《传感器技术及应用》 项目四 气体成分及湿度的测量.ppt

项目四气体成分及湿度的测量 任务一使用气敏传感器检测气体 任务导入 用数字万用表检测气敏传感器QM 3 采用如图所示简单电路就可以了解气敏传感器的特性 电路使用QM 3型气敏传感器 用数字万用表显示测量数据 可以检查器件的好坏 当电源开关S断开时 传感器没有驱动电流 加热电流 A B之间电阻大于20M 当接通开关S时 器件内的微加热丝f f得电发热 此时若将内盛酒精的小瓶瓶口靠近传感器 可以看到电阻显示值立即由20M 以上降到0 5 1M 移开小瓶等待20 40s之后 A B间电阻又恢复至大于20M 的状态 以上反应可以重复实验 但需注意要使空气恢复到洁净状态 任务一使用气敏传感器检测气体 一 了解气敏传感器 气敏传感器是一种能将气体中的特定成分 浓度 检测出来 并将其转换成电信号的器件 气敏传感器一般用于环境监测和工业过程检测 前者包括有毒有害气体检测 容器管道检测等 后者包括锅炉及汽车的燃料燃烧监控 化工等自动控制检测 气敏传感器主要有半导体式和接触燃烧式两种 半导体式气敏传感器多由金属氧化物半导体材料制成 如SnO2系列 ZnO系列等 传感器制作时添加物不同 能检测的气体也不同 半导体式气敏传感器适用于检测低浓度的可燃和有毒气体 如CO H2S CH4 C4H10等 接触燃烧式气敏传感器主要用于可燃气体的检测 任务一使用气敏传感器检测气体 一 了解气敏传感器 1 半导体气敏传感器 半导体气敏传感器如图所示 是利用半导体气敏元件同气体接触 造成半导体性质变化 来检测气体的成分或浓度的气体传感器 半导体气敏传感器大体可分为电阻式和非电阻式两大类 任务一使用气敏传感器检测气体 一 了解气敏传感器 半导体气敏传感器的分类及特性 1 半导体气敏传感器 任务一使用气敏传感器检测气体 一 了解气敏传感器 2 接触燃烧式气敏传感器 接触燃烧式气敏传感器如图所示 是将铂等金属线圈埋设在氧化催化剂中构成 使用时对金属线圈通以电流 使之保持在300 600 的高温状态 同时将元件接入电桥电路中的一个桥臂 调节桥路使其平衡 一旦有可燃性气体与传感器表面接触 燃烧热量进一步使金属丝升温 造成器件阻值增大 从而破坏了电桥的平衡 其输出的不平衡电流或电压与可燃性气体浓度成比例 检测出这种电流和电压即可测得可燃气体的浓度 任务一使用气敏传感器检测气体 一 了解气敏传感器 可燃气体的基本特性 任务一使用气敏传感器检测气体 二 常用电阻式半导体气敏传感器结构 电阻式半导体气敏传感器可分为表面电阻型和体电阻型两大系列 它有三种结构类型 烧结型 薄膜型及厚膜型 烧结型传感器分为内热式和旁热式两种 如图所示 它一般用于还原性气体 可燃性气体和液化气体的检测 任务一使用气敏传感器检测气体 二 常用电阻式半导体气敏传感器结构 薄膜型气敏传感器是在绝缘衬底 如石英晶片 上 蒸发或溅射上一块氧化物半导体薄膜 厚度为数微米 其结构如图所示 该结构的气敏传感器特点是 机械强度高 成本低 但是器件的性能与工艺和薄膜的物理化学状态有关 器件之间的一致性差 任务一使用气敏传感器检测气体 二 常用电阻式半导体气敏传感器结构 厚膜型气敏传感器是将半导体氧化粉末 添加剂 粘合剂和载体混合 配成浆料 然后用丝网印刷的方法将浆料印到基片上 形成厚度为数微米到数十微米的厚膜 经400 800 温度烧结一小时而成 如图所示 任务一使用气敏传感器检测气体 三 气敏传感器的应用 1 矿井瓦斯超限报警器 当无瓦斯或瓦斯浓度很低时 QM N5的A B极间电阻很大 电位器RP的滑动触点电压小于0 7V VTH不被触发 警笛声电路无电源 不发声 当瓦斯气体超过安全标准时 A B极间电阻迅速减小 当RP的滑动触点电压大于0 7V时 VTH被触发导通 警笛声电路得电 发出报警声 任务一使用气敏传感器检测气体 三 气敏传感器的应用 2 有害气体报警电路 在传感器接触到有害可燃气体后 A B极间电阻变小 B点电位升高并向电容C2充电 当充电电位达到U850的导通电位 约1 4V 时 VT导通 驱动报警器KD9561报警 一旦有害气体浓度降低 使B电位低于1 4V VT截止 报警解除 任务一使用气敏传感器检测气体 三 气敏传感器的应用 3 防止酒后开车控制器 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 Ua为高电平 U1为低电平 U3为高电平 继电器K2线圈失电 其常闭触点K2 2闭合 发光二极管VD1导通 发绿光 能点火启动发动机 任务一使用气敏传感器检测气体 实践操作 简易酒精测试器的制作 当无酒精蒸气时 气敏电阻的阻值很大 负载获得的电压很低 即对外输出电压很低 LED不点亮 当有酒精蒸气时 随着酒精蒸气浓度的增加 气敏电阻值减小 其输出电压上升 则LM3914的LED 共10个 点亮数目也随着增加 测试时 人只要向传感器呼一口气 根据LED点亮的情况与数目可知是否喝酒 并可大致了解饮酒多少 确定被试者是否适宜驾驶车辆 任务一使用气敏传感器检测气体 实践操作 简易酒精测试器的制作 LM3914基本电路如图所示 5脚为LM3914集成电路的信号输入端 1 10 18脚为驱动输出端 接10只LED 当5脚输入一个0 1 2V的电压时 通过比较器即可点亮0 10只发光二极管 任务一使用气敏传感器检测气体 实践操作 简易酒精测试器的制作 主要实验器材 任务一使用气敏传感器检测气体 实践操作 简易酒精测试器的制作 1 在万能电路板上安装 焊接LM3914集成电路插座 将外围电阻元件与LED连接并焊接 2 安装 焊接7805集成稳压电路及滤波电容 3 按照本项目任务一中的电阻测试法将MQ 3气敏传感器的4只信号输出脚短接成两个脚 按图连接在集成稳压电路与LM3914驱动电路之间 4 在稳压电路的输入端加上6 7V的直流电压 用万用表电压档测试LM3914集成电路插座的5脚电压 将装有酒精的小瓶瓶口靠近传感器 观察此电压的变化 5 断开电源 插上LM3914集成电路 再将酒精瓶口靠近传感器 观察LED点亮的情况 反复将酒精瓶口靠近 远离传感器 观察LED的变化 6 调试仪器 让24小时内没有饮酒的人呼气 使得仅1支LED发光 然后微调电阻R2 使之不发光即可 制作步骤 任务二使用湿敏传感器检测湿度 任务导入 用万用表检测湿敏电阻传感器 湿敏电阻是在绝缘基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜并引出两根电极制成的 其特点是当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时 湿敏电阻的电阻率和电阻值都发生变化 即随着湿度的上升电阻减小 利用这一特性可进行湿敏元件的检测和湿度测量 用万用表的电阻档测试湿敏电阻的阻值 观察它在干燥处的电阻值 然后将其移至热水杯的上方 观察电阻值的变化 并记录下现象 提示 随着温度的上升 电阻值逐渐减小 当湿度达到一定程度并稳定时 可用湿度仪监视 湿敏电阻的阻值应基本稳定不变 任务二使用湿敏传感器检测湿度 一 了解湿敏传感器 湿度传感器的应用领域及其应用湿度范围 任务二使用湿敏传感器检测湿度 一 了解湿敏传感器 所谓湿敏传感器 是指能够检测环境湿度变化并能将湿度变化信号转换成电信号的一种传感器 湿敏传感器种类较多 主要有电阻式 电容式两大类 分别由湿敏电阻和湿敏电容构成 左图所示为湿敏元件的外形和结构示意图 湿敏传感器的特点是线性度及抗污染性差 在检测环境湿度时 湿敏传感器要长期暴露在待测环境中 很容易因被污染而影响其测量精度及长期稳定性 任务二使用湿敏传感器检测湿度 二 湿敏电阻的类型 湿敏电阻按照感湿层所用材料不同 又分为氯化锂 金属氧化物 硫酸钙 碘化物等多种形式 目前应用较多的是金属氧化物半导体陶瓷湿敏电阻 其中半导体陶瓷湿敏电阻按结构可分为烧结型和涂覆膜型两大类 烧结型金属氧化物半导体材料一般为多孔结构的多晶体 其结构不甚紧密 各晶粒之间带有一定的空隙 呈多孔毛细管状 因而水分可以通过陶瓷材料中的细孔 在各晶粒表面和晶粒间界面上吸附 且在晶粒间界面处凝聚 由于晶粒间界面处的接触电阻是陶瓷整体电阻的主要部分 使材料的电阻率下降 因此 利用这一特性就可以实现湿度检测 1 烧结型湿敏电阻 任务二使用湿敏传感器检测湿度 二 湿敏电阻的类型 铬酸镁 二氧化钛陶瓷湿敏传感器随着湿度的增加 电阻值急剧下降 基本上按负指数规律变化 其电阻 湿度特性 如图所示 任务二使用湿敏传感器检测湿度 二 湿敏电阻的类型 2 涂覆膜型湿敏电阻 涂覆膜型湿敏电阻 是由金属氧化物粉末或某些金属氧化物烧结体研磨成的粉末 通过一定方式调和 然后喷洒或涂覆在具有电极的陶瓷基片上制成的 由于粉粒之间结构松散 相互之间具有极大的接触电阻 在总体电阻中起主导作用 这种松散的结构使其粉末具有很大的准自由表面 这些表面非常有利于水分子附着 特别是粉粒与粉粒之间不太紧密的接触处更有利于水分子附着 当水分子在粉粒接触处附着后使其接触程度强化 其接触电阻显著降低 因此 环境湿度越高 水分子附着越多 元件的电阻就越低 从而将湿度变化信号转换成电阻变化信号 任务二使用湿敏传感器检测湿度 二 湿敏电阻的类型 3 结露传感器 当需检测空气中的水蒸气是否将要结露时 可使用结露传感器 结露传感器实际上是一个开关型的湿敏传感器 它对低湿不敏感 仅对高湿敏感 它是利用掺入碳粉的有机高分子材料吸湿后膨胀现象进行工作的 即在高湿下 高分子材料的膨胀将引起其中所含碳粉间距离变化而产生电阻突变 利用这种现象就可制成具有开关特性的结露传感器 结露传感器一般不用于测湿 而是作为提供开关信号的结露信号器 用于自动控制或报警 任务二使用湿敏传感器检测湿度 三 湿敏电阻的应用 1 直读式湿度计 直读式湿度计电路原理图如图所示 图中RH为氯化锂湿敏传感器 由VT1 VT2 T1等组成测湿电桥的电源 其振荡频率为250 1000Hz 电桥的输出经变压器T2 C3耦合到VT3 经VT3放大后的信号 经VD1 VD4桥式整流后 输入给微安表 指示出由于相对湿度的变化而引起电流的改变 经标定并把湿度刻划在微安表盘上 就成为一个简单而实用的直读式湿度计了 任务二使用湿敏传感器检测湿度 三 湿敏电阻的应用 2 汽车后窗玻璃自动除湿电路 在常温常湿条件下 由于RH的阻值较大 VT1导通而VT2截止 继电器K不吸合 加热电阻无电流通过 当车内湿度较大时 湿度传感器RH的阻值减小 使VT1截止 VT2翻转为导通状态 继电器K工作 其动合触点K1闭合 发光二极管LED点亮 加热电阻开始加热 当后窗玻璃杯加热到一定程度 潮气被驱散 湿度减小 RH阻值降低 施密特触发器又翻转到初始状态 发光二极管LED熄灭 电阻丝停止加热 从而实现了自动除湿控制 任务二使用湿敏传感器检测湿度 实践操作 简易婴儿尿湿报警器的制作 VT1相当于一个受湿度控制的电子开关 平时湿敏传感器处于开路状态 VT1 PNP型晶体管 集电极无电压输出 当婴儿尿布尿湿后 湿敏传感器被尿液短路 VT1导通 VT1的集电极电位升高 延时电路便开始工作计