第5章

氣體和濕度傳感器氣體傳感器概述5.1濕敏傳感器5.2技能實訓(xùn)5.3【學(xué)習(xí)目標(biāo)】掌握氣體傳感器的種類和工作原理掌握大氣的濕度與露點的概念掌握測量濕度的傳感器的種類和特點【技能目標(biāo)】具備分析氣體傳感器電路的能力具備制作氣體傳感器應(yīng)用電路的能力具備制作濕敏傳感器應(yīng)用電路的能力具備調(diào)試電路的能力5.1氣體傳感器概述

圖5.1所示為一款復(fù)合式氣體檢測儀實物圖。圖5.1復(fù)合式氣體檢測儀實物圖5.1.1氣敏電阻1．氣敏電阻

半導(dǎo)體氣敏材料分為P型和N型兩種，P型

材料主要有MoO2（二氧化鉬）、NiO2（二氧

化鎳）等，N型材料主要有SnO2（二氧化錫）、 ZnO（氧化鋅）等。

用P型材料制成的氣敏電阻呈空穴導(dǎo)電性，當(dāng)環(huán)境中涌現(xiàn)還原性氣體時（即可燃性氣體，如一氧化碳、氫等），其阻值增大；當(dāng)環(huán)境中涌現(xiàn)氧化性氣體時（如氧），其阻值減小。

用N型材料制成的氣敏電阻呈電子導(dǎo)電性，當(dāng)環(huán)境中涌現(xiàn)還原性氣體時，其阻值減??；當(dāng)環(huán)境中涌現(xiàn)氧化性氣體時，其阻值增大。

下面以SnO2氣敏電阻為例說明其工作原理。 SnO2氣敏電阻變化與吸附氣體之間的關(guān)系如圖5.2所示。圖5.2SnO2氣敏電阻與吸附氣體的關(guān)系2．氣敏電阻測量電路

半導(dǎo)體氣敏電阻的工作電壓可為直流電壓，也可為交流電壓，一般其電阻工作電壓范圍為5～40V，燈絲（加熱器）工作電壓范圍為4.5～3.5V。

圖5.3所示為旁熱式SnO2氣敏電阻基本測量電路。圖5.3氣敏電阻基本測量電路5.1.2半導(dǎo)體氣敏傳感器

半導(dǎo)體氣敏傳感器按照半導(dǎo)體變化的物理特性可分為電阻式和非電阻式。

半導(dǎo)體氣敏傳感器分類如表5-1所示。所利用的特性氣敏部件工作溫度代表性被測氣體電阻式表面控制型氧化錫（SnO2）、氧化鋅（ZnO）室溫～450℃可燃性氣體體控制型氧化鐵（γ—Fe2O3）氧化鈦（TiO2）、氧化鈷（CoO）、氧化鎂（MgO）300～450℃700℃以上700℃以上酒精、可燃性氣體、氧氣非電

阻式表面電位氧化銀（Ag2O）室溫乙醇二極管整流特性鉑／氧化鈦（Pd/TiO2）室溫～200℃氫氣、一氧化碳、酒晶體管特性鉑柵MOS場效應(yīng)管（Pd—MOSFET）150℃氫氣、硫化氫表5-1 半導(dǎo)體氣體傳感器分類1．半導(dǎo)體氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)（1）燒結(jié)型SnO2氣敏電阻

燒結(jié)型SnO2氣敏電阻以多孔質(zhì)陶瓷SnO2為基本材料，添加不同的材料進(jìn)行燒結(jié)而成。

①直熱式SnO2氣敏電阻。直熱式SnO2氣敏

電阻的結(jié)構(gòu)、圖形符號和實物圖如圖5.4所示，它由SnO2基體材料、加熱絲、測量絲構(gòu)成，

加熱絲和測量絲都直接埋設(shè)在基體材料內(nèi)。圖5.4直熱式SnO2氣敏電阻

②旁熱式SnO2氣敏電阻。旁熱式SnO2氣敏電阻的結(jié)構(gòu)和圖形符號如圖5.5所示。2，5—燈絲1，3，4，6—測量引腳圖5.5旁熱式SnO2氣敏電阻

（2）薄膜型氣敏電阻

薄膜型氣敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖5.6所示，它采用蒸發(fā)或濺射方法在石英基片上形成一薄層半導(dǎo)體氧化物薄膜（在0.1m以下）。

薄膜型SnO2和ZnO的氣敏特性最好，但這種薄膜為物理性附著系統(tǒng)，元件之間的性能差異較大。圖5.6薄膜型氣敏電阻

（3）厚膜型氣敏電阻

厚膜型氣敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖5.7所示。

圖5.7厚膜型氣敏電阻2．半導(dǎo)體氣敏傳感器的主要參數(shù)（1）電阻值

電阻型氣敏傳感器在常溫、潔凈空氣中的電阻值，稱為固有電阻值，用Ra表示。

一般其固有電阻值為103～105。（2）靈敏度

靈敏度是表征氣敏傳感器對于被測氣體的敏感程度的指標(biāo)，它表示氣敏傳感器的電參量（如電阻型氣敏元件的電阻值）與被測氣體濃度之間的關(guān)系。

靈敏度的表示方法有3種。

①電阻比靈敏度K：K=Ra/Rg

②氣體分離度α: α=Rc1/Rc2

式中：RC1—氣敏元件在濃度為C1的被測氣體中的阻值；

Rc2—氣敏元件在濃度為C2的被測氣體中的阻值，通常，C1＞C2。

③輸出電壓比靈敏度KV：

KV=Va/Vg

式中：Va—氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負(fù)載電阻上的輸出電壓； Vg—氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時，負(fù)載電阻的輸出電壓。（3）分辨率

氣敏傳感器的分辨率表示氣敏元件對被測氣體的識別（選擇），以及對干擾氣體的抑制能力。S=ΔVg/ΔVgi=(VgVa)/(VgiVa)

式中：Va—氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負(fù)載電阻上的輸出電壓； Vg—氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時，負(fù)載電阻上的電壓； Vgi—氣敏元件在i種氣體濃度為規(guī)定值中工作時，負(fù)載電阻的電壓。（4）響應(yīng)時間

響應(yīng)時間表示在工作溫度下，氣敏元件對被測氣體的響應(yīng)速度。（5）加熱電阻和加熱功率

氣敏元件一般工作在200℃以上高溫下，為氣敏元件提供必要工作溫度的加熱電路的電阻（指加熱器的電阻值）稱為加熱電阻，用RH表示。

一般直熱式的加熱電阻值小于5，旁熱式的加熱電阻大于20。

氣敏元件正常工作所需的加熱電路功率，稱為加熱功率，用PH表示，PH一般為0.5～2.00W。（6）恢復(fù)時間

恢復(fù)時間表示在工作溫度下，被測氣體由該元件上解吸的速度，一般從氣敏元件脫離被測氣體時開始計時，直到其阻值恢復(fù)到在潔凈空氣中阻值的63%時所需時間。（7）初期穩(wěn)定時間

長期在非工作狀態(tài)下存放的氣敏元件，因表面吸附空氣中的水分或者其他氣體，導(dǎo)致其表面狀態(tài)的變化，在加上電負(fù)荷后，隨著元件溫度的升高，發(fā)生解吸現(xiàn)象。5.1.3氣體傳感器的應(yīng)用1．瓦斯報警器

瓦斯報警器的電路如圖5.8所示，這種瓦斯報警器適用于小型煤礦及家庭使用。圖5.8瓦斯報警器電路2．可燃?xì)怏w探測報警器

可燃?xì)怏w探測報警電路如圖5.9所示，氣體傳感器可選用TGS308。圖5.9可燃?xì)怏w探測報警電路3．家庭燃?xì)鈭缶?/p>

家庭燃?xì)鈭缶鞯慕M成框圖如圖5.10所示。

在潔凈空氣中，氣敏傳感器的電阻較大，在電阻器（R）上的輸出電壓較??；而當(dāng)檢測到泄漏的燃?xì)鈺r，氣敏傳感器的電阻變小，R上的輸出電壓增大，超過規(guī)定濃度時，驅(qū)動報警電路發(fā)出聲光報警。圖5.10家庭燃?xì)鈭缶骺驁D

家庭煤氣報警器的實際電路如圖5.11所示，電路的上一部分是煤氣報警器，在煤氣濃度達(dá)到危險界限前發(fā)生警報；另一部分是開放式負(fù)離子發(fā)生器，其作用是自動產(chǎn)生空氣負(fù)離子，使煤氣中主要有害成分一氧化碳與空氣負(fù)離子中的臭氧（O3）反應(yīng)，生成對人體無害的二氧化碳。圖5.11家庭煤氣報警器電路5.2濕敏傳感器

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研、航天等部門，對產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高，在生產(chǎn)、運行過程中對環(huán)境濕度的控制以及對工業(yè)材料水分值的監(jiān)測與分析已成為比較普遍的技術(shù)要求，而利用濕敏傳感器就可以完成自動監(jiān)測環(huán)境濕度的要求。

所謂濕敏傳感器是指能夠監(jiān)測環(huán)境濕度變化并能夠?qū)穸茸兓盘栟D(zhuǎn)換成為電信號的一種傳感器。

圖5.12所示為某智能型溫度濕度報警器實物圖，在監(jiān)測到溫度或濕度超過上限報警值、低于下限報警值、超出上限與下限設(shè)定的區(qū)間報警值時，當(dāng)電網(wǎng)斷電時，微電腦主機均會鳴笛撥號報警，可循環(huán)撥打10組報警電話號碼，并播放10s報警錄音，通知有關(guān)人員。圖5.12智能型溫度濕度報警器實物圖5.2.1濕敏傳感器概述1．絕對濕度2．相對濕度3．露點

在一定大氣壓下，將含水蒸氣的空氣冷卻，當(dāng)降到某溫度時，空氣中的水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)，開始從氣態(tài)變成液態(tài)而凝結(jié)成露珠，這種現(xiàn)象稱為結(jié)露，此時的溫度稱為露點或露點溫度。5.2.2濕敏電阻型傳感器1．金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻（1）燒結(jié)型濕敏電阻

燒結(jié)型金屬氧化物半導(dǎo)體材料一般為多孔結(jié)構(gòu)的多晶體，其結(jié)構(gòu)不甚緊密，各晶粒之間帶有一定的空隙，呈多孔毛細(xì)管狀，因此水分子可以通過陶瓷材料中的細(xì)孔，在各晶粒表面和晶粒間界上吸附，并在晶粒間界處凝聚。 MgCr2O4-TiO2（鉻酸鎂-氧化鈦）半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖5.13所示。1，5—加熱器引線2—加熱器3—RuO2（氧化釕）電極

4—感濕體6—陶瓷基片7，8—測量電極9—隔漏環(huán)圖5.13燒結(jié)型濕敏電阻

（2）涂覆膜型濕敏電阻

涂覆膜型濕敏電阻是由金屬氧化物粉末或某些金屬氧化物燒結(jié)體研磨成的粉末通過一定方式調(diào)和，然后噴灑或涂覆在具有叉指電極的陶瓷基片上制成的。

涂覆膜型Fe3O4濕敏電阻結(jié)構(gòu)和實物圖如圖5.14所示，在陶瓷基片上用絲網(wǎng)印刷工藝印制成梳狀鈀銀電極，將純凈的Fe3O4膠粒用水調(diào)制成適當(dāng)黏度的漿料，涂覆在陶瓷基片和電極上，經(jīng)低溫烘干使之固化成膜，然后引出電極即可。1—陶瓷基片2—梳狀電極3—感濕膜4—電極圖5.14涂覆膜型Fe3O4濕敏電阻

2．有機高分子膜濕敏電阻

高分子濕敏電阻傳感器是目前發(fā)展較為迅速、應(yīng)用較廣的一類新型濕敏電阻傳感器。

它的結(jié)構(gòu)與涂覆膜型濕敏電阻相似，如圖5.15所示，只是吸濕材料使用高分子固體電解質(zhì)材料（如高氯酸鋰—聚氯乙烯、有親水性基德有機硅氧烷、四乙基硅烷的共聚膜等）作為感濕膜，由于膜中的可動離子產(chǎn)生導(dǎo)電性，隨著濕度的增加，電離作用增強，可動離子的濃度增大，電極間電阻減??；反之，電極間的電阻增大，通過測量濕敏電阻值的變化，就可得到相應(yīng)的濕度值。圖5.15有機高分子膜濕敏電阻3．氯化鋰濕敏電阻

氯化鋰濕敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖5.16所示，是在聚苯乙烯圓管上做出兩條相互平行的鋁引線作為電極，在該聚苯乙烯管上涂覆一層經(jīng)過適當(dāng)堿化處理的聚乙烯醋酸鹽和氯化鋰水溶液的混合液，以形成均勻感濕膜。1—為用聚乙烯醋酸鹽覆蓋在2上的鋁絲2—用聚苯乙烯包封的鋁管圖5.16氯化鋰濕敏電阻5.2.3電容式濕度傳感器

高分子電容式濕度傳感器是利用高分子材料（聚苯乙烯、聚酰亞胺、酷酸醋酸纖維等）吸水后，其介電常數(shù)發(fā)生變化的特性進(jìn)行工作的，其結(jié)構(gòu)及實物圖如圖5.17所示。1—微晶玻璃襯底2—多孔浮置電極3—高分子薄膜4—電極引腳圖5.17高分子電容式濕敏傳感器

5.2.4濕度傳感器的應(yīng)用1．濕度檢測電路

一種實用的濕度檢測電路如圖5.18所示。圖5.18濕度檢測電路2．錄像機結(jié)露報警電路

錄像機結(jié)露報警電路如圖5.19所示，電路由濕敏電阻（Rs）和VT1～VT4構(gòu)成。圖5.19錄像機結(jié)露報警電路3．汽車后窗玻璃自動除濕電路

汽車后窗玻璃自動除濕電路如圖5.20所示，其中RL為嵌入玻璃的加熱電阻絲，RH為設(shè)置在后窗玻璃上的濕度傳感器。 VTl和VT2組成施密特觸發(fā)電路，VT1的基極偏置電路由RH、R1和R2構(gòu)成，VT2的集電極接繼電器K的線圈。圖5.20汽車后窗玻璃自動除濕電路5.3技能實訓(xùn)1．要求

制作一個簡易酒精濃度測試裝置。

當(dāng)有一定濃度的酒精氣體靠近時，條形LED顯示，并且條形LED點亮的個數(shù)與酒精濃度成正比，即酒精濃度增大，LED亮的個數(shù)增多，反之減少。2．器材名

稱型

號數(shù)

量電阻器R11.8k/0.25W1電阻器R22.7k/0.25W1電阻器R33.9k/0.25W1電位器RP20K/0.25W1名

稱型

號數(shù)

量氣敏傳感器QMTGS8121集成電路ICLM39141發(fā)光二極管條形發(fā)光二極管B10A1電源+5V1續(xù)表3．工作原理4．實訓(xùn)步驟5．評價總結(jié)本章小結(jié)

本章系統(tǒng)地介紹了各種氣體傳感器和濕度傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理和應(yīng)用方法。 1．氣體傳感器是利用氣敏元件同氣體接觸后其特性發(fā)生變化的機理來檢測氣體的成分或濃度的傳感器，目前應(yīng)用最為廣泛的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。 2．半導(dǎo)體氣敏材料分為P型和N型兩種。

用P型材料制成的氣敏電阻呈空穴導(dǎo)電性，當(dāng)環(huán)境中涌現(xiàn)還原性氣體時（即可燃性氣體，如一氧化碳、氫等），其阻值增大；當(dāng)環(huán)境中涌現(xiàn)氧化性氣體時（如氧），其阻值減小。

用N型材料制成的氣敏電阻呈電子導(dǎo)電性，當(dāng)環(huán)境中涌現(xiàn)還原性氣體時，其阻值減小；當(dāng)環(huán)境中涌現(xiàn)氧化性氣體時，其阻值增大。 3．燒結(jié)型SnO2氣敏電阻以多孔質(zhì)陶瓷SnO2為基本材料，添加不同的材料進(jìn)行燒結(jié)而成。為了提高靈敏度，通常設(shè)有加熱裝置，按其加熱方式不同又分為直熱式和旁熱式兩種。

旁熱式氣敏電阻由于其測量極與加熱絲分開，加熱絲不與氣敏元件接觸，避免了回路間的互相影響，元件熱容量大，降低了環(huán)境氣流對元件加熱溫度的影響，是目前使用最廣泛的氣敏元件。 4．能夠監(jiān)測環(huán)境濕度變化并能夠?qū)穸茸兓盘栟D(zhuǎn)換成為電信號的是濕敏傳感器。

濕度傳感器可分為水分子親和力型傳感器和非水分子親和力型傳感器。目前在現(xiàn)代工業(yè)中使用的濕度傳感器大都是水分子親和力型傳感器。 5．水分子親和力型傳感器按照其輸出電信號的種類又可分為電阻型和電容型。

電阻型濕敏傳感器能夠?qū)穸茸兓盘栟D(zhuǎn)換為電阻變化信號；電容型濕敏傳感器能夠?qū)穸茸兓盘栟D(zhuǎn)換為介電常