常用传感器的应用.教学教材.ppt

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1、常用传感器的应用.第一节可燃性气体报警器可燃性气体报警器由传感器和报警器二部分组成。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。可燃性气体传感器有两种形式：一种是半导体气敏传感器，另一种是催化反应热式传感器。10/5/20212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。10/5/20213表10-1气敏传感器主要检测对象及应用场所

2、10/5/20214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。例如，丙稀气体，它的爆炸下限浓度为2.4％，则显示值100％LEL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％。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。10/5/20215气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在

3、该半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率)发生变化。气敏传感器气敏元件的工作原理十分复杂，有不同的解释模型。目前流行的定性模型是：原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。一、半导体气体传感器10/5/20216（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。10/5/20217半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和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

4、一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。10/5/20218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。10/5/20219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

5、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。10/5/202110图10-3N型半导体吸附气体时器件阻值变化图10/5/202111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。10/

6、5/202112气敏元件工作时必须加热，其目的是：加速被测气体的吸附、脱出过程；烧去气敏元件的油垢或污垢物，起清洗作用；控制不同的加热温度能对不同的被测气体具有选择作用。加热温度与元件输出的灵敏度有关。如右图所示。10/5/202113气敏元件一般工作在200～400℃的高温。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)称为加热电阻，用RH表示。直热式的加热电阻值一般小于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，用ＰＨ表示。一般在(0.5～2.0)W范围。10/5/202114由于加热方式一

7、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TGS＃109型气敏传感器均属此类结构。10/5/202115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10/5/202116旁热式气敏器件的结构

8、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