传感器与检测技术传感器与检测技术项目教程项目教程学习单元一气敏传感器学习单元二湿度传感器模块七模块七 气敏传感器和湿度传感器气敏传感器和湿度传感器模块七模块七 气敏传感器和湿度传感器气敏传感器和湿度传感器模块导读模块导读气敏传感器是一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器，它将气体种类及与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息。气敏传感器主要用于工业上天然气、煤气及石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、报警和自动控制。模块七模块七 气敏传感器和湿度传感器气敏传感器和湿度传感器模块导读模块导读湿度传感器是由湿敏元件和转换电路等组成，能感受外界湿度（通常将空气或其他气体中的水分含量称为湿度）变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将环境湿度变换为电信号的装置。湿度传感器可广泛使用于各种场合的湿度监测、控制和报警，应用领域非常广阔。 本模块针对常见的气敏传感器和湿度传感器进行教学，使学生能够掌握各种利用气敏传感器和湿度传感器进行测量的方法。 学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器由于气敏传感器暴露在检测现场使用，工作条件比较恶劣，温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，气体作用于传感元件材料产生的化学反应物会附着在元件表面，往往会使传感器性能变差，因此要求气敏传感器的性能必须满足下列要求： （1）能够检测易爆气体的允许浓度、有害气体的允许浓度和其他基准设定浓度，并能及时给出报警、显示和控制信号。 学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器（2）对被测气体以外的共存气体或物质不敏感。（3）长期稳定性好、重复性好、动态特性好、响应迅速。 （4）使用、维护方便，价格便宜等。 由于半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、使用寿命长和成本低等优点，应用很广，因此本学习单元将着重介绍半导体气敏传感器。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器 气体成分检测的主要方法及特点一、一、随着国民经济的快速发展，及时、准确地对易燃、易爆、有毒、有害气体进行检测、预报和自动控制已成为煤炭、石油化工、电力等部门亟待解决的重要课题。同时，随着人们生活水平的提高，家用燃料结构的改变，交通运输事业的发展，人们对净化生态环境的要求也越来越高，要求能够使用性能优良、方便耐用、小型多功能的传感器及时、准确地检测、监控易燃、易爆、有毒、有害气体。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器图7-1 甲醛检测仪图7-2 甲烷传感器学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器成 分分析包括两部分内容：一是定性分析，确定物质的化学组成，都是利用物质所含组成成分在物理或化学性质上的差异来进行的，如电学、光学、磁学、力学、声学等方面的差异，从而实现对其组成成分含量的准确测量。图7-3所示为汽车尾气分析仪。图7-3 汽车尾气分析仪学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器对不同气体的检测有不同方法，目前主要的方法有：利用半导体气体器件检测的电气法；利用电解质和电极对气体进行检测的电化学法；利用气体对光的折射率或光吸收等特性检测的光学法。 气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。由于气体种类繁多，性质各不相同，因此，实现气/电转换的传感器种类也很多。按构成材料可将气敏传感器分为半导体和非半导体两大类，目前使用最多的是半导体气敏传感器；从结构上可将气敏传感器分为干式（构成气体传感器的材料为固体）和湿式（利用水溶液或电解液感知待测气体）两种。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器待测气体与半导体表面接触会造成半导体电导率等物理性质变化，半导体气敏传感器正是基于此来进行气体检测的。半导体气敏元件通常有以下两种分类方式：（1）按照半导体与气体相互作用时产生的变化是限于半导体表面还是深入到半导体内部，半导体气敏元件可以分为表面控制型和体控制型两种。前者半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子接收，结果使半导体的电导率等物理性质发生变化，但内部化学组成不变；后者半导体与气体的反应使半导体内部组成发生变化，导致电导率变化。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器（2）按照半导体变化的物理特性，半导体气敏元件可分为电阻型和非电阻型两种。电阻型半导体气敏元件利用敏感材料接触气体时的阻值变化来检测气体的成分或浓度；非电阻型半导体气敏元件利用其他参数，如二极管整流特性和晶体管特性变化来检测被测气体。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器由于气体种类繁多，性质差异较大，因此单一种类的气敏传感器不可能检测所有的气体，而只能检测某一类特定性质的气体。例如，固体电解质气敏传感器的主要检测对象是无机气体，如CO2、H2、Cl2、SO2等。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器图7-4所示为固体电解质CO2气敏传感器。其气敏选择性相当好，但灵敏度不高，信号响应速度变化范围较大，且与固态电解质材料的性质及传感器的使用温度都有关，其长期工作稳定性也因材料的选择及使用温度的变化而改变。图7-5 酒精检测仪 学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器声表面波气敏传感器虽然也可以测量某些无机气体，但主要的测量对象是各种有机气体，如卤化物、苯乙烯、碳酰氯、有机磷化物等。其气敏选择性取决于元件表面的气敏膜材料。其一般用于同时检测多种化学性质相似的气体，而不适宜检测未知气体组分中的单一气体成分。但由于其灵敏度很高，也常用作测定已知气体组分中某一特定低浓度气体的浓度变化情况。氧化物半导体气敏传感器的主要测量对象是各种还原性气体，如CO、H2、甲醇、乙醇等。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器如图7-5所示为酒精检测仪。它虽然可以通过添加各种催化剂及助催化剂在一定程度上改变其主要气敏对象，却很难消除对其他还原性气体的共同响应，并且它的信号响应线性范围很窄，因此一般只能用于定性及半定量范围的气体监测。图7-5 酒精检测仪 学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器 半导体气敏传感器二、二、半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。当半导体的逸出功小于吸附分子的亲和力（气体的吸附和渗透特性）时，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。如果半导体的逸出功大于吸附分子的离散能，吸附分子将向器件释放出电子而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气体或电子供给型气体。 学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，半导体的载流子减少，电阻值增大。当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，半导体的载流子增多，电阻值下降。图7-6所示为N型半导体气敏传感器吸附被测气体时的电阻变化曲线。图7-6 N型半导体气敏传感器吸附被测气体时的电阻变化曲线学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器半导体气敏传感器一般由三部分组成：气敏元件、加热器和外壳。半导体气敏传感器按其结构可分为烧结型、薄膜型和厚膜型，如图7-7所示。 图7-7 半导体气敏元件学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器图7-7(a)所示为烧结型气敏元件，它以多孔质陶瓷（如SnO2）为基材，添加不同物质，采用低温（700900 ）制陶方法进行烧结。烧结时埋入铂电极和加热丝，最后将电极和加热丝引线焊在管座上制成元件。由于制作简单，它是一种最普通的结构形式，主要用于检测还原性气体、可燃性气体和液体蒸气。但由于烧结不充分，器件的机械强度较差，且所用电极材料较贵重，电特性误差较大，因此应用受到一定的限制。 学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器图7-7(b)所示为薄膜型气敏元件，用蒸发或溅射方法在石英或陶瓷基片上形成金属氧化物薄膜（厚度在100 nm以下），用这种方法制成的敏感膜颗粒很小，因此具有很高的灵敏度和响应速度。敏感体的薄膜化有利于器件的低功耗、小型化，以及与集成电路制造技术兼容，是一种很有前途的器件。 图7-7(c)所示为厚膜型气敏元件，将气敏材料（SnO2、ZnO）与一定比例的硅凝胶混制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印刷到事先安装有铂电极的氧化铝的基片上，在400800 的温度下烧结12 h便制成厚膜型气敏元件。用厚膜工艺制成的器件一致性较好，机械强度高，适于批量生产。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器这些气敏元件全部附有加热器，一般加热到200400 。加热器的作用是使附着在探测部分的油雾、尘埃等被烧掉；同时加速气体氧化还原反应，从而提高元件的灵敏度和响应速度。由于加热方式有直热式和旁热式两种，相应地形成了直热式和旁热式气敏元件。直热式气敏元件是将加热丝、测量丝直接埋入半导体材料粉末中烧结而成的，工作时加热丝通电，测量丝用于测量元件阻值。这类元件制造工艺简单、成本低，可在高电压回路中使用，但热容量小，易受环境气流的影响，测量回路和加热回路间没有隔离而相互影响。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器如国产的QN型及日本费加罗TGS109型气敏传感器均采用此种结构。对于旁热式气敏元件而言，它的特点是将加热丝放置在一个陶瓷管内，管外涂梳状电极作为测量极。加热丝不与气敏材料接触，使测量极和加热极分离，避免了测量回路和加热回路的相互影响，元件热容量大，降低了环境温度对元件加热温度的影响，所以这类元件的稳定性、可靠性都较直热式气敏元件好。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器图7-8 国产QM-N5型气敏传感器图7-9 日本费加罗TGS812型气敏传感器 学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器 烟雾传感器三、三、烟雾传感器是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，其广泛应用在小区、工厂、公司、学校、家庭、别墅、仓库、石油化工、燃气输配等众多安防领域。学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器烟雾传感器的分类烟雾传感器的分类1.烟雾传感器按照工作原理可分为三类：离子式烟雾传感器、光电式烟雾传感器和气敏式烟雾传感器。 （1）离子式烟雾传感器（见图7-10）是一种技术先进、工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各消防报警系统中。它在内外电离室里有放射源镅241，电离产生的正、负离子在电场的作用下各自向正负电极移动。在正常情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。一旦有烟雾进入外电离室，干扰了带电粒子的正常运动，电流、电压就会有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机将报警信号传递出去。 学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器图7-10 离子式烟雾传感器学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器（2）光电式烟雾传感器（见图7-11）内有一个光学迷宫，安装有红外对管，无烟时红外接收管收不到红外发射管发出的红外光；当烟雾进入光学迷宫时，通过折射、反射，接收管接收到红外光，智能报警电路判断是否超过阈值，如果超过就发出警报。图7-11 光电式烟雾传感器学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器（3）气敏式烟雾传感器（见图7-12）是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用得最多的是半导体气敏传感器。它的应用主要有一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测等。图7-12 气敏式烟雾传感器学习单元一学习单元一 气敏传感器气敏传感器它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警，还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。 气敏式烟雾传感器有以下几种类型： 可燃性气体气敏传感器，包含各种烷类和有