2022年传感器及其应用教案

1、6 重庆市经贸中等专业学校教案纸授课老师 盘元荣 授课日期 2022.4.144.20 上课班级 14 电子 1、2、供用电班 上课地点 B101、305、309 授课课题 项目七 半导体式传感器 课题总课时 6 课次 1 授课方式 理论课 实训课争论课试验课习题课其他教学目的 明白半导体气敏传感器的类型及结构,把握电阻型半导体气敏传感器的工及要求 作原理,懂得非电阻型半导体气敏传感器的工作原理主要教学内容 一、气敏式传感器 1、半导体气敏传感器 2、接触燃烧式传感器教学重点半导体气敏传感器和接触燃烧式传感器的工作原理及难点教学方法举例讲解、多媒体讲解、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、音像讲解、

2、操作演示、及手段作业布置教材 p.59 摸索与练习1、2 教学反思详细教学 实训 内容及过程 同学活动主要内容：项目七 学习目标 1、明白半导体气敏传感器的类型及结构；2、把握电阻型半导体气敏传感器的工作原理； 3、懂得非电阻型半导体气敏传感器的工作原理；4、把握氯化锂湿敏传感器、半导体陶瓷湿敏传感器的测量原理；器的应用；5、明白气敏传感器、湿敏传感半导体式传感器是典型的物理型传感器,是利用某些材料的电特点的变化实 现测量的直接转换；包括光敏元件、磁敏元件、气敏元件和湿敏元件等；一、气敏式传感器气敏传感器用于对气体的定性或定量检测,把被测气体的种类或浓度的变化 转化成传感器输出信号的变化；气敏

3、式传感器依据使用的材料的不同分为半导体 式、接触燃烧式以及电化学型三类；1、半导体气敏传感器 半导体气敏传感器的敏锐元件大多以金属氧化物半导体为基础材料,分为电阻式和非电阻式两种,如表7-1-1 所示；当被测气体在半导体表面被吸附后,使半导体敏锐材料的电学特性（如电阻率）发生变化,通过 测量其变化,就可以实现对气体的检测；电阻型半导体气敏传感器 电阻型半导体气敏传感器由敏锐元件、加热器和外壳三部分组成；电阻型气敏元件通常工作在高温状态（200450）,目的是为了加速气体吸附和发生氧化仍原反应；提高灵敏度和响应速度；烧掉附着在壳面上的油污、尘 埃；常温下,电导率变化不大,达不到检测的目的,因此,

4、气敏元件都有电阻丝 加热器,加热电源一般为 5V；非电阻型半导体气敏传感器、非电阻型气敏传感器是利用二极管的电容 -电压特性变化或场效应管的阈值电压的变化进行气体检测的；二极管气敏元件结构和特性曲线 如图 7-1-1所示；在如图的 层上镀一层金属钯（Pb）,钯（ Pb）对氢气特殊敏锐,当其吸 附氢气后功函数下降,使 MOS 管的 C-U 特性曲线向左平移（向负方向偏移） ,利 用这一特性可以测定气体的浓度；主要用于检测石油类可燃性气体的存放情形和防止危急事故的发生；功函数 （又称功函、逸出功,英语：Work function ）是指要使一粒电子立 学问链接 即从固体表面中逸出,所必需供应的最小

5、能量（通常以 电子伏特 为单位）；这里 “ 立刻 ” 一词表 示最终电子位置从原子尺度上远离表面但从微观尺度上依旧靠近固体；功函数是金属的重要 属性；功函数的大小通常大致是金属自由原子 电离能 的二分之一；2、接触燃烧式传感器 典型接触燃烧式传感器结构如图 7-1-2所示；氧化催化剂中埋设有铂等金属线,工作时金属圈中通电流使温度保持在 300600,当可燃气体接触到传感器表面时会发生燃烧,产生的热量使金属丝 温度进一步上升,从而其电阻值增大；不同种类和不同浓度的可燃气体燃烧产生 的热量不同,对应不同的输出；用于检测石油类可燃性气体的存放情形和防止危急事故的发生；3、电化学气敏传感器 电化气敏传

6、感器通过与被测气体发生反应并产生 与气体浓度成正比的电信号；典型的电化学气敏传感器由传感电极（或工作电极）和反电极组成,并由一 个包电解层隔开；气体第一通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应,然后是隔 水屏障,最终到达传感电极表面发生反应,以形成充分的电信号,通过电极间连 接的电阻器,与被测气体浓度成正比的电流会在正极与负极间流淌,测量该电流 就可确定气体的浓度；主要用于相对封闭环境中有毒有害气体的检测,如矿井、居室、工作间等环 境中 CO、H 2S（硫化氢）和甲醛等的检测；教学活动：课堂教学 2 课时；每 2 节课为一教学单元,共 80 分钟；1. 德育训练 3 分钟；58 分钟；2. 复习上

7、次内容,讲解或提问方式,3. 多媒体演示讲解新内容,关键点板书,40 分钟；4. 提问、争论重点和难点学问,15 分钟；5. 答疑, 1215 分钟；6. 机动, 3 分钟；7. 实训,前 10 分钟布置工作任务,其余时间分组指导；重庆市经贸中等专业学校教案纸授课老师盘元荣授课日期2022.4.144.20 上课班级14 电子 1、2、供用电班上课地点B101、305、309 授课课题项目七 半导体式传感器课题总课时6 课次2 授课方式理论课实训课争论课试验课习题课其他教学目的 把握氯化锂湿敏传感器、半导体陶瓷湿敏传感器的测量原理 及要求主要教学内容二、湿敏传感器1、电解质型湿敏传感器2、陶瓷

8、型湿敏传感器教学重点 电解质型湿敏传感器和陶瓷型湿敏传感器的工作原理 及难点教学方法 举例讲解、多媒体讲解、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、音像讲解、操作演示、及手段作业布置教材 p.59 摸索与练习3 教学反思详细教学 实训 内容及过程 同学活动主要内容：二、湿敏传感器湿度包括气体的湿度和固体的湿度；目前世界上最高水平的湿度测量精度在 0.01 左右,抱负测量湿度的量程应是0100%RH,量程越大有用价值越大；湿度传感器依据有用的材料可分为电解质型、陶瓷型、高分子型和半导体型 等类型；这里着重介绍电解质型湿敏传感器和陶瓷型湿敏传感器；1、电解质型湿敏传感器 氯化锂湿敏电阻传感器是典型的电解质型

9、湿度传感器,结构如图 7-2-1所示；有两根钯丝作为电极,按相等间距平行绕在聚苯乙烯圆管上,再浸涂一层含有聚苯乙烯蜡酸脂（ PVAC）和氯化锂（ LiCl）水溶液的混合液,当被涂溶液的溶 剂挥发干后,即凝结成一层可随环境湿度变化的感湿匀称薄膜；在氯化锂的溶液 中, Li 和 Cl 均以离子型式存在,其溶液的导电才能与离子浓度成正比；锂离子Li+ 有较强的吸水性,当环境相对湿度增高时,Li+ 吸取水分,溶液浓度降低,导电才能下降（即电阻率增加） ；反之,就导电才能增强（即电阻率下降） ,从而实 现对湿度的测量；2、陶瓷型湿敏传感器 半导体陶瓷湿敏传感器使用寿命长,可以在很恶劣的环境下使用几万小时

10、,这是其他湿度传感器所无法比拟的；一般以金属氧化物为原料,通过陶瓷工艺,制成一种多孔陶瓷,多孔陶瓷的阻值对空气中的水蒸气具有敏锐特性；多孔陶瓷材料有正温度系数和服温度系数两种；负温度系数陶瓷传感器的电 阻值随着湿度的增大而减小,反之,电阻值就增大；正温度系数陶瓷湿敏传感器 的特性与负温度系数型刚好相反,电阻值的变化不及负温度系数型明显；多孔质烧结型陶瓷湿敏传感器的结构如图 7-2-2 所示；陶瓷型湿度传感器的优点是湿度滞后小、相应速度快、便于批量生产；但其 长期牢靠性较差、易受环境温度影响等问题有待克服；教学活动：课堂教学 2 课时；80 分钟；每 2 节课为一教学单元,共 1. 德育训练 3

11、 分钟；2. 复习上次内容,讲解或提问方式,58 分钟；3. 多媒体演示讲解新内容,关键点板书,40 分钟；4. 提问、争论重点和难点学问,15 分钟；5. 答疑, 1215 分钟；6. 机动, 3 分钟；7. 实训,前 10 分钟布置工作任务,其余时间分组指导；重庆市经贸中等专业学校教案纸授课老师盘元荣授课日期2022.4.144.20 上课班级14 电子 1、2、供用电班上课地点B101、305、309 授课课题项目七 半导体式传感器课题总课时6 课次3 授课方式理论课实训课争论课试验课习题课其他教学目的 明白气敏传感器、湿敏传感器的应用 及要求 主要教学内容 半导体式传感器的应用 1、气

12、敏传感器的应用 2、湿敏传感器的应用 教学重点 家用气体报警器、防酒后驾车掌握器、直读式温度计、汽车后窗玻璃自动 及难点 去温装置的原理 教学方法 举例讲解、多媒体讲解、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、音像讲解、操作演示、及手段作业布置教材 p.59 摸索与练习4 教学反思 详细教学 实训 内容及过程 同学活动 主要内容：三、半导体式传感器的应用 1、气敏传感器的应用 主要用于对各种目标气体的定性或定量检测,在环境气体检测、食品安全监 察、呼吸疾病诊断等领域有着广泛的应用；家用气体报警器 电路图如 7-3-1 工作原理：蜂鸣器与气体传感器构成了简洁的串联电路,当气体（如煤气、自然气、液化石油气）

13、泄漏气敏传感器感应到时,传感器阻值减小,回路电流增 大,达到报警点时蜂鸣器便发出声音报警；防止酒后开车掌握器 电路如图 7-3-2所示；工作原理：如司机没有喝酒,合上点火开关S,气敏传感器阻值很大,发光二极管导通 VD 1,发绿光,能够点火启动汽车发动机；当司机喝酒过量,气敏传感器电阻值急剧减小,发光二极管VD 2 导通,发红光示警,同经常闭触点K 2-1断开,发动机无法启动；如司机拔出气敏传感器,继电器K 1线圈失电,其常开触点K 1-1 断开,仍旧无法启动发动机；常闭触点 K 1-2 的作用是长期加热气敏传感器,保证掌握器处于预备状态；2、湿敏传感器的应用主要应用于气候检测、工业生产、物品贮藏等领域；直读式温度计 电路图如 7-3-3所示；构成： RH 传感器, V1、V2、T1 组成电桥电源（ f 为 2501000Hz）,电桥输出经 T 2、C3 耦合到 V3,经 V3放大后的信号,由 VD 1VD 4桥式整流后输入到显示器显示出来；汽车后窗玻璃自动去湿装置电路如图 7-3-4 所示；构成：为嵌入玻璃的加热电阻,RH 为设置在后窗玻璃上的湿敏传感器；常温、常湿度下, RH 阻值较大, VT1 处于导通状态, VT2 处于截至状态,继电器 K 不工作,加热电阻无电流流过；当车内外温差较大,且湿度过大时,湿敏传感器 RH 的阻值减小,是 VT2 导通, VT1 截