传感器应用技术（微课版）-课件 项目6 浓度及其相关参量的检测

6.1气敏传感器及其应用定义：气敏传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置，它对于环境保护和安全监督方面起着极重要的作用。

气敏传感器类型半导体式气敏传感器气敏传感器绝缘体气敏传感器电化学气敏传感器光干涉式气敏传感器热传导式气敏传感器红外线吸收式气敏传感器4电阻型非电阻型接触燃烧式型电容式恒电位电解式伽伐尼电池式接触燃烧式气敏传感器又称热导式气体传感器。它的检测元件是在铂丝线圈(Ф0.05）上包以氧化铝和粘合剂形成球状,经烧结而成,其外表敷有铂、钯等稀有金属的催化层,其结构如图4.1.1所示。对铂丝线圈通以电流,使检测元件保持高温(300~400℃),此时若与可燃性气体接触,可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧,因此铂丝线圈的温度就会上升,铂丝线圈的电阻值也上升。发热量与可燃性气体的浓度有关，测量铂丝电阻变化的大小就可以知道可燃性气体的浓度。Pt丝接触燃烧式气敏元件结构示意图(a)元件的内部示意图触媒Al2O3载体(0.8-2)mm元件(b)敏感元件外形图接触燃烧式气敏传感器（热导式气体传感器）

导热气敏材料根据不同可燃性气体与空气导热系数的差异来测量气体浓度。通常导热系数的差异通过电路转化为电阻的变化，传统的检测方法是将待测气体送入气室，气室的中心是热敏元件，如热敏电阻、铂丝或钨丝，加热到一定温度。电化学气敏传感器

电化学气体传感器利用气敏电极或者气体扩散电极等构成一系列电池测量各种气体含量。其中气敏电极测量一些溶解在溶液中气体的含量或者用于环境监测,如O2、CO2、SO2、NH3、HCN、HF等气体,尤其是固体电解质气敏传感器能适应高温、高压等恶劣环境和高浓度的场合。这些气体传感器结构简单,选择性好,而且能快速响应,便于自动测量和控制。

电化学式传感器采用恒电位电解方式和伽戈尼电池方式工作。电化学气敏传感器 --伽戈尼电池式气体传感器

这种传感器本身就是电池,故不需要外部加电压。它主要用来检测氧化物。图9是用来测氧的伽戈尼电池式气体传感器结构图。图9伽戈尼电池式气体传惑器结构光干涉式气敏传感器光波干涉计用于测定透明的固体、液体、气体等的光的折射率，这种方法由来已久，已广泛应用于已知折射率的液体和气体混合物组成的检测。应用光波干涉计式气敏传感器的气体测定器，亦称气体检测器。光由气体中通过时，其折射率随气体的种类、组成、温度、压力等而变化。若气体的种类、温度、压力等为恒定，则通过测定混合气体的折射率，就可知道2成分混合气体的混合比率(气体成分的浓度)。红外吸收式气敏传感器基于气体的红外吸收光谱特性，非单元素的极性气体分子在中红外（2.5～25μm）波段存在着分子振动能级的基频吸收谱线，因此红外气体传感器灵敏度高，既可以用于常量分析，又可以用于微量分析；且选择性好，可以实现背景气体对测量分析基本没有影响。声表面波式气敏传感器

声表面波（SAW）器件由压电材料、叉指换能器（IDT）和振荡电路构成，广泛地应用于通信、雷达、电子对抗、广播电视等民用和军用领域中。声表面波气敏传感器通常有延迟线和谐振器两种结构，目前国内外大多数SAW气敏传感器都是基于SAW延迟线振荡器的气敏元。

特点：精度高、分辨率高、抗干扰能力强、适合远距离传送；输出信号为振荡器频率的变化，易于与计算机接口组成自适应实时处理系统；灵敏度高，有效检测范围线性好；采用集成电路中的平面工艺制作，实现单片多功能化、集成化、智能化，减小了传感器的体积和重量，携带方便。半导体气敏传感器的种类如表

主要物理特性传感器举例工作温度典型被测气体电阻式表面控制型氧化锌室温～450℃可燃性气体体控制型氧化钛、氧化镁、氧化钴室温～700℃酒精、氧气非电阻式表面电位氧化银（Silveroxide）室温硫醇二极管整流特性铂/硫化镉、铂/氧化钛室温～200℃氢气、一氧化碳、酒精晶体管特性铂栅MOS场效应晶体管室温～150℃氢气、硫化氢4.1

半导体气体传感器

气敏电阻品种繁多，主要有可测量还原性气体和测量氧气浓度的两大类。

气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率)发生变化。半导体气敏传感器有：电阻式和非电阻式。一、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，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。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。气敏电阻外形

酒精传感器其他可燃性气体传感器内热式气敏器件结构及符号1234SnO2烧结体加热电极(a)结构4321(b)符号a）气敏烧结体b）气敏电阻外形c）基本测量转换电路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—测量回路电源气敏电阻结构工作电极

气敏半导体的灵敏度特性曲线观察右图这些曲线，有何特点？可以得出哪些启示？请说明非线性特性对浓度超限报警是否有利，为什么？从图中可以看出，元件对不同气体的敏感程度不同，如对乙醚、乙醇、氢气等具有较高的灵敏度，而对甲烷的灵敏度较低。一般随气体的浓度增加，元件阻值明显增大，在一定范围内呈线性关系。半导体气敏传感器灵敏度98半导体气敏传感器工作原理图3N型半导体吸附气体时的器件阻值变化Ф图5.1.1气敏电阻温度特性图温度/℃输出电压/mV特性参数（1）气敏元件的电阻值Ra将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件(电阻型)的固有电阻值，表示为Ｒａ。一般其固有电阻值在(103～105)Ω范围。（2）气敏元件的灵敏度K是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表示气体敏感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）与被测气体浓度之间的依从关系。表示方法有三种电阻比灵敏度K(=Ra/Rg)、气体分离度、输出电压比灵敏度KV。（3）气敏元件的分辨率表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制能力。（4）气敏元件的响应时间tr

表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的63％时为止，所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间，通常用符号tr表示。（5）气敏元件的加热电阻和加热功率

气敏元件一般工作在200℃以上高温。为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻(指加热器的电阻值)称为加热电阻，用RH表示。直热式的加热电阻值一般小于5Ω；旁热式的加热电阻大于20Ω。气敏元件正常工作所需的加热电路功率，称为加热功率，用ＰＨ表示。一般在(0.5～2.0)W范围。（6）气敏元件的恢复时间表示在工作温度下,被测气体由该元件上解吸的速度,一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时,直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值的63％时所需时间。（7）初期稳定时间长期在非工作状态下存放的气敏元件,因表面吸附空气中的水分或者其他气体,导致其表面状态的变化，在加上电负荷后,随着元件温度的升高,发生解吸现象。因此,使气敏元件恢复正常工作状态,需要一定时间,称为气敏元件初期稳定时间。初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数。存放时间越长,其初期稳定时间也越长。在一般条件下,气敏元件存放两周以后,其初期稳定时间即可达最大值。二、氧浓度传感器（TiO2/ZrO2)半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，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，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。图

TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路a）结构b）测量转换电路氧浓度传感器外形可用于汽车尾气测量汽车尾气分析手持式四、气体传感器的应用

分为检测、报警、监控等几种类型。2、辅助电路

由于气敏元件自身的特性(温度系数、湿度系数、初期稳定性等)，在设计、制作应用电路时，应予以考虑。如采用温度补偿电路，减少气敏元件的温度系数引起的误差；设置延时电路，防止通电初期，因气敏元件阻值大幅度变化造成误报；使用加热器失效通知电路，防止加热器失效导致漏报现象。下图是一温度补偿电路231、电源电路

一般气敏元件的工作电压不高(3V～10V)，其工作电压，特别是供给加热的电压，必须稳定。否则，将导致加热器的温度变化幅度过大，使气敏元件的工作点漂移，影响检测准确性。当环境温度降低时，则负温度热敏电阻(R5)的阻值增大，使相应的输出电压得到补偿。BZ~U气敏传感器氖管蜂鸣器NTC电阻WR1R2R3R4R5R6SCR右图为正温度系数热敏电阻(R2)的延时电路。刚通电时，其电阻值也小，电流大部分经热敏电阻回到变压器，蜂鸣器(BZ)不发出报警。当通电1～2min后，阻值急剧增大，通过蜂鸣器的电流增大，电路进入正常的工作状态。BZ气敏传感器PTC电阻R2R1R3R4BCR~UB蜂鸣器氖管243、检测工作电路

这是气敏元件应用电路的主体部分。下图是设有串联蜂鸣器的应用电路。随着环境中可燃性气体浓度的增加，气敏元件的阻值下降到一定值后，流入蜂鸣器的电流，足以推动其工作而发出报警信号。~220VBZ

氖管家用可燃性气体报警器电路(简易)气敏传感器蜂鸣器BR25图4.1.6矿灯瓦斯报警器原理图图4.1.5简易袖珍式气体检漏仪原理图

1、气体选择性好（只能对一种气体敏感）。

2、对被测气体有较高的灵敏度。

3、能够长期稳定工作。

4、响应速度快。

气敏传感器选型要求使用注意事项：测定固有电阻值Ｒａ时,要求必须在洁净空气环境中进行。酒精传感器的选择性家庭用煤气报警器一氧化碳传感器其他气体传感器NH3传感器中煤科工重庆研究院GJG100H(B)红外甲烷传感器有毒气体传感器的使用

一、湿度概念及其测量方式1、湿度概念--空气中水蒸汽的含量。（1）绝对湿度单位体积空间内所含有水蒸汽的质量。（密度）（2）相对湿度空气中实际所含水蒸汽的分压和同温度下饱和水蒸汽分压的百分比。6.2湿敏传感器及其应用湿度对电子元件的影响

当环境的相对湿度增大时，物体表面就会附着一层水膜，并渗入材料内部。这不仅降低了绝缘强度，还会造成漏电、击穿和短路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引起有机材料的霉烂。湿度传感器的分类

1、半导体陶瓷湿敏电阻半导体陶瓷湿敏电阻通常是用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成的多孔陶瓷。分为负特性湿敏半导体陶瓷、正特性湿敏半导体陶瓷。二、典型湿度传感器2、氯化锂湿敏电阻

氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解,离子电导率发生变化而制成的测湿元件。 结构如图所示,由引线、基片、感湿层与电极组成。特点：滞后小,不受测试环境风速影响,检测精度高达±５%,但其耐热性差,器件性能的重复性不理想,使用寿命短。

高分子介质吸湿（吸附水分子）后，其介电常数发生变化，电容值（C=εA/d）变化（增加）。由于高分子薄膜做得很薄，能迅速吸湿和脱湿，响应性能优良，根据电容量的变化可测得相对湿度。3、高分子薄膜电容湿敏传感器负特性湿敏半导瓷正特性湿敏半导瓷20406080100103104105106107108相对湿度/%R/Ω4.2.3选型和注意事项（1）电阻一湿度特性（2）电阻—温度特性

是在不同的温度环境下，测量陶瓷湿度传感器的电阻—湿度特性。从图可见，从20℃到80℃各条曲线的变化规律基本一致，具有负温度系数，其感湿负温度系数为–0.38％RH／℃。如果要求精确的湿度测量，需要对湿度传感器进行温度补偿。20406080100103104105106107108相对湿度/%20℃40℃60℃80℃R/ΩMgCr2O4-TiO2系湿度传感器的电阻—温度特性MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的时间响应特性20406080100010203094%RH50%RH1%RH50%RH

t/s%RH（3）响应时间

响应时间特性如图。根据响应时间的规定，从图中可知，响应时间小于10s。（4）精确度和长期稳定性湿度传感器的精度应达到±2%~±5%RH，±2%~±3%RH为佳；年漂移量一般都在±2%左右，1%为佳；实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降。一、简介湿敏电容HS1101/HS1101LF传感器基于独特工艺设计的湿敏电容元件。全