气敏传感器成分分析与检测技术教学PPT.ppt

第6章 成分分析与检测技术,6.1 过程分析仪表概述 6.2 气体成分分析技术 6.3 物质性质检测技术,本章提要,物质成分分析包括：气体成分分析、气体湿度、物质的含水量和密度等参量的分析与检测。 本章通过对过程分析仪表的介绍，给出了在成分分析和物性测量中如何选用合适的检测方法和仪表； 重点介绍了气体成分的分析技术和湿度的检测技术。,6.1 过程分析仪表概述,对混合气体的成分及混合物中某些物质的含量或性质进行自动测定，称为物质成分的分析。 6.1.1 过程分析仪表及分类 6.1.2 过程分析仪表的组成 6.1.3 过程分析仪表的主要技术特性,6.1.1 过程分析仪表及分类,成分分析是利用各物质的性质之间存在着差异，把所要检测的成分或物质性质转换成某种电信号，实现气体成分和物质性质的非电量的检测。 过程分析仪表是安装在生产现场，可用来对物料的成分组成以及各种物理、化学特性进行分析测量的仪表。 过程分析仪表可分为两大类： 第一类是气体分析仪，它可以在一个多组分的混合气体中定性、定量地检测出一种或几种成分。 第二类为物性测量仪表，它可以测量介质的多种物性参数。,6.1.2 过程分析仪表的组成,1取样及预处理系统 采样及预处理系统是确保分析仪表正常工作的关键部分。 任务：从被测对象中取出具有代表性的样品并做必要的预处理。 区要位置选择很重要。 取样装置应包括取样探头及包括其他一些与探头有关的部件，如冷却与冷凝收集器、抽吸器及取样泵等。 取样有正压取样和负压取样，对负压取样时，应用抽吸泵。,2检测器 检测器（又称传感器）是分析仪前的主要部分 它的任务是把被分析物质的成分含量或物理性质转换为电信号。 分析仪器技术性能主要取决于检测器。 3信息处理系统 作用：对检测器输出的微弱电信号做进一步处理 4显示装置 5整机自动控制系统 主要任务：控制各部分自动而协调的工作。,6.1.3 过程分析仪表的主要技术特性,过程分析仪表按测量原理来分类共有八种： 电化学式分析仪器（如电导式、电量式、电位式等）； 热学式分析仪器（如热导式、热化学式、热谱式等）； 磁式分析仪器（如磁性氧分析器、核磁共振波谱仪等）； 光学式分析仪器（如吸收式光学分析仪、发射式光学分析仪等）； 射线式分析仪器（如x射线分析仪、y射线分析仪、同位素分析仪等）； 色谱分析仪器（如气相色谱仪、液相色谱仪等）； 电子光学式和离子光学式分析仪器（如电子探针、质谱仪、离子探针等）； 物性测量仪器（如水分计、粘度汁、湿度计、密度计、酸度计、电导率测量仪以及石油产品的闪点、倾点、辛烷值测定仪等）。,过程分析仪表的特点是专用性强，适用范围有限。 主要技术特性有精度、灵敏度和响应时间。 精度：是指检测后所得结果相对于实际值的准确度。精度是评价仪表静态性能的综合性指标。一般分析仪表精度为（12.5），微量分析的分析仪精度为（25）。 灵敏度：是指仪表输出信号变化与被测组分浓度变化之比。被测组分浓度有微小变化时，仪表就有较大的输出变化。 响应时间：是表达被测组分的浓度发生变化后，仪表输出信号跟随变化的快慢，一般从样品含量发生变化开始，到仪表响应达到最大指示值的90时所需的时间即为响应时间。分析仪表的响应时间愈短愈好。,6.2 气体成分分析技术,6.2.1 气敏传感器概述 6.2.2 半导体式气敏传感器 6.2.3 接触燃烧式气体传感器 6.2.4 常用气体分析仪介绍 6.2.5 气体分析仪的选择 6.2.6 使用气体分析仪时需要注意的问题,6.2.1 气敏传感器概述,它们利用气敏传感器中的气敏元件把混合气体中的特定成分检测出来，并将它转换成电信号，向分析仪表提供有关待测气体是否存在及其浓度大小的信息，供自动检测、控制和报警系统使用。 1. 气体成分的主要检测方法 利用半导体气体器件检测的电气法； 使用电极和电解液对气体进行检测的电化学法； 利用气体对光的折射或光的吸收等特性来检测气体的光学法。,2. 气敏传感器的类型,依据上述检测方法制成的气敏传感器有半导体式、接触燃烧式、化学反应式、光干涉式、热传导方式和红外吸收散射方式等类型。 其主要特征如表6-1所示。,从结构上区别可以分为两大类，即干式与湿式气体传感器。 凡构成气体传感器的材料为固体者均称为干式气体传感器； 凡利用水溶液或电解液感知待测气体的称为湿式气体传感器。,3. 气敏传感器的性能要求,准确检测出被测气体的浓度； 对其它共有物质所受的影响小； 能长期稳定工作，工作的重复性好； 响应速度要快； 维修方便。,6.2.2 半导体式气敏传感器,原理：利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体的性质发生变化，借此检测特定气体的的成分或测量其浓度。 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发生变化而制成的。 气敏电阻器的阻值将随吸附气体的数量和种类而变化。 氧化性气体：吸附到n型半导体上， 将使载流子 r 还原性气体：吸附到n型半导体上， 将使载流子 r,半导体气敏元件都附有加热器，一般加热到200400，加热器使用时可以使附在探测部分处的油雾、尘埃烧掉，同时加速气体的吸附，从而提高器件的灵敏度和响应速度。,1. 半导体气敏机理和主要特性,半导体气敏传感器按其工作原理可分为电阻型和非电阻型。 电阻型又可分为表面控制型和体控制型； 非电阻型又可分为二极管型、pet型和电容型 。 （1）半导体气敏传感器工作机理,（2）半导体气敏传感器主要特性,1）灵敏度。 气体传感器在最佳工作条件下，接触同一种气体，其电阻值rs随气体浓度变化的特性称之为灵敏度，用k表示 krsr0 式中：r0为气体传感器在正常空气条件下（洁净空气）的阻值； rs 为气体传感器在一定浓度检测气体中的阻值。,2）初期稳定性,气体传感器经一定时间不通电放置后，再通电工作，其阻值达到稳定时所需的时间定义为初期稳定时间。,图6-1 n型半导体吸附气体时器件阻值的变化 1-元件加热时间；2初始稳定状态；3气敏响应时间； 4还原性气体时元件阻值的变化；5氧化性气体时元件阻值的变化,3）加热特性 sno2气敏传感器要在加热状态下工作，加热温度直接影响元件性能。 因此可选择元件的工作条件，使其工作于最佳加热电压下。 4）温湿度特性。 sno2气敏传感器易受环境温湿度影响，应用中要加温湿度补偿措施。,（3）半导体气敏传感器的特点,优点：制造简单，使用方便，价格低廉，对气体浓度变化的响应时间短，即使在低浓度（10-6级）情况下，灵敏度也很高。 缺点：稳定性差，容易老化，各器件之间的差异大等。,2. 半导体气敏传感器结构,半导体气敏传感器结构和外形如图6-2所示。,（a）气敏烧结体 （b）结构 （c）符号 图6-2 气敏传感器结构 1端子；2塑料底座；3烧结体；4不锈钢网；5加热电极； 6工作电极；7加热回路；8测量回路；9数字万用表,图6-2 气敏传感器（d）外形,（1）直接加热式sno2气敏元件(直热式气敏元件),（2）旁热式sno2气敏元件,加热器电阻值一般为3040,3. sno2系列气敏传感器应用实例,烧结型sno2气敏元件是目前工艺最成熟、使用最广泛的气敏元件。 由它制成的气敏传感器主要用于检测还原性气体、可燃性气体和液体蒸汽。 下面以qm-n5型气敏元件为实例介绍sno2气敏元件的应用。,（1）qm-n5型气敏元件,qm-n5型属旁热式气敏元件,（a）结构 （b）插脚布局及符号 （c）外形 图6-3 qm-n5型气敏元件内部结构与电路符号,qm-n5型气敏元件适用于检测可燃性气体，如：天燃气、煤气、液化石油气、氢气、一氧化碳、烷烃类、烯烃类、炔烃类等气体以及汽油、煤油、柴油、氨类、醇类、醚类等可燃液体蒸汽及烟雾等。 它表示被测气体在不同浓度下气敏器件的电阻值。因而也表示了气敏器件的灵敏度。 sno2气敏器件的环境条件为：温度为20 40，湿度为85,图6-4 qm-n5型气敏元件的基本特性,（2）qm-n5型气敏传感器的应用,采用qm气敏传感器的简易煤气监测电路 无煤气泄漏的正常情况下，a-b间呈高阻抗，使rp滑动端为低电平，ledl发光表示无煤气漏泄。 当有煤气漏泄时，qm检测到有害气体，a-b间电阻降低，使rp滑动端为高电平，led2发光表示有煤气泄漏。,（a）外形,（b）应用电路 图6-5 采用qm气敏传感器的简易煤气监测电路,瓦斯的主要成分是甲烷（ch4），是一种无毒、无味、无颜色、可燃气体。 瓦斯是煤炭开采过程的伴生物，当瓦斯浓度达到43以上、氧含量降到12以下时，可使人窒息； 当瓦斯浓度达到57以上、氧含量降到9以下时，可使人立即死亡。 所以在井下发生瓦斯爆炸，会使氧气迅速消耗，从而造成人员死亡，所以瓦斯是煤矿安全生产的重大隐患。,图6-6所示为种直接安装在矿工安全帽内的瓦斯报警器电路和外形。矿灯瓦斯报警器由矿灯蓄电池4v电源供电，瓦斯探头由qm-n5型气敏元件、限流电阻r1和矿灯蓄电池组成。,（b）外形 图6-6 瓦斯报警器电路,（a）应用电路,由于qm系列各型元件特性不同，所以选择敏感元件时应注意： qm-n5供防火用：对可燃气体检测响应快，恢复速度和灵敏度高。 qm-n7供环保用：对一氧化碳具有选择性。 qm-n7供家庭用：检测液化石油气、管道煤气、天然气稳定性好，对香水（乙醇）具有定抗干扰性。 qm-j3供保安用：对乙醇气体具有很高灵敏度与选择性，其应用电路及外形如图6-7所示。,（a）应用电路,（b）外形 图6-7 酒精检测报警器,6.2.3 接触燃烧式气体传感器,接触燃烧式气体传感器是利用被测气体进行的化学反应中产生的热量与气体浓度的关系进行检测的。,触媒,al2o3载体,pt丝,元件,(0.8-2)mm,(b)敏感元件外形图,接触燃烧式气敏元件结构示意图,(a)元件的内部示意图,原理,可燃性气体(h2、co、ch4等)与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热(无焰接触燃烧热)，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。 空气中可燃性气体浓度愈大 氧化反应(燃烧)产生的反应热量(燃烧热)愈多 铂丝的温度变化(增高)愈大 其电阻值增加的就越多。 因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值(r)，就可检测空气中可燃性气体的浓度。,接触燃烧式气敏元件的感应特性,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,50,100,150,输 出 电 压 / mv,丙烷,乙醇,异丁烷,丙酮,环己烷,气体浓度(xlel),接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图。图中f1是检测元件；f2是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起的偏差。工作时，要求在f1和f2上保持100ma200ma的电流通过，以供可燃性气体在检测元件f1上发生氧化反应(接触燃烧)所需要的热量。当检测元件f1与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用(燃烧)，释放出热量，使得检测元件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不再平衡，在a、b间产生电位差e。,a,f2,f1,m,r1,r2,c,b,d,w2,w1,e0,因为rf很小，且rf1r1=rf2r2,（a）工作原理 （b）外形 图6-8 接触燃烧式气体传感器的外形与工作原理 1载体；2pt丝；3催化剂；4黑白元件；5输出信号； 6桥路电阻；7调零电阻；8电压调整电阻；9电源,6.2.4 常用气体分析仪介绍,1. 混合气体中组分含量的分析仪 热导式气体分析仪属于热学式分析仪中的一种。它利用各种气体的导热系数不同来实现混合气体的成分检测，常用气体的导热系数如表6-2所示。,表6-2 常用气体的导热系数（0）,混合气体一般由多个组分组成，要检测这些组分中某一组分的含量，这个组分称为待测组分。 检测时须具备的必要条件是： 待测组分的导热系数，要比其他组分的导热系数应有明显的差别，差别愈大，测量愈灵敏； 余下组分的导热系数必须尽量相同或十分接近，对这些组分以导热系数角度来看，可视它们为同种成分，以便与待测组分的导热系数比较。,热导式气体分析仪就是完成混合气体成分检测与分析的仪表，它是利用气体体积的百分比含量与气体导热系数有关的物理特性进行分析工作的。 由于混合气体的导热系数随待测组分含量而变化，因此只要测出混合气体的导热系数即可得知待测组分的含量。 热导式气体分析仪将导热系数的差异转化为电阻的变化。,（a）富士zaf3外形 （b）热导室结构 （c）热导式气体分析仪的测量电桥 图6-9 热导式气体分析仪外形、热导室结构和测量电桥,2. 氧气含量分析仪,（1）氧化锆 氧化锆（zro2）是一种利用氧离子导电的固体电解质，若在氧化锆加入一定量的氧化钙（cao）或氧化钇（y2o3），不仅提高了zro2的稳定性，还因为zr4被ca2或y3置换而生成氧离子空穴，使空穴浓度大大增加。 当温度为800以上时，空穴型的氧化锆就变成了良好的氧离子导体，从而可以构成氧浓差电池。,（2）氧化锆氧量分析仪工作机理与条件,它利用氧化锆浓差电池所形成的氧浓差电动势与氧（o2）含量之间的量值关系进行氧含量测量。 氧化锆测量探头必须在850左右的高温下运行、否则灵敏度将会下降。所以氧化锆氧量计在探头上都装有测温传感器和电加热设备。 例如，用氧化锆氧量分析仪连续分析各种工业窑炉烟气中的氧含量，即可控制送风量来调整空气系数值，以保证最佳的空气燃料比，达到节能及环保的双重效果。,经上述分析，要保证氧化锆氧量分析仪正常工作需三个条件。 1）为保证测量准确性，减少温度变化对氧浓差电动势的影响，应保持温度恒定（一般保持在850左右时仪器灵敏度最高），且应增加温度补偿环节。 2）保证要有参比气体，且参比气体的氧含量要稳定不变。参比气体的氧含量与被测气体的氧含量差别越大，仪器灵敏度越高。 3）被测气体和参比气体应具有相同的压力，这样可以用氧气的体积百分比浓度代替压力，仪器可以直接以氧浓度来刻度。,（3）氧化锆氧量分析仪的结构与安装,氧化锆传感器主要由氧化锆管组成。一般外径为11mm，长度8090mm，内外电极及其引线采用金属铂，要求铂电极具有多孔性，井牢固地烧结在氧化锆管的内外侧，内电极的引线是通过在氧化锆管上打一个0.8mm小孔引出的。带恒温装置的氧化锆传感器如图6-10所示。 空气进入一头封闭的氧化锆管的内部作为参比气体。烟气经陶瓷过滤器后作为被测气体流过氧化锆管的外部。 为了稳定氧化锆管的温度，在氧化锆管的外围装有加热电阻丝，并装有热电偶用来监测管子温度，通过调节器调整加热丝电流的大小，使氧化锆管子稳定在850左右。,图6-10 氧化锆氧量分析仪结构 图中1是氧化锆管，2是内外铂电极，3是铂电吸引线，4是a12o3管， 5是热电偶，6是加热炉丝，7是陶瓷过滤器。,氧化锆氧分析仪的现场安装有两种方式: 一种为直插式，如图6-11所示。这种形式多用于锅炉、窑炉的烟气含氧量的测量，使用温度在600850之间。 另一种为抽吸式，如图6-12所示。这种形式在石油、化工生产中可测量最高达1400的高温气体。,图6-11 直插式测量系统 图6-12 抽吸式测量系统,3. 红外线气体分析仪,红外线气体分析器是利用某些气体对不同波长的红外辐射电磁波能量具有特殊的吸收特性而进行分析的。大部分的有机和无机气体在红外波段内部有其特征吸收峰，有的气体还有两个或多个特征吸收峰，如表所示。,几种气体对红外线的透射光谱,气体的特征吸收波长的红外光通过该气体时，光的透射率小于100，透射率大小与气体分子浓度有关，通过测定透射率减少的比率，便可测得这种气体的浓度。,图6-13 红外线气体分析仪结构原理图 1光源；2抛物反射镜；3同步电动机；4切光片；5滤波气室；6参比室； 7测量室；8红外检测器；9电容动片；10电容定片；11放大器,为了消除干扰气体对测量结果的影响。 所谓干扰气体，是指与被测气体吸收红外线波段有部分重叠的气体。如co气体和co2在45 m波段内红外吸收光谱有部分重叠，则co2的存在对分析co气体带来影响，这种影响称为干扰。 为此在测量边和参比边各设置了一个封有干扰气体的滤波气室，它能将与co2气体对应的红外线吸收波段的能量全部吸收，因此左右两边吸收气室的红外能量之差只与被测气体（如co）的浓度有关。,设置滤波气室的目的,红外线气体分析仪测定co2技术及其在植物生理学中的应用,4. 气相色谱仪,气相色谱仪属于色谱分析仪器中的一种。它是一种高效、快速、灵敏的物理式分离分析方法。它可以定性、定量地把几十种组分一次全部分析出来。 色谱法是一种物理的分离方法，它包括两个核心技术，第一是分离的技术，它要把复杂的多组分的混合物分离开来，这取决于现代色谱柱技术。第二是检测技术，经过色谱柱分离开的组分要进行定性和定量的分析，这取决于现代检测器的技术。,图6-14 气相色谱仪基本设备和工作流程,图6-15 气样在色谱柱中的分离,柱色谱的分离原理,出峰时间的先后可作为定性分析的依据，峰的面积或峰高 可作为定量分析的依据。,6.2.5 气体分析仪的选择,1确认所要检测气体种类和浓度范围 对有害气体的检测有两个目的，第一是测爆，第二是测毒。所谓测爆是检测危险场所可燃气含量，超标报警，以避免爆炸事故的发生；测毒是检测危险场所有毒气体含量，超标报警，以避免工作人员中毒。测爆的范围是0100%lel（最低爆炸限度），测毒的范围是0几十（或几百）ppm（1ppm=0.001），两者相差很大。 危险场所有害气体有三种情况，第一、无毒（或低毒）可燃，第二、不燃有毒，第三、可燃有毒。前两种情况容易确定，第一测爆，第二测毒，第三种情况如果有人员暴露测毒，如无人员暴露可测爆。 测爆选择可燃气体检测报警仪，测毒选择有毒气体检测报警仪。,2确定使用场合,检测仪有两种类型：便携式和固定式。生产或贮存岗位长期运行的泄漏检测选用固定式检测报警仪；其他如检修检测、应急检测、进入检测和巡回检测等选用便携式（或袖珍式）仪器。,3. 择优选择仪器型号,选择仪器型号时要考虑以下几点原则： 生产厂家讲诚信、信誉好、生产的质量有保证，通过了iso9002质量体系认证，具有技术监督部门颁发的cmc生产许可证，具有消防、防爆合格证。 选择的型号产品功能指标要符合国标gb12358-90，gb15322-94，gb16808-1997等标准的要求。 仪器的检测原理要适应检测对象和检测环境的要求。,6.2.6 使用气体分析仪时需要注意的问题,1. 注意经常性的校准和检测 2. 注意各种不同传感器间的检测干扰 3. 注意各类传感器的寿命 4. 注意检测仪器的浓度测量范围,6.3 物质性质检测技术,6.3.1 湿度检测技术 6.3.2 物质含水量检测技术 6.3.3 物质密度检测技术 6.3.4 湿度传感器的选择,6.3 物质性质检测技术,物质性质的检测主要针对湿度、物质的含水量、密度等参量来进行的。,在通风与空调工程中，空气的湿度与温度是两个相关的热工参数，它们具有同样的重要意义。,湿度控制有何应用呢？,6.3.1 湿度检测技术,在纺织行业的应用：对纺织纤维性能的影响,在相对湿度增大时，由于纤维吸湿后的分子间距离增大，故纤维的硬度和脆性随之降低，使纤维的柔软性大为改善。 机械表面与纤维间的摩擦或纤维间的相互摩擦，不可避免的会引起纤维带电，当纤维与机体带有不同电荷时，会妨碍纤维的拉伸、梳理、交织、卷绕过程的顺利进行。提高空气的相对湿度，可以使纤维的比电阻降低，以增加电荷散逸的速度，从而消除静电。,在空气调节的应用：提高人体舒适感,环境湿度过低时，体表汗液蒸发量增加，皮肤会感觉过于干燥。而湿度过大时，体表出的汗不能及时、充分地蒸发掉，积于皮肤表面，使人体不舒适感觉加大。 因此，为了提高人体热舒适性，应正确控制室内相对湿度值。,在卷烟业的应用：对烟丝质量的影响,在制烟过程中，烟丝的破损率及质量与储存时的空气湿度有着重要的关系。储存时空气过于干燥，则烟丝易破碎成烟沫，气味也挥发出去，烟丝质量随之降低。通常，储丝库的温度需要维持在1825之间，相对湿度要保持在70%rh以上，在此环境条件下，烟丝才不易破碎，飘尘现象也较轻，烟味也较纯正。,在通信行业的应用：确保设备可靠性,为避免因空气干燥引起静电，烧坏电路板，造成线路瘫痪，从而引发事故，同时保持设备的最佳运转状态，延长设备的使用寿命，通信行业动力机房环境对湿度和温度有着严格的要求 。,在航天科技中的应用：将乘员舱大气湿度控制于乘员的舒适水平,在乘员舱大气中，航天员呼吸、蒸发和洗涤都会造成水蒸气增加，甚至达到饱和状态。在失重情况下，水蒸气可以在任何冷表面凝结成水珠，且随机存在于任何部位或飘浮在大气之中。早期的载人飞船，随处存在的冷凝水成为令人十分头疼的问题，“双子星座”飞船曾采用铺设吸水材料的办法简单处理。现代载人航天器使用一种带有孔板输出机构的冷凝热交换器，以5%通风气流把冷凝水引出排水细孔，再经动态水/气分离器把水和气体分开。新式的湿度控制装置除湿效果好，寿命长，循环空气阻力小。,在其他场合的应用,受湿度影响较大的场合，还有如计算机房、印刷车间、洁净室、手术室、实验室、气调库、半导体生产车间、博物馆、档案馆等。,大气是由干空气和一定量的水蒸气混合而成的，我们称其为湿空气。干空气的成分主要是氮（78）、氧（21）、氩（0.93）、二氧化碳（0.03）及其它微量气体。,1. 湿度的表示方法,湿度是表示空气中水蒸气的含量的物理量，常用绝对湿度、相对湿度等表示。 1）绝对湿度：单位体积空气内所含水蒸气的质量，即空气中水蒸气的密度。 一般用一立方米空气中所含水蒸气的克数表示（g/m3），即为 （6-3） 式中，mv为待测空气中水蒸气质量（g）； v为待测空气的总体积（m3）。,它与空气中水汽分压pw有关 根据道尔顿分压定律和理想气体状态方程，可得出： 空气的绝对湿度也可用分压来表示。 pw水汽压：空气中水汽所产生的压力。 水汽压取决于空气中的水汽含量，当空气中水汽含量 pw 饱和水汽压：当温度一定时，定量空气中所能容纳的水汽有一定的浓度。,pw：空气中水蒸气分压；mv：水蒸气的摩尔质量 r：理想气体常数； t：空气的绝对温度。,在生活中，许多与湿度有关的现象与空气中水汽分压和同温度下饱和水汽压的差值有关。,2）相对湿度,相对湿度：表示空气中实际所含水蒸气的分压（pw）和同温度下饱和水蒸气的分压（pn）的百分比，即 （6-4） 通常，用rh表示相对湿度，这是一个无量刚的值。,绝对湿度只能说明湿空气中实际所含水蒸汽的质量，而不能说明湿空气干燥或潮湿的程度及吸湿能力的大小。 相对湿度表征湿空气中水蒸气接近饱和含量的程度。值小，说明湿空气饱和程度小，吸收水蒸气的能力强；值大则说明湿空气饱和程度大，吸收水蒸气的能力弱。,3）露点温度,气体的相对湿度将逐渐增加，当温度增到某一值时，气体的相对湿度达100，即呈饱和状态。 若再进行冷却，蒸汽的一部分将凝聚生成露，这个温度值称为露点温度。 也就是说：气体在气压不变的情况下，为了使气体中所含水蒸气达到饱和状态，就必须将气体冷却到的温度值称为露点温度。 这样气体温度和露点温度的差值越小，表示空气中的湿度就越接近饱和。,2. 湿敏器件的类型,湿敏器件按材料来分有高分子材料、半导体陶瓷、电解质以及其它原理材料等类型。 （1）陶瓷型湿敏器件 半导体陶瓷型湿敏器件主要是由两种以上氧化物混合烧结而成的多孔材料。 金属氧化物组成的陶瓷质地坚硬，在水中不膨胀，不溶解，耐高温。 湿敏元件多为薄片电容型元件，阻值高，线路较复杂。可旁热或直热清洗，排出有害气体，因此寿命较长。但精度和响应时间不如高分子材料。 陶瓷湿敏器件较成熟的产品有mgcr2-tio2系、zno-cr2o3系，zro2系厚膜型，al2o3薄膜型，tio2-v2o5薄膜型等品种。 主要用于微波炉的食品调理控制及各种空调控制等。,（2）高分子类湿敏器件,能够做湿敏器件的高分子材料：有聚乙烯醇、醋酸纤维素、聚酰胺、拜乙基纤维素等。 高分子材料一般质地柔软，不耐高温，在某些溶剂内易溶解，但加工方便，响应速度快，精度较高，可以做成电阻式、电容式和机械式等等， 其耐老化和抗污染能力不如陶瓷材料，较好的元件寿命在一年左右。,（3）电解质类湿敏器件,电解质类湿敏器件有氯化锂（licl）和五氧化二钒等。 利用器件吸湿使其离子导电性发生变化而实现湿度的检测。 其中，氯化锂传感器的湿度、温度工作范围分别为2090rh和060，响应时间在25min，精度较高，应用广泛； 露点传感器采用氯化锂饱和溶液，经过对被测气体吸湿（自发热）后，进行蒸发（冷却），再凝结的方法，得到平衡温度（露点），从而实现湿度的检测。 工作温度范围为-30+100，响应时间24min，不易受污染，主要用于露点计等。,3. 湿度的检测方法,由于湿度的检测必定伴随温度的检测，所以湿度传感器常称为温湿度传感器。 （1）毛发湿度计 原理：脱脂处理后的毛发在湿度变化10 %时，长度改变3 %。 从18世纪开始利用脱脂处理后的毛发构成湿度计，空气相对湿度增大时毛发伸长带动指针取得读数。 材质： 现已改用竹膜、蛋壳膜、乌鱼皮膜、尼龙带。 优缺点：结构简单，使用方便； 不能构成传感器，只能就地指示。 适用范围：30%100%rh。 目前在无人气象站和探空气球上仍有用它构成的自动记录仪表。,（2）干湿球法,干湿球温湿度传感器由两支规格完全相同的温度传感器组成。 一支称为干球温度传感器，其暴露在测量环境中，用以测量环境温度； 另一支称为湿度传感器，其传感部分用特制的纱布包裹起来，并保持湿润，纱布中的水分不断向空气中蒸发带走热量。 使湿度传感器的温度下降。水分蒸发速率与周围空气含水量有关，空气湿度越低，水分蒸发速率越快。 可见，空气湿度与干湿球温差之间存在某种函数关系。利用这种现象，通过测量干球温度和湿球温度来确定空气的湿度。,干球温度计,湿球温度计,刻度盘,纱布,水槽,为了能自动显示空气的相对湿度和远距离传送湿度信号，采用电动干湿球温度计。它的干湿球是用金属电阻（镍电阻）代替膨胀式温度计，并设置一个微型轴流风机，以便在热电阻周围造成2.5m/s的风速，提高测量精度。,air in,air out,干球热电阻,湿球 热电阻,（3）露点法,空气的相对湿度越高越容易结露，其露点温度越高。 所以测出空气开始结露的温度（即露点温度）也就能反映空气的相对湿度。,基本原理：先测定露点温度tl，然后确定对应于tl的饱和水蒸气压力pl。 显然， pl即为被测空气的水蒸气压力pw。,充满乙醚溶液,主要缺点： 当冷却表面上出现露珠的瞬间，需立即测定表面温度，但一般不易测准，而容易造成较大的测量误差。,露点湿度计,图6-16 自动露点仪原理,半导体致冷器1 、热电偶2、金属膜3、光源4、 光敏元件5、放大电路6、控制电路7、电加热丝8,（4）电阻法,当相对湿度较低时，湿敏器件上吸附的水较少，不能产生电离子，所以电阻值较高。 随着相对湿度增加，水的吸附量也增加，集团化的吸附水就成为导电通道，使湿敏器件阻值下降。 通过对湿敏器件电阻值的测量，即可实现相对湿度的检测。,氯化锂电阻湿度传感器,某些盐类放在空气中，其含湿量与空气的相对湿度有关； 而含湿量大小又引起本身电阻的变化。 因此可以通过这种传感器将空气相对湿度转换为其电阻值的测量。 这种方法称为吸湿法湿度测量。,氯化锂是一种在大气中不分解、不挥发，也不变质而具有稳定的离子型无机盐类。 其吸湿量与空气相对湿度成一定函数关系，随着空气相对湿度的增减变化，氯化锂吸湿量也随之变化。 当氯化锂溶液吸收水汽后，使导电的离子数增加，因此导致电阻的降低；反之，则使电阻增加。 氯化锂电阻湿度计的传感器就是根据这一原理工作的。,氯化锂电阻湿度传感器分梳状和柱状。在梳状或柱状电极间的电阻值的变化反映了空气相对湿度的变化。,氯化锂传感器的测湿范围与所涂氯化锂浓度及其它成分有关。 采用某一浓度制作的元件在其有效的感湿范围内，其电阻值随周围空气相对湿度的变化符合指数关系。 当湿度低于其有效的感湿范围时，其阻值迅速增加，趋于无限大；而当高于该范围时，其阻值变得非常小，乃至趋于零。,（5）电容法,以高分子湿敏器件为例。 当高分子器件吸水后，器件的介电常数随环境相对湿度的改变而变化 器件的介电常数是水与高分子材料两种介电常数的总和。 当含水量以水分子形式被吸附在高分子介质膜中时，由于高分子介质的介电常数（36）远小于水的介电常数（81） 所以介质中水成份的影响比较大，使元件对湿度有较好的敏感性能。,响应特性 由于高分子薄膜可以做得极薄，所以吸湿响应时间都很短，一般都小于5s，有的响应时间仅为1s。 电容一温度特性 电容式高分子膜湿度传感器的感湿特性受温度影响非常小，在550范围内,电容温度系数约为0.06rh/,电容湿度特性 其电容随着环境温度的增加而增加,基本上呈线性关系。 当测试频率为l.5mhz左右时,其输出特性有良好的线性度。对其它测试频率,如1khz、10khz，尽管传感器的电容量变化很大,但线性度欠佳。可外接转换电路,使电容湿度特性趋于理想直线。,hd50温湿度计,量程：595%rh（相对湿度） -2080（露点） 精度：2%读数2.5%rh（相对湿度） 2%读数0.3（露点） 分辨率： 0.1%rh（相对湿度）0.1（露点） 湿 度：电容元件；温度：a级pt100 电 源：9v电池,4. 湿度传感器的结构,常用湿度传感器有电阻变化型和电容变化型。 （1）电阻变化型湿度传感器 根据使用湿敏材料的不同分为高分子型和陶瓷型。图是采用了mct（mgcr2o4-tio2）系列多孔陶瓷材料的湿度传感器 。,（a）结构 （b）外形 图6-17 湿敏电阻传感器,电阻一湿度特性 mgcr2o4tio2系陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特性，随着相对湿度的增加，电阻值急骤下降，基本按指数规律下降。在单对数的坐标中，电阻湿度特性近似呈线性关系。当相对湿度由0变为100rh时，阻值从107下降到104，即变化了三个数量级。,20,40,60,80,100,103,104,105,106,107,108,相对湿度/%,r/,主要特性与性能,是在不同的温度环境下，测量陶瓷湿度传感器的电阻湿度特性。从图可见，从20到80各条曲线的变化规律基本一致，具有负温度系数，其感湿负温度系数为0.38rh。,20,40,60,80,100,103,104,105,106,107,108,相对湿度/%,20,40,60,80,r/,mgcr2o4-tio2系湿度传感器的电阻温度特性,电阻温度特性,mgcr2o4-tio2系湿度传感器的时间响应特性,20,40,60,80,100,0,10,20,30,94%rh 50%rh,1%rh 50%rh,t /s,%rh,响应时间特性如图。根据响应时间的规定，从图中可知，响应时间小于10s。,响应时间,（2）湿敏电容传感器,湿敏电容传感器是利用了两个电极间的电介质随湿度变化引起电容值变化的特性制造出来的。,（a）结构 （b）特性 （c）外形 图6-18 湿敏电容传感器的结构与特性,5. 湿度检测的应用实例,（1）电阻型湿敏传感器实例 hs15是一种在高湿度环境中具有很强适应性的电阻-高分子型湿度传感器，测量湿度范围为0100rh。,图6-19 采用hs15湿敏传感器的测湿电路,（2）电容型湿敏传感器实例,采用湿敏电容的雨量计电路如图6-20所示。,（a）水位传感器示意图 （b）原理示意图,（c）电路图 图6-20 采用湿敏电容的雨量计电路,6湿度检测仪表的应用电路框图,图6-21 通用湿度检测仪表内部框图,6.3.2 物质含水量检测技术,1. 物质含水量的定义 通常将液体或固体物质中的水分含量称为“含水量”。 液体或固体物质中所含水分的质量与总质量之比的百分数，就是含水量的值。 2. 含水量检测方法 （1）称重法 将被测物质烘干前后的重量gh和gd测出，含水量的百分数是 （6-5）,（2）电导法 固体物质吸收水分后电阻变小。 用测定电阻率或电导率的方法便可判断含水量。 例如用专门的电极安装在生产线上，可以在生产过程中得到含水量数据。