气敏、湿敏电阻传感器的应用ppt课件

广东机电职业技术学院 传感器及应用 项目九 气敏 湿敏电阻传感器的应用 功用 检测环境气体成分及浓度 检测环境湿度 并对其进行控制和显示的重要器件 应用领域 在环境保护 家用电器 消防 农业生产和安全生产等方面 气敏传感器能够检测气体的种类及主要检测场所 家庭用煤气报警器 RK 2000P可燃气体报警器采用高档CPU及高精度A D转换器设计而成 可同时挂接多只探测器 当被检测气体浓度超过报警设定值时 仪器发出声光二级报警信号 同时启动外部联动 从而阻止或降低现场的危险程度 达到排除险情的目的 一 气敏电阻传感器 气敏电阻工作原理 主要可分为 测量还原性气体和测量氧气浓度的两大类 气体的成分 浓度等参数变化 电阻发生变化 转换为电流 电压信号 气敏电阻是一种半导体敏感器件 它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化这一机理来进行检测的 人们发现某些氧化物半导体材料如SnO2 ZnO Fe2O3 MgO NiO BaTiO3等都具有气敏效应 气敏电阻工作原理动画演示 1 还原性气体传感器 所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子 化学价升高的气体 还原性气体多数属于可燃性气体等 氢气 一氧化碳 硫化氢 甲烷 一氧化硫 测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2 ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂 激活剂及其它添加剂 按一定比例烧结而成的半导体器件 金属氧化物在常温下是绝缘的 制成半导体后却显示气敏特性 通常器件工作在空气中 空气中的氧和NO2这样的电子兼容性大的气体 接受来自半导体材料的电子而吸附负电荷 结果使N型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电子减少 使表面电导减小 从而使器件处于高阻状态 一旦元件与被测还原性气体接触 就会与吸附的氧起反应 将被氧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 该类气敏元件通常工作在高温状态 200 450 目的是为了加速上述的氧化还原反应 烧结型气体传感器的工作特性 1 气敏特性 遇H2 CO 碳氢化合物等 还原性即可燃性 气体 材料表面层电阻率减小 遇O2等氧化性气体时 材料表面层电阻率增大 在检测前 材料表面已经吸着氧 所以对可燃性气体更敏感 最佳工作温度一般多在200 500 范围内 为使传感器能在这样高的温度范围内稳定工作 具有高温稳定性的半导体材料只有金属氧化物 常见的是SnO2和ZnO 直热式的加热丝兼作电极 其结构简单 成本低 功耗小 但热容量小 易受环境气流影响 因加热丝热胀冷缩 易使之与材料接触不良 在测量电路中 信号电路和加热电路相互干扰 间接式加热丝和电极分立 有好的稳定性 2 温湿度特性 SnO2传感器的阻值随温度 湿度上升而有规律地减小 因此除尽量保持恒温 恒湿外 其有效措施是选用温湿度特性好的气敏元件及在电路中进行温湿度 补偿 3 初期恢复特性及初期稳定特性 经短期存放再通电时 传感器电阻值有短暂的急剧变化 减小 这一特性称为初期恢复特性 它与元件种类 存放时间及存放环境有关 存放时间愈长 初期恢复时间亦愈长 存放7 15天后的初期恢复时间一般约在2 5min之内 当长期存放后再通电时 在一段时间内传感器阻值一般高出正常值20 左右 而以后慢慢恢复至正常稳定值 这一特性称作初期稳定特性 初期稳定时间与传感器种类及工作温度有关 直热式较长 傍热式较短 为缩短初期恢复时间和初期稳定时间 在开始使用时 要进行一段时间的高温处理 同时在构成控制电路时应加延时电路 若将气体敏感膜 加热器和温度测量探头集成在一块硅片上 则构成集成气敏传感器 4 主要检测对象 烧结型气体传感器主要用来检测甲烷 丙烷 一氧化碳 氢气 酒精 硫化氢等 例如 用氧化锡制成的气敏元件 在常温下吸附某种气体后 其电导率变化不大 若保持这种气体浓度不变 该器件的电导率随器件本身温度的升高而增加 尤其在100 300 范围内电导率变化很大 显然 半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度增加的结果 氧化锡 氧化锌材料气敏元件输出电压与温度的关系如下图 b 所示 由上述分析可以看出 气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多 因此 气敏元件结构上 有电阻丝加热 结构如图所示 1和2是加热电极 3和4是气敏电阻的一对电极 图中EH为加热电源 EC为测量电源 电阻中气敏电阻值的变化引起电路中电流的变化 输出电压 信号电压 由电阻Ro上取出 特别在低浓度下灵敏度高 而高浓度下趋于稳定值 因此 常用来检查可燃性气体泄漏并报警等 气敏元件的基本测量电路 MQN型气敏电阻结构及测量电路 1 引脚2 塑料底座3 烧结体4 不锈钢网罩5 加热电极6 工作电极7 加热回路电源8 测量回路电源 NH3传感器 甲烷传感器 酒精传感器 其他还原性气体传感器 手持数字酒精测试仪 呼气管 酒精传感器的选择性 防止酒后驾车控制器原理 防止酒后驾车控制器原理电路如图10 16所示 图中QM J1为酒敏元件 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通 发绿光 能点火启动发动机 家庭用液化气报警器 一氧化碳检测仪 矿灯瓦斯报警器电路 瓦斯报警器的电路如图所示 它可以直接放置在矿工的工作帽内 以矿灯蓄电池为电源 4V 气体传感器为QM N5型 R1为传感器加热线圈的限流电阻 为了避免传感器在每次使用前都要预热十多分钟 并且避免在传感器预热期间会造成的误报警 所以传感器电路不接于矿灯开关回路内 矿工每天下班后将矿灯蓄电池交给电房充电 充电时传感器处于预热状态 当工人们下井前到充电房领取后可不再进行预热 火灾烟雾报警器电路 109为烧结型SnO 2气敏器件 它对烟雾也很敏感 因此用它做成的火灾烟雾报警器可用于在火灾酿成之前或之初进行报警 电路有双重报警装置 当烟雾或可燃性气体达到预定报警浓度时 气敏器件的电阻减小到使V3触发导通 蜂鸣器鸣响报警 另外 在火灾发生初期 因环境温度异常升高 将使热传感器动作 使蜂鸣器鸣响报警 2 二氧化钛氧浓度传感器 TiO2 对氧气十分敏感 其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度 当周围氧气浓度较大时 氧原子进入二氧化钛晶格 改变半导体的电阻率 使其阻值增大 TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路 a 结构b 测量转换电路 1 外壳 接地 2 安装螺栓3 搭铁线4 保护管5 补偿电阻6 陶瓷片7 TiO2氧敏电阻8 进气口9 引脚 氧浓度传感器外形 可用于汽车尾气测量 二 湿敏电阻传感器 相对湿度是日常生活中常用来表示湿度大小的方法 当相对湿度达100 时 称饱和状态 湿度 绝对湿度 指大气中水汽的密度 即每一立方米大气中所含水汽的质量 克数 相对湿度 大气中实有水汽压与当时温度下饱和水汽压的百分比 湿度是在空气或其他气体中存在的水蒸气 水蒸气是水的气态形式 同其他各种气体一样 是透明的 在我们周围的环境中大约有1 的气体是水蒸气 温度高的水会蒸发出水蒸气 同样 水在较低的温度下也可以释放出水蒸气 一定温度下 在水的表面和冰的表面 蒸发现象始终都是存在的 相反 冷凝也是一样存在的 当蒸发和冷凝的速度达到一致时 该体系就达到了动态平衡状态 空气或其他气体都有吸收水蒸气的能力 这种能力主要受温度的影响 总的来说 温度越高 吸收水蒸气的能力越强 在某个温度下 气体中所能包含的水蒸气的量达到最多时 就叫作 饱和 饱和状态 干湿球测湿法的维护相当简单 在实际使用中 只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可 与电子式湿度传感器相比 干湿球测湿法不会产生老化 精度下降等问题 所以干湿球测湿方法更适合于在高温及恶劣环境的场合使用 现代湿度测量方案两种 干湿球测湿法 电子式湿度传感器测湿法 电子式湿度传感器是近几十年 特别是近20年才迅速发展起来的 湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发生器来逐支标定 电子式湿度传感器的准确度可以达到2 一3 RH 湿度传感器是采用半导体技术 因此对使用的环境温度有要求 超过其规定的使用温度将对传感器造成损坏 电子式湿度检测动画演示 1 水蒸气的凝结将给仪器设备带来各种危害 如在热工设备里会引起受热局部不均 电子式湿度传感器使用事项 2 湿度对电子元件的影响 物体表面会附着一层水膜 并渗入材料内部 降低绝缘强度 造成漏电 击穿和短路现象 加速金属材料的腐蚀并引起有机材料的霉烂 3 湿度对人体的影响 秋冬季空气干燥 人易上火 皮肤易干燥 夏季雷雨前空气潮湿 人会感觉呼吸不畅等 湿敏电阻外形图 湿敏电阻工作过程 水分子极易吸附于固体表面 渗透到固体内部 半导体的电阻值降低可以利用多孔陶瓷 三氧化二铝等吸湿材料制作湿敏电阻 湿敏电阻外形结构示意图 降低温度会产生结露现象 应用 露点温度 对气体等压制冷时 水蒸气冷凝从而形成露的温度 测量露点的仪器 露点传感器 电子湿度计模块 封装后的外形 电子式温湿度计 机械式 电子式温湿度计对比 陶瓷湿度传感器特性曲线 在右图所示的陶瓷湿度传感器特性曲线中 纵坐标的标度有何特点 其电阻率变化约有多少个数量级 电子相对湿度仪表的标定仪器 干湿球湿度计外形及原理 干球 湿球 用干湿球湿度计测量相对湿度的原理 上页中 左边的玻璃温度计 湿球 用湿棉球包裹 并浸没在水槽里 湿棉球由于水份蒸发 所以其温度低于室温 致使湿球的示值低于干球 查对应的湿度表就可知道空气的相对湿度 虽然干湿球湿度计的历史悠久 但现在还经常用它作为电子相对湿度仪表的标定仪器 风 水槽 棉球 玻璃酒精温度计 如果空气中水蒸汽量没饱和 湿球的表面便不断地蒸发水汽 并吸取汽化热 因此湿球所表示的温度都比干球所示要低 空气越干燥 即湿度越低 蒸发越快 不断地吸取汽化热 使湿球所示的温度降低 而与干球间的差增大 相反 当空气中的水蒸汽量呈饱和状态时 水便不再蒸发 也不吸取汽化热 湿球和干球所示的温度 即会相等 使用时 应将干湿计放置距地面1 2 1 5米的高处 读出干 湿两球所指示的温度差 由该湿度计所附的对照表