传感器技术及其工程应用 教学课件 作者 金发庆 第8章 气体和湿度传感器.ppt

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1、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8.1气体传感器8.1气体传感器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。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

2、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。8.1.1半导体型气体

3、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。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/

4、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1.表面控制型气体传感器平常器件工作在空气中，空气中的O2和NO2，接受来自N型半导体材料敏感膜的电子吸附，表现为N型半导体材料敏感膜的表面传导电子数减少，表面电导率减小，器件处于高阻状态。一旦器件与被测气体接触，就会与吸附的氧起反应，将被氧束缚的电子释放出来，使敏感膜表面电导率增大，器件电阻减少。目前常用的材料为氧化锡和氧化锌等较难还原的氧化物，也有研究用有机半导体材料的。在这类传感器中一般均参有少量贵金属（

5、如Pt等）作为激活剂。这类器件目前已商品化的有SnO2、ZnO等气体传感器。2.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。例如利用SnO2气敏器件可设计酒精探测器，当酒精气体被检测到时，气敏器件电阻值降低，测量回路有信号输出，提供给电表显示或指示灯发亮。气敏器件工作时要提供加热电源。3.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

6、函数的影响，而使二极管整流特性发生性质变化而制成。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。8.1.2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。8.1.3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

7、的高温状态，同时将元件接入电桥电路中的一个桥臂。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。8.1.4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和外界达到平衡。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。2.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

8、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。3.定位电解法气体传感器由工作电极、辅助电极及参比电极以及聚四氟乙烯制成的透气隔离膜组成，在电极间充以电解液。传感器工作电极（敏感电极）的电位由电位器控制，使其与参比电极电位保持恒定。待测气体分子通过透气膜到达敏感电极表面时，发生电化学