傳感器應(yīng)用技術(shù)課件：氣敏傳感器和濕敏傳感器

氣敏傳感器和濕敏傳感器第一節(jié)氣敏傳感器氣敏傳感器是一種能夠檢測環(huán)境中某種氣體成分和氣體濃度的一種器件，它能夠?qū)z測到的氣體種類和濃度轉(zhuǎn)換為電信號，從而進行檢測、監(jiān)控和報警。一、氣敏傳感器的分類1.氣敏傳感器的分類氣敏傳感器的種類很多，按照其工作機理不同可分為半導體氣敏傳感器（電阻型和非電阻型）、絕緣體傳感器（接觸燃燒式和電容式）、電化學式（恒電位電解式、伽伐尼電池式）、紅外吸收型等。其中應(yīng)用較為廣泛的是半導體氣敏傳感器和接觸燃燒式氣敏傳感器。二、常見氣敏傳感器的原理半導體氣敏傳感器是利用氣體吸附而使半導體的電導率發(fā)生變化的，利用這一原理進行檢測的常用金屬氧化物半導體主要有SnO2、ZnO、Fe2O3等。1.SnO2氣敏元件（1）SnO2氣敏元件的工作原理SnO2的熔點為1635℃，性能穩(wěn)定，不溶于水，具有金紅石結(jié)構(gòu)，是一種N型半導體。氣敏元件工作時必須加熱，其目的是：加速度被測氣體的吸附、脫出過程，燒去氣敏元件的油垢或污物，起清洗作用；控制不同的加熱溫度，能對不同的被測氣體具有選擇作用。加熱溫度與元件輸出靈敏度有關(guān)，一般200～400℃時靈敏度較高。氣敏元件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)后，在被測氣體接觸元件的表面被吸附后，元件的電阻值就會產(chǎn)生較大的變化。二、常見氣敏傳感器的原理（2）SnO2氣敏元件的結(jié)構(gòu)1）燒結(jié)型SnO2氣敏元件a）芯片結(jié)構(gòu)；b）符號；c）應(yīng)用連接方式直熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號二、常見氣敏傳感器的原理a）管芯結(jié)構(gòu)；b）符號旁熱式氣敏元件結(jié)構(gòu)及符號二、常見氣敏傳感器的原理2）厚膜型SnO2氣敏元件3）薄膜型SnO2氣敏元件

二、常見氣敏傳感器的原理（3）SnO2氣敏元件測量電路SnO2氣敏元件測量電路如圖所示，圖a為直流電源供電，圖b和圖c為交流電源供電。圖a和圖b為旁熱式氣敏電阻電路，圖c為直熱式氣敏電阻電路。SnO2氣敏電子測量電路二、常見氣敏傳感器的原理2.ZnO氣敏元件氧化鋅的物理、化學性能穩(wěn)定，也是N型半導體，具有六方晶系纖鋅礦型和立方晶系NaCl型結(jié)構(gòu)。氣敏元件的工作溫度較高（400～500℃），ZnO氣敏元件也可分為燒結(jié)型、厚膜型和薄膜型三種。（1）燒結(jié)型ZnO氣敏元件燒結(jié)型ZnO氣敏元件的工作原理與SnO2相似。當使用鉑作為催化劑時，ZnO氣敏元件對乙醇、丙烷、丁烷等有較高的靈敏度，而對氫、一氧化碳等的靈敏度卻較低。以鈀做催化劑時，ZnO氣敏元件對氫、一氧化碳等氣體的靈敏度較高，而對烷類氣體的靈敏度較低。二、常見氣敏傳感器的原理（2）薄膜型ZnO氣敏元件ZnO薄膜氣敏元件結(jié)構(gòu)示意圖二、常見氣敏傳感器的原理（3）多層式ZnO氣敏元件ZnO鉑銥復合型傳感器結(jié)構(gòu)圖4.氣敏傳感器的使用注意事項（1）工作環(huán)境注意清潔（2）工作電壓要穩(wěn)定（3）溫度補償（4）延時控制氣敏傳感器和濕敏傳感器第二節(jié)濕敏傳感器一、半導體熱敏電阻所謂濕敏傳感器是指能夠檢測環(huán)境濕度的變化并能夠?qū)穸茸兓盘栟D(zhuǎn)換成為電信號的一種傳感器。一、濕度的基本概念與濕敏傳感器的分類1.濕度表示法空氣中通常含有水蒸氣，在測量時用濕度來描述，其表示方法主要有絕對濕度、相對濕度、露點（霜點）等表示法。（1）絕對濕度空氣的絕對濕度表示為單位體積空氣里所含水蒸氣的質(zhì)量，即空氣中水蒸氣的密度。一般用1m3空氣中所含水蒸氣的克數(shù)表示。（2）相對濕度相對濕度是空氣中實際所含水蒸氣的分壓與相同溫度下飽和水蒸氣的分壓之比的百分數(shù)，這是一個無量綱量，一般用%RH來表示。由于絕對濕度有單位，二相對濕度描述較方便，因此，常常使用相對濕度。一、濕度的基本概念與濕敏傳感器的分類（3）露（霜）點由于飽和空氣中的水蒸氣分壓是隨著環(huán)境溫度的降低而逐漸下降的，則空氣溫度越低時，其水蒸氣分壓與同溫度下的飽和水蒸氣分壓差值就越小。當溫度下降到某一溫度時，其空氣中水蒸氣分壓與同溫度下的飽和水蒸氣分壓相等，此時空氣中的水蒸氣將向液相轉(zhuǎn)化而凝結(jié)為露珠，其相對濕度為100%RH，這一特定的溫度被稱為空氣的露點溫度（簡稱露點）。一、濕度的基本概念與濕敏傳感器的分類2.濕敏傳感器的分類水分子具有易于吸附在固體表面并滲透到固體內(nèi)部的特性，利用水分子這一特性制成的制度傳感器稱為水分子親和力型傳感器，而把與水分子親和力無關(guān)的濕度傳感器稱為非水分子親和力型傳感器。目前在現(xiàn)代工業(yè)中使用的濕度傳感器大部分都是水分子親和力型傳感器。水分子親和力型傳感器按照其輸出電信號的種類又可分為電阻型和電容型。二、濕敏傳感器的主要參數(shù)1.濕度量程量程就是濕敏傳感器技術(shù)規(guī)范中所規(guī)定的感濕范圍。2.感濕靈敏度感濕靈敏度，又叫濕度系數(shù)。它的定義是：在某一相對濕度范圍內(nèi)，相對濕度改變1%RH時，濕敏傳感器電參數(shù)的變化值或百分率。3.感濕溫度系數(shù)它表示在兩個規(guī)定的溫度下，濕敏傳感器的電阻值（或電容值）達到相等時，其對應(yīng)的相對濕度之差與兩個規(guī)定溫度變化量之比?；蛘哒f，是環(huán)境每變化1℃時，所引起的濕敏傳感器的濕度誤差。二、濕敏傳感器的主要參數(shù)4.響應(yīng)時間響應(yīng)時間也稱為時間常數(shù)，它是反應(yīng)濕敏傳感器相對濕度發(fā)生變化時啟反應(yīng)速度的快慢。其定義是：在一定溫度下，當相對濕度發(fā)生躍變時，濕敏傳感器的電參量達到穩(wěn)態(tài)變化的規(guī)定比例所需要的時間。大多數(shù)濕敏傳感器都是脫濕響應(yīng)時間大于吸濕響應(yīng)時間，一般以脫濕響應(yīng)時間作為濕敏傳感器的響應(yīng)時間。5.電壓特性當交流電壓大于15V時，由于產(chǎn)生焦耳熱的元件對濕敏傳感器的電阻會產(chǎn)生較大影響，因而一般濕敏傳感器的適用電壓都小于10V。5.濕敏傳感器使用注意事項（1）供電電壓要符合要求（2）低濕度時阻抗處理在低濕度時，濕敏傳感器的電子達幾十兆歐，因此在信號處理是，必須選用場效應(yīng)管輸入型運算放大器。同時，為了確保低濕度時的測量準確性，應(yīng)在傳感器信號輸入端周圍制作電路保護環(huán)，或者用聚四氟乙烯支架來固定輸入端，使它從印制板上浮空，從而消除來自其他電路的漏電流。（3）溫度補償濕敏傳感器具有正的或者負的溫度系數(shù)，使其測量精度與溫度有關(guān)，因此要進行溫度補償。在實際應(yīng)用中，通常使用負溫度系數(shù)的熱敏電阻作為溫度補償元件。5.濕敏傳感器使用注意事項（4）傳感器引線濕敏傳感器需要安裝在空氣流動的環(huán)境中，這樣可以使傳感器的響應(yīng)速度快。延長傳感器的引線時要注意：延長線應(yīng)使用屏蔽線，最長距離不要超過1m，裸露部分的引線盡量短；在進行溫度補償時，溫度補償元件的引線也要同時延長，使它盡可能靠近濕敏傳感器的安裝，同樣溫度補償元件的引線也要使用屏蔽線。（5）燒結(jié)