自动检测技术全套配套课件3版宋文绪ppt 第七章.ppt

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1、第7章成分与含量的检测混合气体或液体中每种物质的含量，即气体或液体中的各个组分被称为成分。成分检测的目的是要确定某一或全部组分在混合气体（液体）中所占的百分含量，随着国民经济的快速发展，及时、准确地对易燃、易爆、有毒、有害气体及空气湿度进行监测、预报和自动控制巳成为煤炭、石油、化工、电力等部门急待解决的重要课题。本章在介绍气敏传感器、湿敏传感器、生物传感器等原理的基础上重点讲授工业上常用的气体成分、湿度、含水量、液体浓度的检测原理及方法。7.1气敏传感器本节仅对应用较广的半导体气敏传感器的结构原理及应用做简要介绍。7.1.1半导体气敏传感器某些半导体元件同气体接触时其性质会发生变化

2、，这些元件被称为半导体气敏传感器。1、基本结构图所示为直热式结构。7.1气敏传感器2、工作原理烧结型SnO2气敏元件是表面电阻控制型气敏元件，结构模型如图所示。7.1气敏传感器3、气敏传感器的应用（1）气体报警器图示为一种简单的家用报警器电路，气敏元件采用直热式的TGS109。当室内气体增加时，由于气敏元件接触到可燃性气体而使阻值降低，这样流回回路的电流就增加，便直接驱动蜂鸣器进行报警。7.1气敏传感器设计报警器时，应十分注意选择开始报警浓度，既不要选得过高，也不要选得过低。选高了，灵敏度低，容易造成漏报，达不到报警的目的；选低了，灵敏度过高，容易造成误报。一般情况下，对于甲烷、

3、丙烷、丁烷等气体，都选择在爆炸下限的十分之一，家庭用报警器，考虑到温度、湿度和电源电压的影响，开始报警浓度应有一定的范围，出厂前按标准条件调整好，以确保环境条件变化时，不至于发生误报或漏报。使用气体报警器可根据使用气体的种类不同，分别安放在易检测气体泄露的地方，如丙烷、丁烷气体报警器，安放于气体源附近地板上方20cm以内；甲烷和一氧化碳报警器，安放于气体源上方靠近天棚处。这样，就可以随时检测气体是否漏气，一旦泄露的气体达到一定危险程度，便自动产生报警信号进行报警。7.1气敏传感器（2）气体检漏仪将气敏元件作为气电转换元件并配以相应的路而组成。图是用QM－N5型气敏元件组成的简易袖珍

4、式气体检漏仪原理图。它是利用气敏元件的气敏特性，将其作为电路中的气－电转换元件配以相应的电路、指示仪表或声光显示部分而组成的气体检测仪器。该类仪器具有灵敏度高、体积小、使用方便等特点。7.1气敏传感器7.1.2薄膜气敏传感器薄膜气敏传感器有单膜和多膜之分。单薄膜气敏传感器为单层金属氧化物膜，如氧化锡(SnO2)、氧化锌、氧化钛、氧化镓等，其中，SnO2是很好的气敏材料之一，作为敏感材料，SnO2是开发最早、应用很广的气敏金属氧化物。薄膜型气敏传感器具有响应速度快、灵敏度高、低功耗、选择性强、互换性好的特点，而且可以利用成熟的硅平面工艺技术来制备敏感膜，有利于器件的小型化、集成化以及

5、性能的稳定，因此，在检测环境污染、易燃易爆和有毒气体等方面有着广泛的应用。7.1气敏传感器1、SnO2敏感膜敏感薄膜的膜厚一般为50～100nm，以绝缘材料作为基片，基片的上部采用溅射或CVD的工艺涂上敏感材料，基片的底部印上厚膜加热器，为了防止加热层短路，需要在加热膜上镀一层SiO2绝缘层。气敏传感器的敏感膜的制作工艺有多种，如粉末烧结法、等离子化学气相沉积法等，制作工艺的不同，膜层的特性也有差异。多层膜气敏传感器主要是金属氧化物的膜系，常见的有两层和三层结构，包括基片、过度层、气敏层、引线电极等。一般利用高频溅射技术，以玻璃等绝缘材料作为基片，在基片上分别镀制过度层和敏感层。7

6、.1气敏传感器2、气敏性能与工作温度的关系薄膜型SnO2气敏传感器在不同的氢气含量下，薄膜的阻值与薄膜的温度关系曲线如图。图中横坐标为气敏元件加热层的功率。显然，加热层的功率越大，气敏薄膜的温度越高。图中给出了4种不同氢气含量下，薄膜的阻值随温度的变化关系，图中曲线1、2、3、4的氢气浓度逐渐增大。当氢气含量较高时(超过5000×10－4%)，如果将薄膜温度也加热得较高，薄膜电阻几乎不再随温度而变化。7.1气敏传感器3、气敏性能与掺杂的关系为了改善SnO2的性能，提高SnO2灵敏度，可以使用各种添加剂，特别是稀土添加剂。稀土氧化物掺杂在SnO2气敏元件中起到催化作用，当气体与固体催

7、化剂接触时，气体可以在催化剂表面发生吸附现象，且化学吸附比物理吸附更重要。因反应物在催化剂表面上化学吸附成为活化吸附态，从而降低反应活化能，提高反应速度，控制反应方向。7.1气敏传感器4、气敏性能与薄膜厚度的关系SnO2薄膜气敏元件的响应特性与薄膜的厚度有关，对于致密薄膜，在膜层厚度较薄的前提下，SnO2薄膜气敏元件的响应随薄膜厚度的减少而呈现上升的趋势；而对于膜层较厚的薄膜，薄膜的电阻主要由膜缺陷形成的颈部决定，因而与厚度无关。SnO2薄膜的气敏特性和其厚度有关的原