自动检测与转换技术教学课件 作者 裴蓓 第5章 气体和湿度传感器.ppt

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1、第5章气体和湿度传感器气体传感器概述5.1湿敏传感器5.2技能实训5.3【学习目标】掌握气体传感器的种类和工作原理掌握大气的湿度与露点的概念掌握测量湿度的传感器的种类和特点【技能目标】具备分析气体传感器电路的能力具备制作气体传感器应用电路的能力具备制作湿敏传感器应用电路的能力具备调试电路的能力5.1气体传感器概述图5.1所示为一款复合式气体检测仪实物图。图5.1复合式气体检测仪实物图5.1.1气敏电阻1．气敏电阻半导体气敏材料分为P型和N型两种，P型材料主要有MoO2（二氧化钼）、NiO2（二氧化镍）等，N型材料主要有SnO2（二氧化锡）、ZnO（氧化锌）等。用P型材料制成的气敏电阻呈空穴导电

2、性，当环境中涌现还原性气体时（即可燃性气体，如一氧化碳、氢等），其阻值增大；当环境中涌现氧化性气体时（如氧），其阻值减小。用N型材料制成的气敏电阻呈电子导电性，当环境中涌现还原性气体时，其阻值减小；当环境中涌现氧化性气体时，其阻值增大。下面以SnO2气敏电阻为例说明其工作原理。SnO2气敏电阻变化与吸附气体之间的关系如图5.2所示。图5.2SnO2气敏电阻与吸附气体的关系2．气敏电阻测量电路半导体气敏电阻的工作电压可为直流电压，也可为交流电压，一般其电阻工作电压范围为5～40V，灯丝（加热器）工作电压范围为4.5～3.5V。图5.3所示为旁热式SnO2气敏电阻基本测量电路。图5.3气敏电阻基本

3、测量电路5.1.2半导体气敏传感器半导体气敏传感器按照半导体变化的物理特性可分为电阻式和非电阻式。半导体气敏传感器分类如表5-1所示。所利用的特性气敏部件工作温度代表性被测气体电阻式表面控制型氧化锡（SnO2）、氧化锌（ZnO）室温～450℃可燃性气体体控制型氧化铁（γ—Fe2O3）氧化钛（TiO2）、氧化钴（CoO）、氧化镁（MgO）300～450℃700℃以上700℃以上酒精、可燃性气体、氧气非电阻式表面电位氧化银（Ag2O）室温乙醇二极管整流特性铂／氧化钛（Pd/TiO2）室温～200℃氢气、一氧化碳、酒晶体管特性铂栅MOS场效应管（Pd—MOSFET）150℃氢气、硫化氢表5-1半导体

4、气体传感器分类1．半导体气敏传感器的结构（1）烧结型SnO2气敏电阻烧结型SnO2气敏电阻以多孔质陶瓷SnO2为基本材料，添加不同的材料进行烧结而成。①直热式SnO2气敏电阻。直热式SnO2气敏电阻的结构、图形符号和实物图如图5.4所示，它由SnO2基体材料、加热丝、测量丝构成，加热丝和测量丝都直接埋设在基体材料内。图5.4直热式SnO2气敏电阻②旁热式SnO2气敏电阻。旁热式SnO2气敏电阻的结构和图形符号如图5.5所示。2，5—灯丝1，3，4，6—测量引脚图5.5旁热式SnO2气敏电阻（2）薄膜型气敏电阻薄膜型气敏电阻的结构如图5.6所示，它采用蒸发或溅射方法在石英基片上形成一薄层半导体氧

5、化物薄膜（在0.1m以下）。薄膜型SnO2和ZnO的气敏特性最好，但这种薄膜为物理性附着系统，元件之间的性能差异较大。图5.6薄膜型气敏电阻（3）厚膜型气敏电阻厚膜型气敏电阻的结构如图5.7所示。图5.7厚膜型气敏电阻2．半导体气敏传感器的主要参数（1）电阻值电阻型气敏传感器在常温、洁净空气中的电阻值，称为固有电阻值，用Ra表示。一般其固有电阻值为103～105。（2）灵敏度灵敏度是表征气敏传感器对于被测气体的敏感程度的指标，它表示气敏传感器的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）与被测气体浓度之间的关系。灵敏度的表示方法有3种。①电阻比灵敏度K：K=Ra/Rg②气体分离度α:α=Rc1/Rc

6、2式中：RC1—气敏元件在浓度为C1的被测气体中的阻值；Rc2—气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值，通常，C1＞C2。③输出电压比灵敏度KV：KV=Va/Vg式中：Va—气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压；Vg—气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的输出电压。（3）分辨率气敏传感器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。S=ΔVg/ΔVgi=(VgVa)/(VgiVa)式中：Va—气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压；Vg—气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压；Vgi—气敏元件在i种气体浓度为规定值中工作

7、时，负载电阻的电压。（4）响应时间响应时间表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。（5）加热电阻和加热功率气敏元件一般工作在200℃以上高温下，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。一般直热式的加热电阻值小于5，旁热式的加热电阻大于20。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，PH一般为0.5～2.00W。（6）恢