第8章-气体和湿度传感器课件

第8章气体和湿度传感器

8.1气体传感器

8.2湿度传感器

8.3气体和湿度传感器的应用

8.4实训-酒精测试仪装调

第8章气体和湿度传感器8.1气体传18.1气体传感器8.1气体传感器2气体传感器是一种把气体中的特定成分检测出来,并将它转换为电信号的器件,

以便提供有关待测气体的存在及浓度大小的信息。

见表8-1。气体传感器是一种把气体中的特定成分检测出来,并3表8-1气敏传感器主要检测对象及其应用场所分类检测对象气体应用场合易燃易爆气体液化石油气、焦炉煤气、发生炉煤气、天然气甲烷氢气家庭用煤矿冶金、试验室有毒气体一氧化碳（不完全燃烧的煤气）硫化氢、含硫的有机化合物卤素，卤化物，氨气等煤气灶等石油工业、制药厂冶炼厂、化肥厂环境气体氧气（缺氧）水蒸气（调节湿度，防止结露）大气污染（SOx,NOx,CL2等）地下工程、家庭电子设备、汽车、温室工业区工业气体燃烧过程气体控制，调节燃/空比一氧化碳（防止不完全燃烧）水蒸气（食品加工）内燃机，锅炉内燃机、冶炼厂电子灶其它灾害烟雾，司机呼出酒精火灾预报，事故预报表8-1气敏传感器主要检测对象及其应用场所分类检测对象4气体传感器的性能必须满足下列条件：（1）能够检测并能及时给出报警、显示与控制信号；（2）对被测气体以外的共存气体或物质不敏感；（3）性能稳定性、重复性好；（4）动态特性好、响应迅速；（5）使用、维护方便，价格便宜。气体传感器的性能必须满足下列条件：58.1.1半导体型气体传感器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。半导体气体传感器大体可分为电阻式和非电阻式两大类。见表8-2。电阻式是用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料制作。非电阻式是一种半导体器件。8.1.1半导体型气体传感器6表8-2半导体气体传感器的分类主要的物理特性传感器举例工作温度代表性被测气体电阻式表面控制型氧化锡、氧化锌室温～450οC可燃性气体体控制型LaI-xSrxCoO3，FeO氧化钛、氧化钴、氧化镁、氧化锡300～450οC700οC以上酒精、可燃性气体、氧气非电阻式表面电位氧化银室温乙醇二极管整流特性铂/硫化镉、铂/氧化钛室温～200οC氢气、一氧化碳、酒精晶体管特性铂栅MOS场效应管150οC氢气、硫化氢表8-2半导体气体传感器的分类主要的物理特性传感器举例工71.表面控制型气体传感器

半导体器件表面原来吸附的气体与半导体材料之间会有电子施受发生。

以N型半导体器件为例，通常器件置于空气中，吸附了空气中的氧这样的电子复合量大的气体以后，半导体表面会失去电子，被吸附的氧所俘获，为负电荷吸附。

其结果表现为N型半导体器件表面电子数减少，器件处于高电阻状态。1.表面控制型气体传感器8

一旦器件与被测气体接触，被测气体会与吸附的氧起反应，被氧俘获的电子释放出来，器件表面电子数增加，器件电阻减小。

这类传感器多数是以可燃性气体为检测对象，但如果吸附能力强，即使是非可燃性气体也能作为检测对象。

其具有检测灵敏度高，响应速度快，实用价值大等优点。目前常用的半导体材料为氧化锡、氧化锌等较难还原的氧化物，掺有少量贵金属（如Pt等）作为激活剂。一旦器件与被测气体接触，被测气体会与吸附的氧起92.体电阻控制型气体传感器体控制型电阻式气体传感器是利用体电阻的变化来检测气体的半导体器件。检测对象主要有：

液化石油气，主要是丙烷；

煤气，主要是CO、H2；

天然气，主要是甲烷。2.体电阻控制型气体传感器103.非电阻型气体传感器二极管气体传感器是利用一些气体被金属与半导体的界面吸收，对半导体禁带宽度或金属的功函数的影响，而使二极管整流特性发生变化而制成。3.非电阻型气体传感器11场效应管FET型气体传感器是根据栅压域值的变化来检测未知气体。电容型气体传感器是根据CaO—BaTiO3等复合氧化物随CO2浓度变化、其静电容量有很大变化而制成。场效应管FET型气体传感器是根据栅压域值的变化128.1.2固体电解质式气体传感器

这类传感器内部不是依赖电子传导，而是靠阴离子或阳离子进行传导。因此，把利用这种传导性能好的材料制成的传感器称为固体电解质传感器。8.1.2固体电解质式气体传感器138.1.3接触燃烧式气体传感器

接触燃烧式气体传感器是将白金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300~600οC的高温状态，同时将器件接入电桥电路中的一个桥臂。8.1.3接触燃烧式气体传感器14一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可测得可燃性气体的浓度。一旦有可燃性气体与传感器表面接触，燃烧热量进一158.1.4电化学式气体传感器1.离子电极型气体传感器由电解液、固定参照电极和pH电极组成。通过透气膜使被测气体溶于电解液。以被测气体为CO2为例，在电解液中达到如下化学平衡：

CO2+H2O=H++HCO3―

根据pH值就能知道CO2

的浓度。8.1.4电化学式气体传感器162.加伐尼电池式气体传感器由隔离膜、铅电极（阳）、电解液、白金电极（阴）组成一个加伐尼电池。当被测气体通过聚四氟乙烯隔膜扩散到达负极表面时，即可发生还原反应。溶液中产生电流，流过外电路。该电流数值和气体的速度成比例。2.加伐尼电池式气体传感器173.定位电解法气体传感器

又称控制电位电解法气体传感器。

由工作电极（也称敏感电极）、辅助电极、参比电极以及用聚四氟乙烯材料制成的透气隔离膜组成。

工作电极与辅助电极、参比电极间充以电解液，被测气体通过透气隔离膜扩散到电解液中。

定位电解法气体传感器一氧化碳气体浓度测试电路如图8-1所示。3.定位电解法气体传感器18图8-1定位电解法一氧化碳气体浓度测试电路图8-1定位电解法一氧化碳气体浓度测试电路19

图中NAP－505为日本生产的小型、低功耗一氧化碳传感器。

一氧化碳通过透气膜进入电解液到达工作电极（W）表面，工作电极表面发生电化学反应（氧化反应）：CO＋H2O→CO2＋2H＋＋2e－

产生的电子在工作电极上，产生的氢离子在工作电极旁的电解液中。图中NAP－505为日本生产的小型、低功耗一氧20

电子使工作电极产生负电压，电子由外电路向辅助电极（C）流动。氢离子在电解液中向辅助电极流动，接收辅助电极上的电子和电极旁的氧气，发生还原反应：2H＋＋O2／2＋2e－→H2O

参比电极（R）表面同样发生氧化反应，作用是给工作电极提供固定电压。

工作电极流出的电流（电子）与一氧化碳浓度成比例。电流在10Ω电阻上产生电压由IC1放大，测量输出V0可知一氧化碳浓度。电子使工作电极产生负电压，电子由外电路向辅助电218.1.5集成型气体传感器一类是把敏感部分、加热部分和控制部分集成在同一基底上，以提高器件的性能；另一类是把多个具有选择性的元件，用厚膜或薄膜的方法制在一个衬底上。用微机处理和信号识别的方法对被测气体进行有选择性的测定，这样既可以对气体进行识别又可以提高检测灵敏度。8.1.5集成型气体传感器228.1.6气体传感器的应用1.可燃性气体泄露报警器为防止常用气体燃料如煤气（H2、CO等），天然气（CH4等）、液化石油气（C3H8、C4H10等）及CO等气体泄漏引起中毒、燃烧或爆炸，

可以应用可燃性气体传感器配上适当电路制成报警器。8.1.6气体传感器的应用232.在汽车中应用的气体传感器控制燃空比，需用氧传感器；

控制污染，检测排放气体，需用CO、NOx、HCl、O2等传感器；

内部空调，需用CO、烟、湿度等传感器。2.在汽车中应用的气体传感器243.在工业中应用的气体传感器在Fe和Cu等矿物冶炼过程中常使用氧传感器。在半导体工业中需用多种气体传感器。在食品工业中也常用氧传感器。3.在工业中应用的气体传感器254.检测大气污染方面用的气体传感器对于污染环境需要检测的气体有SO2、H2S、NOX、CO、CO2等，

因为需要定量测量，宜选用电化学气体传感器。4.检测大气污染方面用的气体传感器265.在家电方面用的气体传感器在家电中用于可燃气泄漏报警及换气扇、抽油烟机的自动控制，

也用于微波炉和燃气炉等家用电器中，以实现烹调的自动控制。5.在家电方面用的气体传感器276.在其他方面的应用除上述以外，气体传感器还被广泛用于医疗诊断，矿井安全等场合。

目前各类气体传感器已有实用商品。

半导体类气体传感器广泛由于控制系统。

电化学式气体传感器广泛由于环境监测设备。6.在其他方面的应用288.1.7烟雾传感器烟雾是比气体分子大得多的微粒悬浮在气体中形成的，必须利用微粒的特点检测。1.散射式在发光管和光敏元件之间设置遮光屏，无烟雾时光敏元件接收不到光信号，有烟雾时借助微粒的散射光使光敏元件发出电信号，如图8-2所示。这种传感器的灵敏度与烟雾种类无关。8.1.7烟雾传感器29图8-2散射式烟雾传感器

图8-2散射式烟雾传感器302.离子式用放射性同位素镅Am241放射出微量的α射线，使附近空气电离。当平行平板电极间有直流电压时，产生离子电流IK。有烟雾时，微粒将离子吸附，而且微粒本身也吸收α射线，其结果是离子电流IK减小。工作原理如图8-3所示。2.离子式31μA+––+Am图8-3离子式烟雾传感器

图8-3离子式烟雾传感器328.2湿度传感器8.2湿度传感器338.2.1湿度传感器特性湿度是指物质中所含水蒸气的量，目前的湿度传感器多数是测量气氛中的水蒸气含量。通常用绝对湿度、相对湿度和露点（或露点温度）来表示。1.绝对湿度绝对湿度是指单位体积的气氛中含水蒸气的质量，其表达式为8.2.1湿度传感器特性342.相对湿度（RH）相对湿度为待测气氛中水汽分压与相同温度下水的饱和水汽压的比值的百分数。2.相对湿度（RH）353.露点在一定大气压下，将含水蒸气的空气冷却，当降到某温度时，空气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态变成液态而凝结成露珠，这种现象称为结露。此时的温度称为露点或露点温度。如果这一特定温度低于0οC，水汽将凝结成霜。

3.露点36

湿度传感器是由湿敏元件及转换电路组成的，具有把环境湿度转变为电信号的能力。其主要特性有以下几点：(1)感湿特性感湿特性为湿度传感器特征量（如：电阻值、电容值、频率值等）随湿度变化的关系。常用感湿特征量和相对湿度的关系曲线来表示，如图8-4所示。湿度传感器是由湿敏元件及转换电路组成的，具有把环37图8-4湿度传感器的感湿特性图8-4湿度传感器的感湿特性38(2)湿度量程湿度量程为湿度传感器技术规范规定的感湿范围（RH值，相对湿度）。全量程为（0~100%）。(3)灵敏度灵敏度为湿度传感器的感湿特征量（如：电阻、电容值等）随环境湿度变化的程度，也是该传感器感湿特性曲线的斜率。(2)湿度量程39(4)湿滞特性湿度传感器在吸湿过程和脱湿过程中吸湿与脱湿曲线不重合，而是一个环形回线，这一特性就是湿滞特性，如图8-5所示。(5)响应时间响应时间为在一定环境温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的感湿特征量达到稳定变化量的90%所需的时间。(4)湿滞特性40

图8-5湿度传感器的湿滞特性

图8-5湿度传感器的湿滞特性41(6)感湿温度系数当环境湿度恒定时，温度每变化1οC，引起湿度传感器感湿特征量的变化量。(7)老化特性湿度传感器在一定温度、湿度气氛下存放一定时间后，其感湿特性将发生变化的特性。(6)感湿温度系数428.2.2陶瓷型湿度传感器陶瓷表面多孔性吸湿后，导电阻值将发生改变。陶瓷湿敏元件随外界湿度变化而使电阻值变化的特性便是用来制造湿度传感器的依据。8.2.2陶瓷型湿度传感器431.MgCr2O4-TiO2系湿度传感器是一种典型的多孔陶瓷湿度测量器件。具有灵敏度高、响应特性好、测湿范围宽和高温清洗后性能稳定等优点，目前已商品化。结构如图8-6所示。1.MgCr2O4-TiO2系湿度传感器44图8-6MgCr2O4—TiO2湿度传感器结构示意图

图8-6MgCr2O4—TiO2湿度传感器结构示意图452.ZrO2系厚膜型湿度传感器

ZrO2系厚膜型湿度传感器的感湿层是用一种多孔ZrO2系厚膜材料制成的，它可用碱金属调节阻值的大小并提高其长期稳定性。其结构如图8-7所示。2.ZrO2系厚膜型湿度传感器46

图8-7ZrO2湿度传感器的结构图1-印制的ZrO2感湿层（厚为几十微米）；2-由多孔高分子膜制成的防尘过滤膜；3-用丝网印刷法印制的Au梳状电极;4-瓷衬底；5-电极引线图8-7ZrO2湿度传感器478.2.3有机高分子湿度传感器1.高分子电阻式湿度传感器水吸附在有极性基的高分子膜上，在低湿下，因吸附量少，不能产生荷电离子，所以电阻值较高。相对湿度增加时，吸附量也增加，集团化的吸附水就成为导电通道，正负离子对起到载流子作用，电阻值下降。称为电阻式高分子湿度传感器。8.2.3有机高分子湿度传感器482.高分子电容式湿度传感器高分子材料吸水后，介电常数变化，引起电容的变化。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（3~6）远远小于水的介电常数（81），所以介质中水的成分对总介电常数的影响比较大。使元件对湿度有较好的敏感性能。高分子电容式湿度传感器如图8-8所示。2.高分子电容式湿度传感器4953412

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图8-8高分子电容式湿度传感器的结构

1-微晶玻璃衬底；2-下电极；3-敏感膜；4-多孔浮置电极；5-引线图8-8高分503.结露传感器利用了掺入碳粉的有机高分子材料吸湿后的膨润现象。在高湿下，高分子材料的膨胀引起其中所含碳粉间距变化而产生电阻突变。利用这种现象可制成具有开关特性的湿度传感器。其特性如图8-9所示。3.结露传感器51020406080100100101102103104

电阻值KΩ相对灵敏度%RH图8-9结露传感器的特性曲线

020528.2.4半导体型湿度传感器硅MOS型Al2Ｏ3湿度传感器是在Si单晶上制成MOS晶体管。其栅极是用热氧化法生长厚度为80nm的SiＯ2膜，在此SiＯ2膜上用蒸发及阳极化方法制得多孔Al2Ｏ3膜，然后再蒸镀上多孔金（Au）膜而制成。响应速度快、化学稳定性好、耐高低温冲击。其结构如图8-10所示。8.2.4半导体型湿度传感器53SiO2AlAlAl2O3AuSi图8-10MOS型Al2O3湿度传感器的结构

图8-10MOS型Al2O3湿度传感器的结构548.2.5含水量检测通常将空气或其它气体中的水分含量称为“湿度”，将固体物质中的水分含量称为“含水量”。1.称重法将被测物质烘干前后的重量GH和GD测出，含水量的百分数便是：8.2.5含水量检测552.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。3.电容法水的介电常数远大于一般干燥固体物质，因此用电容法测物质的介电常数从而测含水量相当灵敏，造纸厂的纸张含水量便可用电容法测量。2.电导法564.红外吸收法水分对波长为1.94μm的红外射线吸收较强，并且可用几乎不被水分吸收的1.81μm波长作为参比。由上述两种波长的滤光片对红外光进行轮流切换，根据被测物对这两种波长的能量吸收的比值便可判断含水量。4.红外吸收法575.微波吸收法水分对波长为1.36cm附近的微波有显著吸收现象，而植物纤维对此波段的吸收要比水小几十倍。利用这一原理可构成测木材、烟草、粮食、纸张等物质中含水量的仪表。5.微波吸收法588.3柔性传感器

柔性传感器是指采用柔性材料制成的传感器，具有良好的柔韧性、延展性，甚至可以自由弯曲、折叠。

柔性传感器结构如图8-11所示，由柔性基体、电极、薄膜敏感材料及信号引出导线组成。

柔性基体由柔性材料做成。8.3柔性传感器59

图8-11柔性传感器结构a)结构组成正视图b)A-A剖面图图8-11柔性传感器结构60

常见的柔性材料有聚乙烯醇（PVA）、聚酯（PET）、聚酰亚胺（PI）、聚萘二甲酯乙二醇酯（PEN）、纸片、纺织面料等。

常用的是聚酯、聚酰亚胺、聚萘二甲酯乙二醇酯三种。

柔性传感器的电极有金属电极、导电氧化物电极、纳米复合电极等类型，用化学电镀法、真空蒸镀法、磁控溅射法等固定在柔性基底上。

柔性传感器敏感材料通常以薄膜的形式覆盖在电极上。常见的柔性材料有聚乙烯醇（PVA）、聚酯（PE61

柔性气体传感器是在电极表面覆盖有对气体敏感性高、制作工艺简便的薄膜材料，能很好地满足特殊环境下气体传感器的便携带、易安置、低功耗的需求，可对HN3、NO2、乙醇气体等进行简单精确的检测。

其中柔性乙醇气体传感器以聚酰亚胺做柔性基体，真空电子蒸镀制作金属电极，以SnO2－PDDAC（聚二甲基二烯丙基氯化铵）作为敏感材料。柔性气体传感器是在电极表面覆盖有对气体敏感性高62

柔性湿度传感器有电阻式和电容式两大类。

湿敏电阻器是在柔性基片和电极上覆盖一层用感湿材料制成的膜。当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，湿敏电阻器的电阻值发生变化。

湿敏电容器是在柔性基片和电极上覆盖用高分子薄膜制成的敏感膜，当空气中的水蒸气吸附在高分子薄膜上时，湿敏电容器的电容值发生变化。柔性湿度传感器有电阻式和电容式两大类。638.4气体和湿度传感器的应用8.4气体和湿度传感器的应用648.4.1简单家用气体报警器如图8-12所示是一种最简单的家用气体报警器电路。采用直热式气敏器件TGS109作气体传感器。当室内可燃气体增加时，由于气敏器件接触到可燃气体而其阻值降低，使流经测试回路的电流增加，可直接驱动蜂鸣器报警。8.4.1简单家用气体报警器65图8-12简易家用气体报警器电路图图8-12简易家用气体报警器电路图66

设计报警器时，重要的是如何确定开始报警的气体浓度。一般情况下，对于丙烷、丁烷、甲烷等气体，都选定在爆炸下限的十分之一。设计报警器时，重要的是如何确定开始报警的气体浓度678.4.2煤气泄露报警器

由于气敏传感器的线性一般较差，检测数据不准，但用于开关工作状态比较好用。因而气体检测的目的也多用于报警与控制。

煤气泄露报警器电路如图8-13所示。MQK－2为气敏传感器，当检测到烟雾或可燃气体时，其A极和B极之间电阻减小，集成电路IC1的2脚电位下降。8.4.2煤气泄露报警器68图8-13煤气泄露报警器电路图8-13煤气泄露报警器电路69

当烟雾或可燃气体浓度较大，该点电位下降到低于IC1的8脚所加工作电压的三分之一时，IC1的3脚输出高电平。

该高电平经稳压二极管VD1稳压为4.2V，加到语音信号发生器IC2和经LED1、R2加到晶体管VT1，为IC2和VT1提供电源。

IC2得电工作后，输出语音报警信号，经VT1放大，由C4耦合送IC3功率放大，驱动BL扬声器发出报警声音，同时点亮发光二极管LED2

。当烟雾或可燃气体浓度较大，该点电位下降到低于I708.4.3二氧化碳传感器

二氧化碳有半导体、热传导、电化学和红外线等检测方式。

TGS4160二氧化碳传感器采用固态电化学型气体敏感元件，为FIGARO（费加罗）公司生产，具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好、耐高湿和低温等特点，广泛用于自动通风换气系统和二氧化碳气体长期检测等场合。

二氧化碳传感器如图8-14所示。8.4.3二氧化碳传感器71图8-14二氧化碳传感器内部结构

图8-14二氧化碳传感器内部结构721、6端接5V直流加热电压，2、5端热敏电阻接温度补偿，3、4端输出二氧化碳检测电压。

检测电压经运算放大器AD627A放大，输出为0～几百毫伏，再由可编程低功耗运算放大器LTC271放大，输出送检测显示，或驱动自动通风换气系统。

热敏电阻Rt阻值用于调节LTC271放大量，进行温度补偿。1、6端接5V直流加热电压，2、5端热敏电阻738.4.4气体浓度检测电路

图8-15所示为用M008设计的气体浓度检测电路。

+12V电源由H、H1端输入，给M008加热，A、B间的电阻值随气体浓度的增大而减小，电位器RP2活动臂的电压则随气体浓度的增大而增大。

A1～A4构成4个电压比较器，其反相输入端连在一起，与RP2活动臂相连。8.4.4气体浓度检测电路74图8-15

气体浓度检测电路图8-15气体浓度检测电路75

＋12V电源经R1～R5分压后，分别给A1～A4的同相输入端输入0.86V、1.71V、2.57V、3.43V电压。

若RP2活动臂电压高于0.86V，A1输出低电平，发光二极管VL4点亮。

气体浓度越高，RP2活动臂电压越高，点亮发光二极管越多。

由点亮发光二极管的只数，可以判别气体浓度的4个等级。＋12V电源经R1～R5分压后，分别给A1～768.4.5空气湿度检测电路

图8-16所示808H5V5为湿度传感器集成电路，内部包括湿度传感器和信号放大电路，工作电源电压为＋5V，可检测湿度范围为0～100％，相应输出电压为0.8～3.9V。808H5V5可安放于需检测湿度的位置，输出信号电压用引线引出，可直接驱动电压表指针指示，也可以经ICL7106显示驱动集成电路A／D转换后，驱动液晶显示器显示。8.4.5空气湿度检测电路77图8-16空气湿度检测电路图8-16空气湿度检测电路78单电源使用时，ICL7106的1脚接正电源，21脚接地，双电源使用时，ICL7106的1脚接正电源，21脚接负电源。单电源使用时，ICL7106的1脚接正电源，21脚接地，双电79

8.4.6结露报警电路

结露报警电路如图8-17所示，图中HOS103为结露传感器。

在低湿时，结露传感器的电阻值为2kΩ左右，VT1基极电压低于0.6V而截止，VT2基极电压为＋5V，发射结无偏置电压而截止，结露指示LED发光二极管不亮。8.4.6结露报警电路80图8-17结露报警输出电路图8-17结露报警输出电路81

在结露时，结露传感器的电阻值大于50kΩ，VT1基极