传感器与检测技术教学课件PPT新型传感器.ppt

,5.1 气敏传感器 5.2 湿敏传感器 5.3 色敏传感器,第5章 新型传感器,主要内容：,第5章 新型传感器,新型传感器是典型的物理型传感器，它是利用某些材料的电特征的变化实现被测量的直接转换，如改变半导体内载流子的数目。 凡是用半导体材料制作的传感器都属于新型传感器。 其中包括：光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管、霍尔元件、磁敏元件、压阻元件、气敏、湿敏等等。,概述,第5章 新型传感器,概述,第5章 新型传感器,概述,第5章 新型传感器,气敏传感器是用来检测气体浓度和成份的传感器； 如： 工业天然气、煤气等易燃易爆的安全监测； 环境保护，有害、有毒气体监测； 酒后驾车，乙醇浓度检测； 牙医口臭检查,5.1 气敏传感器,气敏传感器灵敏度较高，达10-610-3数量级，可检测到 1/10 爆炸下限的可燃气体；,由于气体种类很多，性质各不相同，不可能用同一种气体传感器测量所有气体，按半导体的物理特性，可分为电阻型和非电阻型。,第5章 新型传感器,5.1 气敏传感器 5.1.1 半导体气敏传感器工作原理,电阻型气敏传感器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； 如： 氧气具有负离子吸附倾向的气体，被称为氧化型气体电子接收性气体； 氢、碳氧化合物、醇类等具有正离子吸附倾向的气体，被称为还原型气体电子供给性气体。,(1) 电阻型半导体气敏传感器,第5章 新型传感器,当氧化型气体吸附到n型半导体上， 半导体的载流子减少，电阻率上升； 当氧化型气体吸附到p型半导体上， 半导体的载流子增多，电阻率下降； 当还原型气体吸附到n型半导体上， 半导体的载流子增多，电阻率下降； 当还原型气体吸附到p型半导体上， 半导体的载流子减少，电阻率上升；,n型半导体与气体接触时的氧化还原反映,5.1 气敏传感器 5.1.1 半导体气敏传感器工作原理,气体与半导体接触时情况 n型半导体多电子 p型半导体多空穴,(1) 电阻型半导体气敏传感器,第5章 新型传感器,5.1 气敏传感器 5.1.1 半导体气敏传感器工作原理,组成：敏感元件、加热器、外壳； 制造工艺：烧结型、薄膜型、厚膜型。 气敏电阻的材料是金属氧化物，合成时加敏感材料和催化剂烧结，这些金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体后显示气敏特性。,金属氧化物有： n型半导体，如：sno2 fe2o3 zno tio p型半导体，如：coo2 pbo mno2 cro3,(1) 电阻型半导体气敏传感器,第5章 新型传感器,通常器件工作在空气中 高阻状态，由于氧化的作用，空气中的氧被半导体（n型半导体）材料的电子吸附负电荷峁氲继宀牧系拇?/b电子减少，电阻增加，使器件处于高阻状态；,5.1 气敏传感器 5.1.1 半导体气敏传感器工作原理,空气中氧化作用被氧电子吸附n型半导体电子减少电阻增加,电阻减小，当气敏元件与被测气体接触时会与吸附的氧发生反应，将束缚的电子释放出来，敏感膜表面电导增加，使元件电阻减小。,气体接触吸附气体氧发生反应电子释放电导增加，电阻增加,电阻型半导体气敏传感器导电机理用一句话描述： 利用半导体表面因吸附气体引起半导体元件电阻值变化，根据这一特性，从阻值的变化测出气体的种类和浓度。,第5章 新型传感器,5.1 气敏传感器 5.1.2 半导体气敏传感器类型及结构,在常温下，电导率变化并不大，达不到检测目的， 因此以上结构的气敏元件都有电阻丝加热器; 加热时间23分钟，加热电源一般为5v; 加热方式分为内热式和旁热式。,气敏传感器测量电路,(1) 电阻型半导体气敏传感器,第5章 新型传感器,5.1 气敏传感器 5.1.2 半导体气敏传感器类型及结构 (1) 电阻型半导体气敏传感器,电阻型气敏元件通常工作在高温状态，气敏元件的加热作用： 为加速气体吸附和上述的氧化还原反应，提高灵敏度和响应速度； 另外使附着在壳面上的油雾、尘埃烧掉。,电阻型气敏元件符号,第5章 新型传感器,5.1 气敏传感器 5.1.2 半导体气敏传感器类型及结构,非电阻型气半导体敏传感器主要类型： 利用mos二极管的电容电压特性变化； 利用mos场效应管的阈值电压的变化； 利用肖特基金属半导体二极管的势垒变化进行气体检测。,(2) 非电阻型半导体气敏传感器,第5章 新型传感器,5.1 气敏传感器 5.1.2 半导体气敏传感器类型及结构 (2) 非电阻型半导体气敏传感器,1）mos二极管气敏元件（电容电压） 在p型硅氧化层上蒸发一层钯（pd）金属膜作电极。氧化层（sio2）电容ca是固定不变的。而硅片与氧化层电容cs是外加电压的功函数，总电容c也是偏压的函数。mos二极管的等效电容c随电压u变化。 金属钯（pd）对氢气（h2）特别敏感。当pd吸附金属膜以后，使pd的功函数下降，使mos管cu特性向左平移，利用这一特性用于测定氢气的浓度。,mos二极管 气敏元件结构,mos二极管气敏 元件等效电路,第5章 新型传感器,5.1 气敏传感器 5.1.2 半导体气敏传感器类型及结构,2）mosfet气敏元件 pd对h2吸附性很强，h2吸附在pd栅上引起的pd功函数降低。当栅极（g）源极（s）间加正向偏压 ugsut 阀值时，栅极氧化层下的硅从p变为n型，n型区将s（源）和d（漏）连接起来，形成导电通道（n型沟道）此时mosfet进入工作状态。,钯pd mosfet管结构,在sd间加电压uds，sd间有电流ids流过，ids随uds、ugs变化。当ugsut时，沟道没形成，无漏源电流ids=0。 ut（阀值）电压大小与金属与半导体间的功函数有关。 pdmosfet器件就是利用h2在钯栅极吸附后改变功函数使ut下降，检测h2浓度。,第5章 新型传感器,5.1 气敏传感器 5.1.2 半导体气敏传感器类型及结构 (2) 非电阻型半导体气敏传感器,3）肖特基二极管 金属和半导体接触的界面形成肖特基势垒，构成金属半导体二极管。管子加正偏压，半导体金属的电子流增加，正向导通电阻极小ud0.2，加负偏压时ud 很大，相当开路几乎无电流。当金属与半导体界面有气体时，势垒降低，电流变化（上升）。 金属与半导体界面吸附气体时，影响半导体禁带宽度eg，二极管正向偏压条件下，气体浓度 电流 输出电压ur 。 非电阻型半导体气敏传感器主要用于氢气浓度测量。,第5章 新型传感器,5.1 气敏传感器 5.1.3 半导体气敏传感器应用,气体浓度检测,第5章 新型传感器,5.1 气敏传感器 5.1.3 半导体气敏传感器应用,lm3914 显示驱动集成电路 内部电路图,第5章 新型传感器,5.1 气敏传感器 5.1.3 半导体气敏传感器应用,酒精测试仪,第5章 新型传感器,5.1 气敏传感器 5.1.3 半导体气敏传感器应用,防 酒 后 驾 车 汽 车 点 火 电 路,无酒精时，s闭合，气敏电阻高，ua高uo低，定时器输出高，j2释放，j1闭合，点火； 有酒精时，气敏电阻下降，ua低uo高，定时器输出低，j2吸合，j2-1断开，不启动； 若司机拔出气敏传感器，j1断电j1-1断开无法启动。j1-2气敏元件加热回路。 继电器j1-1、j1-2常开接点， j2-1 常闭接点， j2-2常接vd1（绿灯），vd2（红灯）。,第5章 新型传感器,5.1 气敏传感器 5.1.3 半导体气敏传感器应用,红外多种气体检测系统动画演示,红外吸收 (ir-process),测量原理,氧气传感器 (带 2 个电极),电化学传感器 (2),co, so2 or nox传感器(3 electrodes),电化学传感器 (3),白金线,外壳为催化金属,热效率探测器 用于检测可燃气体,气体中氧气的燃烧率湿必须知道的! 使用于测量kw,受热或不受热的抽提探头 不同的探头材料 适用于不同温度范围的探头 带简单陶瓷过滤器的探头 探头清洁装置（根据类型）,抽提探头,烟气测量时，首先将气体抽入装置，抽提探头要过滤水分和颗粒物。一般抽气管加热100以上，避免取烟时管路被水凝结。,测量气体管,露点 & 冷凝 (4),烟气分析仪,第5章 新型传感器,5.2 湿敏传感器,湿度是指空气中的水蒸气含量，干燥或潮湿对我们的生活有很大影响，潮湿发霉，干燥不舒服。湿度传感器主要应用于温湿度检测控制、军械仓库、粮仓、水果保鲜等场合。 最早人们用头发随湿度变化而伸长或缩短现象做毛发湿度计，逐渐有了电阻湿度计，半导体湿度计是近年来才出现的。,为什么要测量湿度？,温湿度变送器,h, t,x,室 内 空 气 质 量,100% rh,贮 存 / 催 熟,生产过程的空气质量,烘 干 过 程,耗费最低的能量,达到 / 保持成品的最佳品质,让设备高效率地进行生产,- 更舒适,更高的工作效率,使产品或原材料达到最佳品质,第5章 新型传感器,5.2 湿敏传感器,湿度通常用绝对湿度和相对湿度表示： 绝对湿度：单位空间所含水蒸汽的绝对含量或浓度，用符号 ah 表示，单位（g/m3）。 相对湿度，被测气体中蒸汽压和该气体在相同温度下饱合水蒸气压的百分比，一般用 %rh 表示，无量纲。 不同环境所需湿度不同，测量方法很多，但精度不高。目前世界上最高水平湿度测量精度在0.01%左右； 理想测湿量程应是0100%rh，量程越大实用价值越大。一般使用湿度量程 0100%rh 。,第5章 新型传感器,5.2 湿敏传感器 5.2.1 氯化锂湿敏电阻,氯化锂湿敏电阻电解质湿敏电阻 利用物质吸收水分子使导电率发生变化检测湿度。 在氯化锂（licl）溶液中，li和cl以正负离子的形式存在，锂离子（li+）对水分子的吸收力强，离子水合成度高，溶液中的离子导能力与溶液浓度成正比，溶液浓度增加，导电率上升,电阻率下降 。,当溶液置于一定湿度场中，若环境rh 上升，溶液吸收水分子使浓度下降 电阻率 上升，反之rh下降，溶液浓度上升，电阻率下降。 rh 吸湿浓度 r rh 脱湿浓度 r,氯化锂湿敏电阻,通过测量溶液电阻r值实现对湿度测量。,第5章 新型传感器,5.2 湿敏传感器 5.2.2 半导体陶瓷湿敏电阻,半导体陶瓷湿敏电阻（半导瓷）,通常用两种以上的金属氧化物半导体烧结成多孔陶瓷，材料有正温度系数和负温度系数两种。,负特性湿敏半导体瓷的导电机理 水分子氢原子具有很强的正电场，水分子在半导瓷表面 吸附时从表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。 p型半导体 水分子吸附表面电势下降，吸引空穴到达表面， 使表面层电阻下降； 电子耗尽，同时吸引更多的空穴到达表面，可能使 表面层的空穴浓度大于电子浓度，出现反型层，这 些反型载流子同样可以在表面迁移而表现出电导特 性。 水分子吸附时表面电阻也会下降。,n型半导体 水分子吸附表面电势下降，表面电势下降较多时，,第5章 新型传感器,5.2 湿敏传感器 5.2.2 半导体陶瓷湿敏电阻,负特性湿敏半导体瓷湿敏电阻，电阻随湿度增加而下降。由于水分子中氢原子具有很强的正电场，当水分子在半导体瓷表面吸附时可能从半导体瓷表面俘获电子，使半导体表面带负电，相当表面电势变负，电阻率随湿度增加而下降。 正湿敏特性半导体瓷湿敏电阻（例：fe3o4），材料结构、电子能量状态与负特性不同，总的电阻值升高没有负特性阻值下降的明显。,第5章 新型传感器,5.2 湿敏传感器 5.2.3 湿敏传感器的应用电路,湿 度 控制,rc振荡器,湿度上升rh下降vt3截止，vt4导通，j2接通干燥设备，led2点亮； 同时vt2截止，vt1截止，j1失去电流释放，关闭增湿设备； 湿度下降rh上升vt3导通，vt4截止，j2释放。,第5章 新型传感器,5.2 湿敏传感器 5.2.3 湿敏传感器的应用电路,rh为vt提供偏流，rh插入土壤，湿度不同传感器阻值不同，基极电流不同， 使vt的ie变化，在r2上转换为电压变化，送运放a放大； rh放在水中湿度100%，调节rp2使增益输出满量程5v； rh擦（吹）干湿度0%，调节rp1比较端电压，使输出0v。,土壤湿度测量,第5章 新型传感器,5.2 湿敏传感器 5.2.3 湿敏传感器的应用,电路由检测、放大、稳压源组成 rh为硅湿敏电阻，温度25时响应时间小于5秒； 检测土壤含水量范围rh=0100%，rh为vt提供偏流； rh插入土壤，湿度不同时传感器电阻值不同； rh变化引起vt基极电流变化使ie在r2上转换为电压， 经同相放大器放大，输出vd3控制在5v电压。,电路调试： 满量程，放rh在水中调整rp2使输出为5v/100rh%； 最小调整，将rh擦干，调节rp1使输出为0v/0rh%。,硬质面粉,水,(鸡蛋),配料,成形,烘干,剪切 / 包装,60% rh,.湿度过低:,.湿度过高:,30% 的水份含量 利于面条的成形,12.5% 的水分含量便于贮存,面条,1. 表面坚硬,2. 内部水份蒸发产生的压力导致表面被破坏,精确的烘干 过程需要避免.,表面松软易霉变,70-120c (160-250f),最 新 湿 度 测 量 应 用 领 域 面条烘干,颗 粒 产 品,处理 易潮材料 对 空气质量 的要求 更高,纸 品,纺 织 品,能源耗费高,最佳 产品质量,产生静电,rh 高,rh 低,喷 漆 生 产 线,漆面过湿,最佳 产品质量,漆面过干,确定油漆中的水份含量需要非常精确的rh值!,食 品 生 产,最 新 湿 度 测 量 应 用 领 域 生产过程的空气质量,相对湿度,温度,持续时间,. 表面张力,起始: 90 % rh,结束: 40 % rh,1吨橡木含有: 500 公升水份,90c = 恒温., 20 天,精确的 烘干工艺.,.应用于 高品质木材, 防止.,. 导致变形,. 影响木材表面 光洁度,鼓风机,排出冷凝水份,空气冷却器,隔热层,待烘干木堆,最 新 湿 度 测 量 应 用 领 域 木材烘干,. 产生气孔,精确的 烘干工艺.,用于制造 最优品质的砖块, 避免.,. 变形,每一块已干的砖块 含有75% 的水份,一次烘干处理（预干）,空气加热设备,起始: 95% rh 20c 结束: 40% rh 50c,二次烘干处理（主要阶段）,起始: 40% rh 80c 结束: 20% rh 110c,为何选择testo 650 pht温湿度变送器? 温度量程高达 180c 涵盖所有烘干工艺所需温度 工作压力 10 bar (150 psi) 使用范围广，性能稳定 操作简便 低维护成本,每片已干燥砖块 含20%的水份,最终效果:,烘干房顶端,管道 (防止冷凝物 反向进入致使 机械受损),最 新 湿 度 测 量 应 用 领 域 砖块烘干,rs485 网络,6,rs 232,rs 485,pc 带 comsoft v3.3,每条 rs485 线: 多达32个hygrotest,hygrotest 带显示器 h3: rs485 h4: rs485 + 模拟输出 h5: rs485 + 模拟输出+继电器模拟输出 + 中继,plc 接入 rs485,或,避免传统的电缆,只使用数字信号,通过总线获得 所有相关信息,最容易的数据 保存/记录和数据描述,极高湿度测量加热探头,7,h, t,x,100 % rh,例如 73 % rh,5 k,后部耐热: 持续高温 5 k,处理条件 (高湿度),加热后的 传感器状况,testo 湿度传感器,附加 pt1000 testo 探头类型 04,聚四氟乙烯帽,探头长度 标准: 210 mm 可能: 80500 mm,模拟输出：4-线 (020 ma, 420 ma, 01 v, 010 v),2,5 % rh 精度,更快的 响应时间,即使长期暴露在冷凝液中也 不会腐蚀,可能不需盐溶液调节,第5章 新型传感器,半导体色敏传感器是一种半导体光敏器件，工作原理基于光电效应，可将光信号转换为电信号的光辐射探测器。 一般光电器件是检测在一定波长范围内的光强度或光子数目。而色敏器件可以直接测量从可见光到近远红外波段内单色辐射波长。,5.3 色敏传感器,半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电二极管组合，实际不是三极管而是两个深浅不同的pn结，又称光电双结二极管。 当