气体分析与湿度检测技术.ppt

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1、第10章气体分析与湿度检测技术10.1气体检测及其成分分析10.2湿度检测技术思考与练习10.1气体检测及其成分分析10.1.1可检测气体的种类与性质1.可检测气体的种类目前，已开发的气体传感器能够检测气体的种类和主要检测场所见表10-1。表10-1气敏传感器能够检测气体的种类及主要检测场所2.可燃性气体的爆炸极限及允许浓度为了便于气体传感器的应用，表10-2列出了部分可燃性气体的爆炸极限及允许浓度等综合参数。可燃性气体是指在空气中达到一定浓度、触及火种可引起燃烧的气体。当可燃性气体达到爆炸浓度时，触及火种会引起爆炸。可引起爆炸的浓度范围的最小值称为爆炸下限；

2、最大值称为爆炸上限。表10-2部分可燃性气体的爆炸极限及允许浓度等综合参数表10.1.2气敏传感器1.表面电阻控制型气体传感器1）表面控制型气体传感器的结构表面控制型气体传感器有三种结构类型：烧结型、薄膜型及厚膜型。其中，烧结型最为成熟，薄膜型及厚膜型特性一致性较差。这里仅介绍烧结型。烧结型SnO2气体传感器是用粒度在1μm以下的SnO2粉末，加入少量Pd或Pt等触媒剂及添加剂，经研磨后使其均匀混合，然后将已均匀混合的膏状物滴入模具内，再埋入加热丝及电极，经600～800℃数小时烧结后，可得多孔状的气敏元件芯体，将其引线焊接在管座上，并罩上不锈钢网制成。按

3、加热方式分为直热式和间热式两种,其结构与符号如图10-1所示。图10-1烧结型气体传感器的结构与符号（a）直热式；（b）间热式2）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

4、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。国产直热式气敏传感器有QN型和MQ型，其外形如图10-2所示。图10-2部分国产半导体气敏元件的外形图（a）HQ系列；（b）QN系列；（c）MQ系列（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。

5、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。3）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。2.体电

6、阻控制型气敏传感器1）Fe2O3系列Fe2O3系列现有α-Fe2O3和γ-Fe2O3,主要用来检测液化石油气、煤气和天然气。α-Fe2O3对水蒸汽和乙醇不灵敏，特别适合做家庭可燃气报警器。2）氧气传感器Nb2O5对氧气比较敏感。用Nb2O5制成的氧传感器可用于检测汽车发动机和锅炉等所排废气中的氧气分压强PO2，以控制其最佳燃烧状态。氧化物半导体传感器电导率σ与氧气分压强的关系曲线如图10-3所示。当氧气分压强很低时，氧化物中氧原子逸出参与氧化还原反应形成氧空位，构成施主能极，具有N型导电性，氧气分压强越小，导电性越强。反之，氧气分压强很高时，氧化物中氧原子

7、过剩形成受主能极，具有P型导电性，氧气分压强越大导电性越强。氧气分压强处在中间值范围，氧气传感器属离子导电（实际上工作在N型导电的情况下），其电阻值只与氧气分压强成正比关系，n为取决于材料性质的常数，约为1/6～1/4。图10-3α-PO2关系曲线氧气传感器已用于各种水质中氧溶解量的检测和汽车引擎等各种燃烧过剩物中空燃比的控制。如图10-4所示为空气过剩率λ与氧气传感器阻值R的关系曲线，λ为实际空燃比与理论最佳空燃比的比值。在λ=1附近，氧气分压强值急剧变化，使Nb2O5等半导体阻值突变。通过适当电路检测和调整，可使之保持在λ=1的最佳工作状态。图10-4λ

8、-R关系曲线3.表面电流变化型气敏传感