第十章第十章 常用传感器的应用常用传感器的应用 l可燃性气体报警l压力测量l液位测量l流量测量l温度测量l气体成分分析9/24/20241常用传感器的应用l在自动化系统中，各种工艺变量的获得，都要通过检测元件（传感器），它直接响应被测工艺变量，并输出一个对应关系的信号。l对于检测仪表来说，检测、变送与显示是三个独立部分，也可以只用其中两个部分。当然检测、变送与显示也可以有机地结合为一体。l对检测仪表有以下三条基本要求：l1、测量值要正确反映被控变量的值，误差不超过规定的范围；l2、在环境条件下能长期工作，保证测量值的可靠性；l3、测量值必须迅速反映被控变量的变化，即动态响应比较迅速。9/24/20242常用传感器的应用第一节 可燃性气体报警器l可燃性气体报警器由传感器和报警器二部分组成。l传感器是连续测定设备四周空气中可燃性气体额体积百分含量，转换成电信号，传送到报警器发出报警信号。l可燃性气体传感器有两种形式：l一种是半导体气敏传感器，另一种是催化反应热式传感器。9/24/20243常用传感器的应用 半导体气敏传感器由于具有灵敏度高、响应时间和恢复时间快、使用寿命长以及成本低等优点，从而得到了广泛的应用。 按其用途可分为以下几种类型：气体泄露报警、自动控制、自动测试等。 表10-1给出了半导体气敏传感器的应用举例。 9/24/20244常用传感器的应用表表10-1 气敏传感器主要检测对象及应用场所气敏传感器主要检测对象及应用场所 9/24/20245常用传感器的应用l报警器的显示值是采用国际标准，以LEL为计量单位。其意义是以可燃气体的爆炸下限浓度为100，仪器检测出来的可燃气体浓度值折算成LEL显示出来。l例如，丙稀气体，它的爆炸下限浓度为2.4，则显示值100LEL表示空气中含有丙稀的浓度为2.4，达到爆炸下限浓度，就会发生爆炸。若报警器显示50 LEL，则表示空气中含有丙稀的浓度为1.2。l一般情况下，预警设定点应设置在20 LEL或40 LEL处，也可以根据情况自行设定，但不得大于60 LEL。9/24/20246常用传感器的应用 气气体体敏敏感感元元件件，大大多多是是以以金金属属氧氧化化物物半半导导体体为为基基础础材材料料。当当被被测测气气体体在在该该半半导导体体表表面面吸吸附附后后，引引起起其其电电学学特特性性( (例例如电导率如电导率) )发生变化。发生变化。 气气敏敏传传感感器器气气敏敏元元件件的的工工作作原原理理十十分复杂，有不同的解释模型。分复杂，有不同的解释模型。 目目前前流流行行的的定定性性模模型型是是：原原子子价价控控制制模模型型、表表面面电电荷荷层层模模型型、晶晶粒粒间间界界势势垒模型垒模型。一、半导体气体传感器一、半导体气体传感器9/24/20247常用传感器的应用（一）工作原理（一）工作原理半导体气敏传感器的结构如右图所示。一组为工作电极，另一组为加热电极兼工作电极。9/24/20248常用传感器的应用 半导体气敏传感器是利用气气体体在在半半导导体体表表面面的的氧氧化化和和还还原原反反应应导导致致敏敏感感元元件件阻阻值值变变化化而制成的。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）。9/24/20249常用传感器的应用 当半导体的功函数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。例如氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子接收性气体。 如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，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性气体。 9/24/202410常用传感器的应用 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，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。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，则载流子增多，使半导体电阻值下降。图10-3表示了气体接触N型半导体时所产生的器件阻值变化情况。9/24/202411常用传感器的应用图 10-3 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图 9/24/202412常用传感器的应用 由于空气中的含氧量大体上是恒定的， 因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相对固定。若气体浓度发生变化，其阻值也将变化。根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。半导体气敏时间(响应时间)一般不超过1min。N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。 9/24/202413常用传感器的应用l气敏元件工作时必须加热，其目的是：l加速被测气体的吸附、脱出过程；l烧去气敏元件的油垢或污垢物，起清洗作用；l控制不同的加热温度能对不同的被测气体具有选择作用。l加热温度与元件输出的灵敏度有关。如右图所示。9/24/202414常用传感器的应用 气敏元件一般工作在气敏元件一般工作在200400的的高温。高温。 为气敏元件提供必要工作温度的加为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻热电路的电阻(指加热器的电阻值指加热器的电阻值)称为称为加热电阻，用加热电阻，用RH表示。直热式的加热电表示。直热式的加热电阻值一般小于阻值一般小于5；旁热式的加热电阻大；旁热式的加热电阻大于于20。 气敏元件正常工作所需的加热电路气敏元件正常工作所需的加热电路功率，称为加热功率，用功率，称为加热功率，用表示。一般表示。一般在在(0.52.0)W范围。范围。9/24/202415常用传感器的应用 由于加热方式一般有直热式和旁热式两种，因而形成了直热式和旁热式气敏元件。直热式气敏器件的结构及符号如下图所示。直热式器件是将加热丝、 测量丝直接埋入SnO2或ZnO等粉末中烧结而成的，工作时加热丝通电，测量丝用于测量器件阻值。 这类器件制造工艺简单、成本低、功耗小，可以在高电压回路下使用， 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。国产QN型和日本费加罗TGS109型气敏传感器均属此类结构。 9/24/202416常用传感器的应用直热式气敏器件结构及符号1234SnO2烧结体加热极兼电极(a)结构4321(b)符号9/24/202417常用传感器的应用 旁热式气敏器件的结构及符号如下图所示，它的特点是将加热丝放置在一个陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂上SnO2等材料。旁热式结构的气敏传感器克服了直热式结构的缺点，使测量极和加热极分离， 而且加热丝不与气敏材料接触，避免了测量回路和加热回路的相互影响，器件热容量大，降低了环境温度对器件加热温度的影响，所以这类结构器件的稳定性、 可靠性都较直热式器件好，国产QM-N5型和日本费加罗TGS812、813型等气敏传感器都采用这种结构。 9/24/202418常用传感器的应用（2）旁热式）旁热式SnO2气敏元件气敏元件加热器电阻值一般为3040电极加热器瓷绝缘管旁热式气敏器件结构及符号SnO2烧结体123456（a）结构（b）符号7100目不锈钢网18.412312345674545气敏元件外形和引出线分布9/24/202419常用传感器的应用（二）应用l1、自动排风扇控制器9/24/202420常用传感器的应用l传感器的加热电压直接由变压器次级（6V）经R12将压提供；工作电压由全波整流后，经C1滤波及R1、VZ5稳压后提供。l传感器负载电阻由R2及R3组成（更换R3大小，可调节控制信号与待测气体的浓度的关系）。R4、VD6、C2及IC1组成开机延时电路，调整使其延时为60s左右（防止初始稳定状态误动作）。9/24/202421常用传感器的应用 当达到报警浓度时，IC1的2端为高电平，使IC4输出高电平，此信号使VT2导通，继电器吸合（起动排气扇）；组成排气扇延迟电路，使IC4出现低电平后10s才使J释放；另外，IC4输出高电平使IC2、IC3组成的压控振荡器起振，其输出使VT1导通或截止交替出现，则LED（红色）产生闪光报警信号。 LED（绿色）为工作指示灯。9/24/202422常用传感器的应用2、简易酒精测试仪l右图为简易酒精测试仪。l其加热及工作电压都是5V，加热电流约125mA。传感器的负载电阻为R1及R2，其输出直接结LED显示驱动器LM3914。当无酒精蒸气，其上的输出电压很低，随着酒精蒸气的浓度增加，输出电压也上升，则LM3912的LED（共10个）亮的数目也增加。9/24/202423常用传感器的应用3、化学实验室有害气体鉴别l 下图所示为有害气体鉴别器的电路。MQS2B是烟雾、有害气体传感器，平时阻值较高（10k左右）。当有烟雾或有害气体进入时，阻值急剧下降。9/24/202424常用传感器的应用l MQS2B的A、B两端电压下降时，12V电压经MQS2B的压降减少，使得B的电压升高，经电阻R1和RP分压、R2限流加到开关集成电路TWH8778的端。当端电压达到预定值时，、两端导通。9/24/202425常用传感器的应用l调节可调电阻RP可改变端的电压预定值，从而调节其灵敏度，使、两端导通。12V电压加至继电器，使继电器得电，触点J1-1吸合，从而控制排风扇电源的开关，使排风扇自动排风。同时端输出的12V电压经R4限流和稳压二极管VD3（5V）稳压后提供微音器HTD电源电压，此微音器是有源的（自带音源），此时便会发出嘀嘀声，由此可知是否有有害气体产生。同时，发光二极管发出红光，实现生光显示。9/24/202426常用传感器的应用 1 1、接触燃烧式气敏元件的结构、接触燃烧式气敏元件的结构 用用高高纯纯的的铂铂丝丝, ,绕绕制制成成线线圈圈, ,为为了了使使线线圈圈具具有有适适当当的的阻阻值值( (12),),一一般般应应绕绕10圈圈以以上上。在在线线圈圈外外面面涂涂以以氧氧化化铝铝或或氧氧化化铝铝和和氧氧化化硅硅组组成成的的膏膏状状涂涂覆覆层层, ,干干燥燥后后在在一一定定温温度度下下烧烧结结成成球球状状多多孔孔体体。将将烧烧结结后后的的小小球球, ,放放在在贵贵金金属属铂铂、钯钯等等的的盐盐溶溶液液中中, ,充充分分浸浸渍渍后后取取出出烘烘干干。然然后后经经过过高高温温热热处处理理, ,使使在在氧氧化化铝铝( (氧氧化化铝铝一一氧氧化化硅硅) )载载体体上上形成贵金属触媒层形成贵金属触媒层, ,最后组装成气体敏感元件。最后组装成气体敏感元件。二、接触燃烧气敏传感器9/24/202427常用传感器的应用 除除此此之之外外, ,也也可可以以将将贵贵金金属属触触媒媒粉粉体体与与氧氧化化铝铝、氧氧化化硅硅等等载载体体充充分分混混合合后后配配成成膏膏状状, ,涂涂覆覆在在铂铂丝丝绕绕成成的的线线圈圈上上, ,直直接接烧烧成成后后备备用用。另另外外，作作为为补补偿偿元元件件的的铂铂线线圈圈, ,其其尺尺寸寸、阻阻值值均均应应与与检检测测元元件件相相同同。并并且且, ,也也应应涂涂覆覆氧氧化化铝铝或或者者氧氧化化硅硅载载体体层层, ,只只是是无无须须浸浸渍渍贵贵金金属属盐盐溶溶液液或或者者混混入入贵贵金属触媒粉体金属触媒粉体, ,形成触媒层而已。形成触媒层而已。 9/24/202428常用传感器的应用触媒Al2O3载体Pt丝元件(0.8-2)mm(b)敏感元件外形图接触燃烧式气敏元件结构示意图(a)元件的内部示意图 9/24/202429常用传感器的应用l2、检测原理、检测原理 l 对铂丝线圈通以电流，使其保持高温对铂丝线圈通以电流，使其保持高温（300400）。可燃性气体）。可燃性气体(H2、CO、CH4等等)与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热反应热(无焰接触燃烧热无焰接触燃烧热)，使得作为敏感材料，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。一般情况的铂丝温度升高，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下，空气中可燃性气体的浓度都不太高(低于低于10)，可燃性气体可以完全燃烧，可燃性气体可以完全燃烧，其发热量其发热量与可燃性气体的浓度有关与可燃性气体的浓度有关。9/24/202430常用传感器的应用l 空气中可燃性气体浓度愈大，氧化空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应反应(燃烧燃烧)产生的反应热量产生的反应热量(燃烧热燃烧热)愈愈多，铂丝的温度变化多，铂丝的温度变化(增高增高)愈大，其电愈大，其电阻值增加的就越多。因此，只要测定作阻值增加的就越多。因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值为敏感件的铂丝的电阻变化值(R)，就，就可检测空气中可燃性气体的浓度。但是，可检测空气中可燃性气体的浓度。但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，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。都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使用寿命，又可以提这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。高检测元件的响应特性。9/24/202431常用传感器的应用 接接触触燃燃烧烧式式气气体体敏敏感感元元件件的的桥桥式式电电路路如如图图。图图中中F1是是检检测测元元件件；F2是是补补偿偿元元件件，其其作作用用是是补补偿偿可可燃燃性性气气体体接接触触燃燃烧烧以以外外的的环环境境温温度度、电电源源电电压压变变化化等等因因素素所所引引起起的的偏偏差差。工工作作时时 ， 要要 求求 在在 F1和和 F2上上 保保 持持100mA200mA的的电电流流通通过过，以供可燃性气体在检测元件以供可燃性气体在检测元件F1AF2F1MR1R2CBDW2W1E0上发生氧化反应上发生氧化反应( (接触燃烧接触燃烧) )所需要的热量。当检测元所需要的热量。当检测元件件F1与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用( (燃燃烧烧) )，释放出热量，使得检测元件的温度上升，电阻，释放出热量，使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，在值相应增大，桥式电路不再平衡，在A、B间产生电间产生电位差位差E。 9/24/202432常用传感器的应用就可以就可以测得测得A、B间的电间的电位差位差E，并由此求得空气，并由此求得空气中可燃性气体的浓度。中可燃性气体的浓度。若与相应的电路配合，若与相应的电路配合，就能在空气中当可燃性就能在空气中当可燃性气体达到一定浓度时，气体达到一定浓度时，自动发出报警信号，其自动发出报警信号，其感应特性曲线如图。感应特性曲线如图。1.0接触燃烧式气敏元件的感应特性00.20.40.60.850100150输出电压/mV丙烷乙醇异丁烷丙酮环己烷气体浓度(XLEL) A、B两点间的电位差与可燃性气体的浓度两点间的电位差与可燃性气体的浓度m成成比例。如果在比例。如果在A、B两点间连接电流计或电压计，两点间连接电流计或电压计，9/24/202433常用传感器的应用三、温差火灾报警传感器l下图为温差火灾报警传感器，它由两个温度传感器组成。一个温度传感器安装在金属板上，利用金属板来检测异常温度。另一个温度传感器安装在塑料壳内，它检测正常室温。在无火情时，两温度传感器的温度相同，输出与温度成比例的电压基本相同，无报警信号输出。当由火情时，安装在金属板上的温度传感器受热而温度升高较快，另一个温度上式较慢，则输出温度差的电压信号。当温度差的电压信号达到一定值时，就可以发出报警信号。9/24/202434常用传感器的应用四、烟雾传感器l烟雾比气体分子大得多，可以利用微粒的特点来检测。l烟雾传感器以烟雾的有无来决定是否输出信号，不能定量地进行测量。9/24/202435常用传感器的应用烟雾传感器的两种类型：（1）散射式 原理如右图所示。 在发光管和光敏元件之间设置遮光屏，无烟雾时接受不到光信号，有烟雾时借微粒的散射光使光敏元件发出电信号。这种传感器的灵敏度与烟雾种类无关。9/24/202436常用传感器的应用l（2）离子式l 原理如右图所示。l 用放射性同位素镅Am241放射出微量的射线，使附近空气电离，当平行板电极有直流电压时，产生离子电流IK。有烟雾时，微粒将离子吸附，而且微粒也吸收射线，其结果是离子电流IK减少。若有另一个密封有纯净空气的离子室作为参比元件，将两者的离子电流比较就可以清除外界干扰，得到可靠的检测结果。这种传感器的灵敏度与烟雾的种类有关。9/24/202437常用传感器的应用五、传感器的采样方式l（1）依靠空气中的可燃气体自然扩散的方式来进行检测。l（2）在传感器内装小型吸气泵，强制吸引由工艺装置泄漏出来的可燃气体进入传感器进行检测。9/24/202438常用传感器的应用