传感器与检测技术第2版教学课件作者胡向东第11章节

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1、第11章　化学传感器知识单元与知识点化学传感器、气敏传感器、湿度、湿敏传感器的定义；湿度的表示方法（绝对湿度、相对湿度和露点）；气敏传感器、湿敏传感器的主要参数和特性、类型、特点；半导体式气敏传感器、电阻式湿敏传感器的工作原理；气敏传感器、湿敏传感器的应用。能力点理解化学传感器、气敏传感器、湿度、湿敏传感器的定义；了解湿度的表示方法；了解气敏传感器、湿敏传感器的主要参数和特性、类型、特点；会分析半导体式气敏传感器、电阻式湿敏传感器的工作原理；了解气敏传感器、湿敏传感器的应用。重难点重点：基本概念；气敏传感

2、器、湿敏传感器的主要参数和特性、类型、特点；导体式气敏传感器、电阻式湿敏传感器的工作原理。难点：半导体陶瓷湿敏材料的导电机理。学习要求了解化学传感器、气敏传感器、湿敏传感器的定义及湿度的表示方法；了解气敏传感器、湿敏传感器的主要参数和特性、类型、特点；掌握半导体式气敏传感器、电阻式湿敏传感器的工作原理；了解气敏传感器、湿敏传感器的应用。化学传感器的概念11.1气敏传感器11.2湿敏传感器化学传感器：能将各种化学物质特性的变化定性或定量地转化为电信号的传感器气体的成份与浓度离子或电解质浓度空气湿度气敏传感器

3、的定义：是能够感知环境中某种气体及其浓度的一种敏感器件它将气体种类及其浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息。11.1气敏传感器气敏传感器的性能要求对被测气体具有较高的灵敏度对被测气体以外的共存气体或物质不敏感性能稳定，重复性好动态特性好，对检测信号响应迅速使用寿命长制造成本低，使用与维护方便等专一性气敏传感器的主要参数及特性灵敏度：对被测气体(种类)的敏感程度响应时间：对被测气体浓度的响应速度选择性：指在多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类的能

4、力稳定性：当被测气体浓度不变时，若其他条件发生改变，在规定的时间内气敏元件输出特性保持不变的能力温度特性：气敏元件灵敏度随温度变化而变化的特性湿度特性：气敏元件灵敏度随环境湿度变化而变化的特性电源电压特性：指气敏元件灵敏度随电源电压变化而变化的特性时效性：反映元件气敏特性稳定程度的时间，就是时效性；互换性：同一型号元件之间气敏特性的一致性，反映了其互换性气敏传感器的分类类型原理检测对象特点半导体式若气体接触到加热的金属氧化物(SnO2、Fe2O3、ZnO2等)，电阻值会增大或减小还原性气体、城市排放气体、

5、丙烷气等灵敏度高，构造与电路简单，但输出与气体浓度不成比例接触燃烧式可燃性气体接触到氧气就会燃烧，使得作为气敏材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大燃烧气体输出与气体浓度成比例，但灵敏度较低化学反应式利用化学溶剂与气体反应产生的电流、颜色、电导率的增加等CO、H2、CH4、C2H5OH、SO2等气体选择性好，但不能重复使用光干涉式利用与空气的折射率不同而产生的干涉现象与空气折射率不同的气体，如CO2等寿命长，但选择性差热传导式根据热传导率差而放热的发热元件的温度降低进行检测与空气热传导率不同的气体，如H2等构

6、造简单，但灵敏度低，选择性差红外线吸收散射式由于红外线照射气体分子谐振而吸收或散射量进行检测CO、CO2等能定性测量，但装置大，价格高11.1.2半导体式气敏传感器的工作原理半导体式气敏传感器概念：利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质发生变化的原理来检测特定气体的成分或者浓度半导体式气敏传感器可分为：电阻式非电阻式（1）电阻式气敏传感器基本原理是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面物性自

7、由扩散（物理吸附），失去运动能量，其间一部分分子被蒸发掉，残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。氧气、NO2等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子接收性气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气体或电子供给性气体。电阻式气敏传感器的阻值变化规律当氧化型气体吸附到N

8、型半导体（SnO2,ZnO)上，还原型气体吸附到P型半导体(CrO3)上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。N型半导体吸附气体时器件阻值变化图SnO2的灵敏度特性和温－湿度特性SnO2气敏电阻的基本检测电路电阻式气敏元件通常工作于高温状态，一般温度范围在200－450℃，有利于去除油污、尘埃，并加速气体与金属氧化物的氧化还原反