传感器技术课件6

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第六章 其他种类的传感器第一节 气敏传感器 第二节 湿度传感器

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第一节 气敏传感器接触燃烧式气敏元件 金属氧化物半导体气敏元件 氧化锆气敏元件工作原理、主要类型及应用

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一、接触燃烧式气体传感器 1、检测原理可燃性气体( 与空气中的氧接触， 可燃性气体 (H2 、 CO、 CH4 等 ) 与空气中的氧接触 ， 、 发生氧化反应，产生反应热(无焰接触燃烧热) 发生氧化反应，产生反应热(无焰接触燃烧热),使得作 为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。 为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。一般情 况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高(低于10% 况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高(低于 %), 可燃性气体可以完全燃烧， 可燃性气体可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体的浓 度有关。空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应(燃烧) 度有关。空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应(燃烧) 产生的反应热量(燃烧热)愈多，铂丝的温度变化(增高) 产生的反应热量(燃烧热)愈多，铂丝的温度变化(增高) 愈大，其电阻值增加的就越多。因此， 愈大，其电阻值增加的就越多。因此，只要测定作为敏 感件的铂丝的电阻变化值(Δ (ΔR) 感件的铂丝的电阻变化值 (Δ ) , 就可检测空气中可燃 性气体的浓度。但是， 性气体的浓度。但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元 其寿命较短，所以，实际应用的检测元件， 件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都是在 铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。 铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使 3 用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。 用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。

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接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图。图中F 接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图。图中 1是检 测元件； 是补偿元件， 测元件；F2是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体接触 燃烧以外的环境温度、 燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起的偏 上保持100mA~200mA的电 工作时，要求在F ~ 的电 差。工作时，要求在 1和F2上保持 流通过，以供可燃性气体在检测元件F 流通过，以供可燃性气体在检测元件 1上发生氧化反应 接触燃烧)所需要的热量。当检测元件F (接触燃烧)所需要的热量。当检测元件 1与可燃性气体 接触时，由于剧烈的氧化作用(燃烧) 释放出热量， 接触时，由于剧烈的氧化作用(燃烧),释放出热量，使 得检测元件的温度上升，电阻值相应增大， 得检测元件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不 再平衡， 间产生电位差E。 再平衡，在A、B间产生电位差 。 、 间产生电位

差 A RF1 + RF R1 E = E0 R + R RF1 + RF2 + RF 1 2

(

(

)

)

F2 D R1

M

F1 C

因为ΔRF很小，且RF1 R1=RF2 R2 R1 E = E0 (R1 + R2 ) RF1 + RF2

(

)

RF2 RF RF1

W2 B E0

R24

W1

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如果令 k = E0 R1 (R1 + R2 ) (RF + RF1

2

)

则有

RF2 E = k RF RF1

这样，在检测元件F1和补偿元件F2的电阻比RF2/RF1接近于 1 的范围内， A , B 两点间的电位差 E ,近似地与 RF 成比 例。在此， RF是由于可燃性气体接触燃烧所产生的温度 变化 ( 燃烧热 ) 引起的，是与接触燃烧热 ( 可燃性气体氧化 反应热)成比例的。即 RF可用下式表示 Q H RF = ρ T = ρ = ρ α m C Cρ—检测元件的电阻温度系数；ΔT—由于可燃性气体接触燃烧所引起的检测元件的温度增加值； ΔH—可燃性气体接触燃烧的发热量； C—检测元件的热容量； Q—可燃性气体的燃烧热；m—可燃性气体的浓度[%(Vol)]; α—由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。 5

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ρ,C和α的数值与检测元件的材料、形状、结构、表面 的数值与检测元件的材料、 和 的数值与检测元件的材料 形状、结构、处理方法等因素有关。 是由可燃性气体的种类决定 是由可燃性气体的种类决定。 处理方法等因素有关。 Q是由可燃性气体的种类决定。 因而，在一定条件下，都是确定的常数。 因而，在一定条件下，都是确定的常数。则 E=k m bQ b = ρ α C

两点间的电位差与可燃性气体的浓度m成比例 即A、B两点间的电位差与可燃性气体的浓度 成比例。 、 两点间的电位差与可燃性气体的浓度 成比例。 如果在A、 两点间连接电流计或电压计 就可以测得 两点间连接电流计或电压计， 如果在 、B两点间连接电流计或电压计，就可以测得 A、 B间的电位差 ， 并由此 间的电位差E, 、 间的电位差 丙烷 求得空气中可燃性气体的浓 输 150 乙醇 若与相应的电路配合， 度 。 若与相应的电路配合 ， 出 100 异丁烷 电 就能在空气中当可燃性气体 压 丙酮 / 50 环己烷 达到一定浓度时， 达到一定浓度时 ， 自动发出 mV 报警信号， 报警信号 ， 其感应特性曲线 1.0 0.8 0 0.2 0.4 0.6 气体浓度(XLEL) 如图。 如图。接触燃烧式气敏元件的感应特性 6

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2、接触燃烧式气敏元件的结构用高纯的铂丝,绕制成线圈, 用高纯的铂丝,绕制成线圈,为了使线圈具有适当的 阻值( ),一般应绕 圈以上。 一般应绕10圈以上 阻值(1 ~2 ),一般应绕 圈以上。在线圈外面涂以氧 化铝或氧化铝和氧化硅组成的膏状涂 覆层, 化铝或氧化铝和氧化硅组成的膏状 涂 覆层 , 干燥后在

一 定温度下烧结成球状多孔体。 将烧结后的小球, 定温度下烧结成球状多孔体 。 将烧结后的小球 , 放在贵 金属铂、 钯等的盐溶液中, 充分浸渍后取出烘干。 金属铂 、 钯等的盐溶液中 , 充分浸渍后取出烘干 。 然后 经过高温热处理, 使在氧化铝(氧化铝一氧化硅) 经过高温热处理 , 使在氧化铝 ( 氧化铝一氧化硅 ) 载体上 形成贵金属触媒层,最后组装成气体敏感元件。 形成贵金属触媒层 , 最后组装成气体敏感元件 。 除此之 也可以将贵金属触媒粉体与氧化铝、 外 , 也可以将贵金属触媒粉体与氧化铝 、 氧化硅等载体 充分混合后配成膏状,涂覆在铂丝绕成的线圈上, 充分混合后配成膏状,涂覆在铂丝绕成的线圈上,直接烧 成后备用。 另外， 作为补偿元件的铂线圈,其尺寸、 成后备用 。 另外 ， 作为补偿元件的铂线圈 , 其尺寸 、 阻 值均应与检测元件相同。 并且, 值均应与检测元件相同 。 并且 , 也应涂覆氧化铝或者氧 化硅载体层, 化硅载体层 , 只是无须浸渍贵金属盐溶液或者混入贵金 属触媒粉体,形成触媒层而已。 属触媒粉体,形成触媒层而已。7

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元件 Al2O3载体 触媒 Pt丝

(0.8-2)mm (b)敏感元件外形图

(a)元件的内部示意图

接触燃烧式气敏元件结构示意图

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二、半导体气体传感器半导体气敏传感器是利用半导体材料与气体相 接触时，产生半导体特性变化的原理， 接触时，产生半导体特性变化的原理，进行检测气 体成分或测量气体含量的传感器。 体成分或测量气体含量的传感器。 按半导体与气体的相互作用主要局限于半导体 表面，还是半导体内部， 表面，还是半导体内部，半导体气体传感器可分为 表面控制型和体控制型两种。 表面控制型和体控制型两种。根据半导体物理特性 的变化，又可将其分为电阻式和非电阻式。 的变化，又可将其分为电阻式和非电阻式。 气体敏感元件大多以金属氧化物半导体为基础 材料。 材料。

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1、半导体气敏元件的特性参数(1)气敏元件的电阻值 将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电 阻值， 的固有电阻值， 阻值，称为气敏元件(电阻型)的固有电阻值，表示 范围。 为Ra。一般其固有电阻值在(103~105)Ω范围。 测定固有电阻值 R a 时 , 要求必须在洁净空气 环境中进行。 由于地理环境的差异， 环境中进行 。 由于地理环境的差异 ， 各地区空气 中含有的气体成分差别较大， 中含有的气体成分差别较大 ， 即使对于同一气敏 元件， 在温度相同的条件下， 元件 ， 在温度相同的条件下 ， 在不同地区进行测 其固有电阻值也都将出现差别。 因此， 定 ， 其固有电阻值也都将出现差别 。 因此 ， 必

须 在洁净的空气环境中进行测量。 在洁净的空气环境中进行测量。10

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(2)气敏元件的灵敏度 ) 是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。 是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表 示气体敏感元件的电参量(如电阻型气敏元件的电阻值) 示气体敏感元件的电参量(如电阻型气敏元件的电阻值) 与被测气体浓度之间的依从关系。 与被测气体浓度之间的依从关系。表示方法有三种 电阻比灵敏度K (a)电阻比灵敏度KK= Ra Rg

Ra—气敏元件在洁净空气中的电阻值； Rg—气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值α=RC1 RC 2

(b)气体分离度

(c)输出电压比灵敏度KV

气敏元件在浓度为Cc的被测气体中的阻值： RC1—气敏元件在浓度为Cc的被测气体中的阻值： 气敏元件在浓度为Cc的被测气体中的阻值 气敏元件在浓度为C RC2—气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。通常，C1>C2。 气敏元件在浓度为 的被测气体中的阻值。通常，KV = Va Vg

Va:气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出； 气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；11 Vg:气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出 气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，

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(3)气敏元件的分辨率 ) 表示气敏元件对被测气体的识别(选择) 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。气敏元件分辨率S表示为 体的抑制能力。气敏元件分辨率 表示为S= Vg Vgi = Vg Va Vgi Va

Va—气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压； 气敏元件在洁净空气中工作时， 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 气敏元件在规定浓度被测气体中工作时， 气敏元件在规定浓度被测气体中工作时 Vgi—气敏元件在 种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压 气敏元件在i种气体浓度为规定值中工作时 气敏元件在 种气体浓度为规定值中工作时，

(4)气敏元件的响应时间 ) 表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。 表示在工作温度下， 气敏元件对被测气体的响应速度 。 一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时， 一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时 ， 直到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的63 直到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的 时为止， % 时为止 ， 所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气 体中的响应时间，通常用符号t 表示。 体中的响应时间，通常用符

号 r表示。12

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(5)气敏元件的加热电阻和加热功率 气敏元件一般工作在200 以上高温。 200℃ 气敏元件一般工作在200℃以上高温。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) 供必要工作温度的加热电路的电阻(指加热器的电阻值) 表示。 称为加热电阻， 称为加热电阻，用RH表示。直热式的加热电阻值一般小 旁热式的加热电阻大于20 20Ω 于 5Ω ; 旁热式的加热电阻大于 20Ω 。 气敏元件正常工 作所需的加热电路功率，称为加热功率， 表示。 作所需的加热电路功率 ， 称为加热功率 ， 用 P H 表示 。 一般在( 范围。 一般在(0.5~2.0)W范围。 范围 (6)气敏元件的恢复时间 ) 表示在工作温度下,被测气体由该元件上解吸的速度 一 表示在工作温度下 被测气体由该元件上解吸的速度,一 被测气体由该元件上解吸的速度 般从气敏元件脱离被测气体时开始计时,直到其阻值恢复 般从气敏元件脱离被测气体时开始计时 直到其阻值恢复 到在洁净空气中阻值的63%时所需时间。 到在洁净空气中阻值的 %时所需时间。

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(7)初期稳定时间 ) 长期在非工作状态下存放的气敏元件, 长期在非工作状态下存放的气敏元件,因表面吸附空 气中的水分或者其他气体,导致其表面状态的变化， 气中的水分或者其他气体,导致其表面状态的变化，在加 上电负荷后,随着元件温度的升高,发生解吸现象。因此, 上电负荷后,随着元件温度的升高,发生解吸现象。因此, 使气敏元件恢复正常工作状态,需要一定的时间, 使气敏元件恢复正常工作状态,需要一定的时间,称为气 敏元件的初期稳定时间。一般电阻型气敏元件, 敏元件的初期稳定时间。一般电阻型气敏元件,在刚通电 的瞬间,其电阻值将下降,然后再上升,最后达到稳定。 的瞬间,其电阻值将下降,然后再上升,最后达到稳定。由 开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间, 开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间,称为初期 稳定时间。 稳定时间。初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状 态的函数。存放时间越长,其初期稳定时间也越长。 态的函数。存放时间越长,其初期稳定时间也越长。在一 般条件下,气敏元件存放两周以后, 般条件下,气敏元件存放两周以后,其初期稳定时间即可 达最大值。 达最大值。

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SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧 系列气敏元件有烧结型 薄膜型和厚膜型三种 烧结型、 三种。 结型应用最广泛性。 结型应用最广泛性。 其敏感体用粒径很小(平均粒径≤ 其敏感体用粒径很小(平均粒径≤1μm)的SnO2粉体为 ) 基本材料，根据需要添加不同的添加剂， 基本材

料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为 可燃的还原性气体 原料。主要用于检测可燃的还原性气体， 原料。主要用于检测可燃的还原性气体，其工作温度约 300℃。根据加热方式，分为直接加热式和旁热式两种。 直接加热式和 ℃ 根据加热方式，分为直接加热式 旁热式两种 气敏元件(直热式气敏元件 (1)直接加热式 )直接加热式SnO2气敏元件 直热式气敏元件 气敏元件 直热式气敏元件) 由芯片(敏感体和加热器) 由芯片(敏感体和加热器),基 加热极兼电极 座和金属防爆网罩三部分组成 SnO 烧结体 3 因其热容量小、稳定性差， 。因其热容量小、稳定性差， 3 4 1 4 2 测量电路与加热电路间易相互 测量电路与加热电路间易相互 1 干扰，加热器与SnO2基体间 干扰，加热器与 2 由于热膨胀系数的差异而导致 (a)结构 (b)符号 接触不良，造成元件的失效， 接触不良，造成元件的失效， 15 内热式气敏器件结构及符号 现已很少使用。 现已很少使用。2

2、烧结型SnO2气敏元件 烧结型SnO

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(2)旁热式 )旁热式SnO2气敏元件加热器 电极 1 6 4

加热器电阻值一 般为30 ~40

2 5 SnO2烧结体 瓷绝缘管 (b)符号 (a)结构 旁热式气敏器件结构及符号 Ø18.4 100目不锈钢网 45° 23 45° Ø1 7 气敏元件外形和引出线分布 3 2 1 4 5 6 7

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