿度。湿敏元件主要分为水分子亲和力型湿敏元件和非水分子亲和力型湿敏元件两类。利用水分子易于附着并渗透入固体表面的特性制成的湿敏元件称为水分子亲和力型湿敏元件；非亲和力型湿敏元件利用其与水分子接触产生的物理效应来测量湿度。