3章1气敏传感器
15第3章_电气式传感(1)
x
B
C
A
x
xp
灵敏度
dR dx
kl
e0 ey
e0
x
ey
x
x pey e0
1.1 变阻器式传感器
x x pey e0 kley
e0
ey
0
x
Hale Waihona Puke xp1.1 变阻器式传感器
后接分压电路
R p Rx
e0
Rx
ey
RL
V
ey
A
dl
l
A
2
dA
l A
d
代入 R l / A
dR R
dl l
dA A
d
1.2 电阻应变式传感器
金属丝 A r 2 金属丝体积不变
dR dl l
dr r dl l
2 d
2 dr r
d
有
R
器(differential transformer)）
2.1 自感型(self-inductance)(可变磁阻式)
原理:电磁感应
线圈
由电磁学原理可知： L W m i 其 中 ： L 电 感 ； W 线 圈 匝 数 ； i 电 流 ；
m 电 流 i产 生 的 磁 通
基于金属导体的应变效应(strain effect)，即
金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电 阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而 发生变化象。
1.2 电阻应变式传感器
气敏传感器实验
气敏传感器实验
一、实验目的：了解气敏传感器原理及特性。
二、基本原理：气敏传感器是指能将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件。
它一般可分为：半导体式、接触燃烧式、红外吸收式、热导率变化式等等。
本实验采用的是TP-3集成半导体气敏传感器，该传感器的敏感元件由纳米级SnO2（氧化锡）及适当掺杂混合剂烧结而成，具微珠式结构，是对酒精敏感的电阻型气敏元件；当受到酒精气体作用时，它的电阻值变化经相应电路转换成电压输出信号，输出信号的大小与酒精浓度对应。
传感器对酒精浓度的响应特性曲线、实物及原理如下图所示。
(a)TP-3酒精浓度—输出曲线 (b)传感器实物、原理图
1酒精传感器响应特性曲线、实物及原理图
三、需用器件与单元：主机箱电压表、+5V直流稳压电源；气敏传感器、酒精棉球(自备)。
四、实验步骤：
1、按下图示意接线，注意传感器的引线号码。
气敏(酒精)传感器实验接线示意图
2、将电压表量程切换到20V档。
检查接线无误后合上主机箱电源开关，传感器通电较长时间(至少5分钟以上，因传感器长时间不通电的情况下，内阻会很小，上电后Vo输出很大，不能即时进入工作状态)后才能工作。
3、等待传感器输出Vo较小(小于1.5Ｖ)时，用自备的酒精小棉球靠近传感器端面并吹2次气，使酒精挥发进入传感网内，观察电压表读数变化对照响应特性曲线得到酒精浓度。
实验完毕，关闭电源。
气敏传感器及其工作原理
气敏传感器及其工作原理指导老师：雷家珩汇报者：周华汇报时间：2011.11.2目录•气敏传感器定义•气敏传感器分类•气敏传感器工作原理•气敏传感器的应用•气敏传感器研究现状与发展趋势•参考文献1 气敏传感器定义气敏传感器是一种将检测到的气体成份和浓度转换为电信号的传感器。
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。
2 气敏传感器分类半导体式气敏传感器气敏传感器绝缘体气敏传感器电化学气敏传感器光干涉式气敏传感器热传导式气敏传感器红外线吸收散式气敏传感器电阻型非电阻型接触燃烧式型电容式恒电位电解式伽伐尼电池式3 气敏传感器工作原理3.1 半导体气敏传感器工作原理●半导体气敏传感器(见图1,2)由气敏部分、加热丝及防爆网等构成,它是在气敏部分的SnO2、Fe2O2、ZnO2等金属氧化物中添加Pt、Pd等敏化剂的传感器。
●半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体(主要是金属氧化物)表面接触时,产生的电导率等物性变化来检测气体。
半导体气敏器件被加热到稳定状态下,当气体接触器件表面而被吸附时,吸附分子首先在表面自由地扩散(物理吸附) ,失去其运动能量,其间的一部分分子蒸发,残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸附)。
这时,如果器件的功函数小于吸附分子的电子亲和力,则吸附分子将从器件夺取电子而变成负离子吸附。
具有负离子吸附倾向的气体有O2和NOx,称为氧化型气体或电子接收性气体。
如果器件的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分子将向器件释放电子,而成为正离子吸附。
具有这种正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和酒类等,称为还原型气体或电子供给性气体。
图1 半导体气敏传感器结构图图2 半导体气敏传感器的符号表示●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,将使载流子减少,而使电阻增大。
气敏传感器
• 缺点：
– 稳定性差，老化较快，气体识别能力不强，各器件之间的特性 差异大等。
SnO2半导体气敏元件特点
（1）气敏元件灵敏度特性 烧结型、薄膜型和厚膜型SnO2气敏器件对 气体的灵敏度特性如右图所示。气敏元件 的阻值RC 与空气中被测气体的浓度C成对 数关系： log RC＝m logC+n 式中n与气体检测灵敏度有关，除了随材料 和气体种类不同而变化外，还会由于测量 温度和添加剂的不同而发生大幅度变化。 m为气体的分离度，随气体浓度变化而变 1 化，对于可燃性气体， m 1 。
气敏传感器的分类
类 型 原 理 检测对象
还原性气体、城市排 放气体、丙烷气等
特
点
半导体式
若气体接触到加热的金属 氧化物(SnO2 、Fe2O3 、ZnO2 等)， 电阻值会增大或减小
灵敏度高，构造与电路简 单，但输出与气体浓度不 成比例 输出与气体浓度成比例， 但灵敏度较低
接触燃烧式
可燃性气体接触到氧气就会 燃烧，使得作为气敏材料的铂 丝温度升高，电阻值相应增大
还 原型
吸 气时
图 7-20 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图
规则总结：
• 氧化型气体＋N型半导体：载流子数下降， 电阻增加 • 还原型气体＋N型半导体：载流子数增加， 电阻减小 • 氧化型气体＋P型半导体：载流子数增加， 电阻减小 • 还原型气体＋P型半导体：载流子数下降， 电阻增加
7.2.3 半导体气敏传感器类型及结构
7.2 气 敏 传 感 器
7.2.1 概述 气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传 感器。它将气体种类及其浓度等有关的信息转换成电信 号，根据这些电信号的强弱便可获得与待测气体在环境
气敏传感器
（2）薄膜型
在石英基片上蒸发或溅射一层半导体薄膜
制成（厚度0.1μm以下）。上下为输出电极和加
热电极，中间为加热器。 金属氧化物 输出极 加热器
薄膜型
加热电极
Hale Waihona Puke 2.3 工作原理元件加热到稳定状态，当有气体吸附时，吸附分子在气敏元 件表面自由扩散(物理吸附)，一部分吸附分子被蒸发掉，一部 分吸附分子产生热分解固定在吸附处(化学吸附)。 当半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子向半导 体释放电子成为正离子吸附，半导体载流子数增加，半导体 电阻率减少，阻值降低。具有正离子吸附倾向的气体被称为 还原性气体(例H2、CO、炭氢化合物和酒类等)。 当半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力，吸附分子从 半导体夺走电子成为负离子吸附，半导体载流子数减少，电 阻率增大，阻值增大。具有负离子吸附倾向的气体被称为氧 化性气体(例O2、NOx等)。
3.2 应用举例
例1：家用可燃性气体报警器电路。
B
R
~220V 氖管
气敏传感器
BZ 蜂鸣器
家用可燃性气体报警器电路
图是设有串联蜂鸣器的应用电路。随着环境中可燃性气体浓 度的增加，气敏元件的阻值下降到一定值后，流入蜂鸣器的 电流，足以推动其工作而发出报警信号。
例2：实用酒精测试仪（测试驾驶员醉酒的程度）。
测量电路：
MQ-4传感器外形：
谢谢！
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，称为气敏元件( 电阻型)的固有电阻值，表示为Ｒａ。一般其固有电阻值在(103～ 105)Ω范围。 测定固有电阻值Ｒａ时 , 要求必须在洁净空气环境中进行。由于 经济地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分差别较大，
第3章_常用传感器与敏感元件_第5-10节
半反射半透射镜 光电传感器
聚焦投镜 光源
反射带
光电耦合器 透射式转速计
反射式转速计
光电编码器
将位移转换成脉冲信号或数字信号输出的传感器称为
编码器。可用于位移和速度检测。有直线编码器和旋 转编码器。分为增量式和绝对式（数字式）编码器。
0000
1111
零位信号窗口 主信号窗口 编码盘
一、光纤传感器的类型
功能型（又叫传感型或全
光纤型）：光纤作为敏感 元件，利用光纤的传光特 光纤 性随着被测量（如应变、 压力、温度、电场、射线 光敏元件 等）而变化，从而使光纤 功能型光纤传感器示意图 内传输的光的特征参量 （强度、相位、频率、偏 振态、波长等）发生变化。非功能型（又叫传光型 或混合型）：光纤只是 只要检测出这些变化即可 传输光的导体，还需利 确定被测量的大小。光纤 用其它敏感元件（如光 既传光又传感。
1. 光电管(Phototube)
利用外光电效应，有真空光电管和充气光电管。
基本工作过程： 真空光电管：一定波长的光线→光电阴极发射电子 →被阳极吸收→形成光电流。 充气光电管（充有惰性气体）：阴极发射的电子撞 击惰性气体，使其电离，从而使阳极电流急剧增加， 提高了灵敏度。
光电阴极：由 光电材料涂敷 光电阴极 在玻璃泡内壁 阳极 或半圆筒形的 金属片上构成。
S F N 霍尔元件
N S 力的测量
霍尔元件 磁铁 磁铁随刀架一起转动 数控车床自动换刀控制
被测零件
非金属板
N 霍尔传感器 S 磁钢 计数装置
霍尔传感器产品
霍尔开关传感器 各种霍尔传感器
霍尔电流传感器
二、热敏电阻传感器
工作原理：利用半导体材料本身的电阻率随温度 而变化的特性。 特点：灵敏度高（电阻温度系数大，比一般金属 电阻大10～100倍）；结构简单，体积小，可进行 点测；热容量小，响应快，适宜动态测量；线性 差；稳定性和互换性较差。 类型：PTC、NTC和CTR。 结构： 直热式：圆柱形、圆片形、珠粒状、薄膜形、垫圈 形、扁形、杆形、管形、松叶状等。珠粒状体积小， 热时间常数小，适合制造点、表面温度计，如电子 体温计几乎100%都采用这种形式（NTC）。 旁热式：带有金属丝加热器。
气敏传感器公开课ppt知识讲稿
• 气敏传感器概述 • 气敏传感器的技术原理 • 气敏传感器的应用实例 • 气敏传感器的发展趋势与挑战 • 结论
01
气敏传感器概述
定义与工作原理
定义
气敏传感器是一种检测特定气体的传感器，它能将气体种类和浓度信息转换成 电信号，以便进一步处理和控制。
工作原理
气敏传感器的工作原理主要是基于不同气体对传感器材料的吸附、反应或化学 变化，从而改变传感器的电阻、电容、电感等参数，最终输出电信号。
01
02
03
原理
利用敏感材料吸附气体分 子后，其电阻值发生变化， 通过测量电阻值来检测气 体浓度。
敏感材料
金属氧化物、导电聚合物 等。
应用场景
广泛应用于可燃气体、有 毒气体、酒精等检测。
非电阻型气敏传感器
原理
利用敏感材料吸附气体分子后，其电 导率、电容、频率等参数发生变化， 通过测量这些参数来检测气体浓度。
敏感材料
应用场景
广泛应用于二氧化碳、湿度、氧气等 检测。
半导体金属氧化物、高分子材料等。
气敏传感器的性能参数
灵敏度
指传感器输出变化量与 输入变化量之比，越高
越好。
响应时间
稳定性
选择性
指传感器输出变化达到 稳定值所需的时间，越
短越好。
指传感器在长时间内保 持性能参数不变的能力，
越强越好。
指传感器对不同气体的 敏感程度，越高越好。
隐患。
工作原理
气敏传感器通过敏感材料吸附烟雾 颗粒，并检测其电阻变化来探测烟 雾。
应用场景
家庭、办公室、工厂、仓库等场所 的火灾预警系统。
天然气泄漏检测
天然气泄漏检测
气敏、湿敏传感器
一、气敏电阻传感器气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器，它的传感元件是气敏电阻。
气敏电阻形式繁多，可以检测各种特定对象的气体，如各种还原性气体。
1．还原性气体传感器所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。
还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。
【举例】各种可燃性气体传感器如，酒精传感器、煤气报警器、液化气报警器、一氧化碳传感器、甲烷传感器等。
2．二氧化钛氧浓度传感器半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。
其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。
当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。
TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路介绍【举例】氧浓度传感器可用于汽车尾气测量气敏半导体的灵敏度较高，它较适用于气体的微量检漏、浓度检测或超限报警。
二、湿敏电阻传感器湿度包括：绝对湿度和相对湿度，湿度对电子元件的影响很大。
检测湿度的手段很多，如毛发湿度计、干湿球湿度计、石英振动式湿度计、微波湿度计、电容湿度计、电阻湿度计等，本节介绍陶瓷湿敏电阻式湿度传感器。
图2－19是陶瓷湿敏电阻传感器的结构、外形及测量转换电路框图，它主要用于测量空气的相对湿度。
新型传感器包括气敏传感器、湿敏传感器、微传感器、光栅传感器、光电式传感器、光纤传感器、集成化智能传感器等。
本章分别介绍了这些新型传感器概念、工作原理、性能参数、应用领域等相关问题。
第10章气敏、湿敏传感器本章主要内容10.1 气敏传感器一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类1. 定义2. 结构：半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳。
3. 分类：按其制造工艺，分为烧结型、薄膜型和厚膜型；按加热方式不同，可分为直热式和旁热式两种气敏器件。
二. 半导体气敏材料的气敏机理三. SnO2 系列气敏器件1. 主要特性2. 检测电路四. 气敏传感器的应用1 简易家用气体报警2 有害气体鉴别、报警与控制电路3 防止酒后开车控制器10.2 湿敏传感器一．半导体陶瓷湿敏电阻1. 负特性湿敏半导瓷的导电原理2 正特性湿敏半导瓷的导电原理二. 典型半导瓷湿敏元件三. 湿敏传感器的应用1 湿度检测器2 高湿度显示器本章教学要求及重点、难点一．教学要求1.了解气敏、湿敏电阻传感器的结构2. 掌握气敏、湿敏电阻传感器的工作原理及应用二. 重点、难点重点：气敏、湿敏电阻传感器的原理及应用难点：气敏、湿敏电阻传感器的原理10.1 气敏传感器一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类1. 定义气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器，它的传感元件是气敏电阻。
气体传感器的设计原理
气体传感器的设计原理气体传感器是通过测量环境中某些特定气体浓度来检测、识别和定量分析气体成分的装置。
它是基于一定物理或化学原理工作的独立系统，可用于室内或室外环境的气体检测、监测和控制。
本文将就气体传感器的开发原理、关键技术和应用举例进行介绍。
一、气体传感器的基本原理气体传感器可分为两类：基于化学反应原理的气敏阻抗式传感器和基于光学、声学等物理原理的传感器。
其中气敏阻抗式传感器是目前主流技术之一，原理如下：1. 感受元件的选择气敏阻抗式传感器是通过感受元件对周围气体的化学反应，使元件的电阻值或阻抗发生变化，从而检测气体浓度的。
感受元件的选择对于传感器的灵敏度、选择性和可靠性等方面都有着至关重要的作用。
常见的感受元件有：金属氧化物（MOX）、半导体、电解质、电化学和催化剂等。
2. 工作原理以MOX感受元件为例，其工作原理如下：当周围气体存在化学物质时，感受元件表面的氧分子会与该化学物质作用，导致电子从感受元件向化学物质转移，形成离子和自由电子。
随着感受元件的电阻值或阻抗的变化，传感器的输出信号也相应变化，从而探测获得环境中气体的浓度。
3. 电路设计气体传感器的控制电路是将感受元件的电阻值或阻抗转换成标准电压或电流输出的重要部分。
电路的设计需要考虑传感器的工作原理、性能指标及输出要求等因素。
通常，控制电路由线性运算放大器、滤波电路、AD变换器、可编程信号处理器等部分构成。
二、气体传感器的关键技术1. 感受元件技术气体传感器的品质和性能直接受到感受元件的影响。
感受元件目前主要有MOX感受元件、半导体感受元件、电化学感受元件和催化剂感受元件等。
不同的元件有不同的特点和应用场景，需要综合考虑。
2. 传感器信号整理技术气体传感器的信号需要进行稳定处理和滤波处理，保证传感器输出的准确性和可读性。
常见的传感器信号整理技术有：前后端信号处理，外界干扰信号处理、工作温度范围控制等。
3. 防尘、防水技术气体传感器通常工作在环境比较恶劣的条件下，因此需要具备防尘、防水等功能。
高中物理第三章传感器1传感器2温传感器和光传感器
第三十页，共四十四页。
含有热敏电阻、光敏电阻电路的动态分析步骤 (1)明确热敏电阻(或光敏电阻)的阻值随温度(或光线强弱)是增大还是减 小． (2)分析整个回路的电阻的增减，电流的增减． (3)分析部分电路的电压、电流如何变化.
2021/12/13
第三十一页，共四十四页。
[针对训练] 3.半导体的电阻率随温度的升高而减小，经常利用半导体的这一特性来 制作传感器，如图 3-1-6 所示是一火警报警器的部分电路示意图，其中 R3 为 用半导体热敏材料制成的传感器．值班室的显示器为电路中的电流表，a、b 之间接报警器．当传感器 R3 所在处出现火情时，显示器的电流 I、报警器两 端的电压 U 的变化情况是 ( )
2021/12/13
第二十四页，共四十四页。
对温度传感器、光传感的理解(lǐjiě)及应用
1.光传感器和温度传感器的不同
传感器
光传感器
温度传感器
定义
能够感受光信号，并按一定规律 将温度变化转换为电学量变化
转换成电信号的装置
的装置
ห้องสมุดไป่ตู้
类型
主要有光敏电阻、光敏晶体管、 主要有热敏电阻、热电偶等
光电池等
2021/12/13
2021/12/13
第六页，共四十四页。
②热电阻传感器 a．敏感元件：用金属丝制作的__感_温___电阻．(又叫热电阻) b．热电阻阻值与温度 t 的关系 R＝__R_0_(1_＋ ___θ_t)__． (R0 为 t＝0 ℃时导体电阻，θ 为温度系数)
2021/12/13
第七页，共四十四页。
③热敏电阻传感器 a．敏感元件：___半_导__体____热敏电阻． b．热敏电阻的分类： 一种是随温度升高而电阻__减_小___的热敏电阻，用 NTC 符号表示；另一类 随温度升高而电阻__增__大__(z_ēn_ɡ的dà)热敏电阻，用 PTC 符号表示． c．特点及用途： 热 敏 电 阻 对 温 度 变 化 的 响 应 _很__敏_感__(_mǐ，ngǎn常) 用 于 _测__温__ 、 温 度 _控__制_(_kò或ngzhì) __过__热_保__护____．
气敏传感器课程设计
气敏传感器课程设计一、教学目标本节课的学习目标主要包括知识目标、技能目标和情感态度价值观目标。
知识目标要求学生掌握气敏传感器的原理、结构和应用；技能目标要求学生能够运用气敏传感器进行简单的气体检测实验，并能够分析实验结果；情感态度价值观目标要求学生培养对科学实验的兴趣，提高科学探究的能力。
二、教学内容本节课的教学内容主要包括气敏传感器的原理、结构和应用。
首先，通过讲解气敏传感器的原理，使学生了解气敏传感器的工作原理和特点；其次，介绍气敏传感器的结构，使学生了解气敏传感器的组成部分及其作用；最后，通过实例分析，使学生掌握气敏传感器的应用方法和技巧。
三、教学方法为了提高教学效果，本节课将采用多种教学方法相结合的方式。
首先，通过讲授法，向学生讲解气敏传感器的原理和结构；其次，采用讨论法，引导学生探讨气敏传感器的应用方法和技巧；再次，利用案例分析法，让学生分析实际应用中气敏传感器的工作原理和效果；最后，通过实验法，让学生亲自动手进行气体检测实验，提高学生的实践操作能力。
四、教学资源为了支持本节课的教学，将准备以下教学资源：教材《传感器与检测技术》、参考书《传感器技术与应用》、多媒体资料（包括气敏传感器的原理动画、实验操作视频等）、实验设备（包括气敏传感器、实验台等）。
这些教学资源将有助于提高学生的学习兴趣，丰富学生的学习体验，帮助学生更好地理解和掌握气敏传感器的相关知识。
五、教学评估本节课的评估方式包括平时表现、作业和考试三个部分。
平时表现主要评估学生在课堂上的参与程度、提问回答等情况，占总评的30%；作业主要评估学生对课堂所学知识的掌握和应用能力，占总评的30%；考试主要评估学生对气敏传感器知识的全面理解和运用能力，占总评的40%。
评估方式客观、公正，能够全面反映学生的学习成果。
六、教学安排本节课的教学安排如下：共4课时，每课时45分钟。
第一课时讲解气敏传感器的原理，第二课时介绍气敏传感器的结构，第三课时分析气敏传感器的应用方法，第四课时进行气体检测实验。
气敏传感器工作原理
气敏传感器工作原理
气敏传感器是一种可以检测气体浓度变化的设备。
它的工作原理基于化学反应和电学信号转换。
首先，气敏传感器内部包含一个灵敏的化学材料，通常是一种金属氧化物。
这些氧化物材料具有氧化还原能力，在特定气体环境中可以发生化学反应。
当目标气体进入传感器时，它会与化学材料发生反应，导致材料的电导率发生变化。
其次，传感器利用电极将化学材料与外部电路连接。
当传感器受到外部电压的激励时，电导率的变化将导致电流的流动。
传感器内部的电路会测量电流的变化，从而得出气体浓度的信息。
一般情况下，气敏传感器的电阻值与目标气体浓度呈反比关系。
当目标气体浓度增加时，传感器的电阻值会减小，电流增大；反之，当目标气体浓度减小时，电阻值会增大，电流减小。
总的来说，气敏传感器通过化学反应和电学信号转换的方式来检测气体浓度的变化。
它可以应用于空气质量监测、工业生产过程中有害气体的检测等领域。
物联网技术-第3章 传感器及检测技术
• 1．传感器在工业检测和自动控制系统中的应用
– 在石油、化工、电力、钢铁、机械等加工工业中，传感器在各自的工作岗位上担 负着相当于人们感觉器官的作用，它们每时每刻地按需要完成对各种信息的检测 ，再把大量测得的信息通过自动控制、计算机处理等进行反馈，用以进行生产过 程、质量、工艺管理与安全方面的控制。
• （2）传感器的校准 • 传感器需定期检测其基本性能参数，判定是否可以继续使用，如能继 续使用，则应对其有变化的主要指标（如灵敏度）进行数据修正，确 保传感器的测量精度的过程，称为传感器的校准。校准与标定的内容 是基本相同的。
3.1.2 传感器的分类
• 传感器的种类繁多，往往同一种被测量可以用不同类型的传感器来测 量，而同一原理的传感器又可测量多种物理量，因此传感器有许多种 分类方法。常用的分类方法有： • 1．按被测量分类:被测量的类型主要有：①机械量，如位移、力、速 度、加速度等；②热工量，如温度、热量、流量（速）、压力（差） 、液位等；③物性参量，如浓度、粘度、比重、酸碱度等；④状态参 量，如裂纹、缺陷、泄露、磨损等。 • 2．按测量原理分类:按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电 容式、压电式、光电式、磁电式、光纤、激光、超声波等传感器。现 有传感器的测量原理都是基于物理、化学和生物等各种效应和定律， 这种分类方法便于从原理上认识输入与输出之间的变换关系，有利于 专业人员从原理、设计及应用上作归纳性的分析与研究。
3.1 传感器概述
• 目前，人类已进入了科学技术空前发展的信息社会时代。 在这个瞬息万变的信息社会里，传感器为人类敏感地检测 出形形色色的有用信息，充当着电子计算机、智能机器人 、自动化设备、自动控制装置的“感觉器官”。如果没有 传感器将各种各样的形态各异的信息转换为能够直接检测 的信息，现代科学技术将是无法发展的。显而易见，传感 器在现代科学技术领域占有极其重要的地位。
物联网技术基础第3章 传感器与传感网技术
3.1 传感器概述 3.1.1 传感器的概念
总之，在物联网中，传感器主要负责接收物品“讲话”的内容，它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 图3-1为各种类型的传感器。
压力传感器
霍尔传感器
电压传感器
电流传感器
气敏传感器
温湿度传感器 振动传感器
无线温度传感器
压电加速度传感器
光敏传感器
图3-1 各种类型的传感器
12
3.1 传感器概述
在图3-2中，
3.1.2 传感器的组成
敏感元件是直接感 受被测量，并输出 与被测量成一定关 系的其他物理量的 元件；
转换元件也叫换能 元件，是将敏感元 件的输出量转换成 电参量的元件；
转换电路将转换元 件输出的电参量转 换成电压、电流或 频率等电量；
辅助电源为转换元 件和转换电路提供 电源。
15
3.1 传感器概述
3.1.3 传感器的分类
表3-3为传感器按被测量进行分类。
物理量 传感器
化学量 传感器 生理量 传感器
表3-3 传感器按被测量进行分类
力学量 热学量
压力传感器、力传感器、力矩传感器、速度传感器、 加速度传感器、流量传感器、位移传感器、位置传感 器、尺度传感器、密度传感器、黏度传感器、硬度传 感器、浊度传感器
电子线路用于将传感器 输出的电参量转换成电 能量。
11
3.1 传感器概述
3.1.2 传感器的组成
随着半导体器件和集成技术在传感器中的应 用，传感器的转换电路可以安装在传感器的 壳体里或与敏感元件集成在一个芯片上，因 此，转换电路和辅助电源也应作为传感器的 组成部分，如图3-2所示。
图3-2 传感器的组成
生物量 生化量
气敏传感器
1.3 半导体式气敏传感器的工作原理 半导体式气敏传感器：
–利用半导体气敏元件同气体接触，造成 半导体性质发生变化的原理来检测特定 气体的成分或者浓度
半导体式气敏传感器可分为：
–电阻式 –非电阻式
表面电阻控制型气敏传感器的工作原理 ㈠表面电导理论 表面电阻控制型元件的表面电阻会根据待测气体 种类及浓度的不同增大或减小。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）。吸附分子和材料表面 层交换电子而带上不同的电荷成为正离子或负离子， 同时影响半导体材料表面层的性质。
体电阻控制型
半导体气敏传感器 二极管式气敏传感器 非电阻控制型 MOS二极管式气敏传感器 Pd-MOSFET气敏传感器
图1：半导体式气敏传感器的分类
气敏传感器的性能要求：
对被测气体具有较高的灵敏度 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感 性能稳定，重复性好 动态特性好，对检测信号响应迅速 使用寿命长 制造成本低，使用与维护方便等
正是由于吸附的气体分子从材料表面得到或者给 予电子，使表面层的阻值发生了改变，我们分别考虑 以下两种情况：
当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时， 吸附分子将从器 件夺得电子而变成负离子吸附， 半导体表面呈现空间电荷区。 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。
图6 ：输出电压与温度的关系
2.2 半导体传感器在实际电路中的应用
3.1.2 气敏传感器的功能及应用场合
气敏传感器的功能及应用场合1．甲烷传感器功能：一般采用载体催化元件为检测元件。
产生一个与甲烷的含量成比例的微弱信号，经过多级放大电路放大后产生一个输出信号，送入单片机片内A/D转换输入口，将此模拟量信号转换为数字信号。
然后单片机对此信号进行处理，并实现显示，报警等功能。
应用场合：甲烷传感器在煤矿安全检测系统中用于煤矿井巷、采掘工作面、采空区、回风巷区、机电峒室等处连续检测甲烷浓度，当甲烷浓度超限时，能自动发出声、光报警，可供煤矿井下作业人员，甲烷检测人员，井下管理人员等随身携带使用。
2．一氧化碳传感器功能：一氧化碳气体传感器与报警器配套使用，是报警器中的核心检测元件，它是以定电位电解为基本原理。
当一氧化碳扩散到气体传感器时，其输出端产生电流输出，提供给报警器中的采样电路，起着将化学能转化为电能的作用。
当气体浓度发生变化时，气体传感器的输出电流也随之成正比变化，经报警器的中间电路转换放大输出，以驱动不同的执行装置，完成声、光和电等检测与报警功能，与相应的控制装置一同构成了环境检测或监测报警系统。
应用场合：一氧化碳传感器广泛使用在矿山，汽车，家庭等空气质量安全检测的地方。
3．氧气传感器功能：氧气传感器简单来说是一个密封容器（金属的或塑料的容器），它里面包含有两个电极：阴极是涂有活性催化剂的一片PTFE（聚四氟乙烯），阳极是一个铅块。
这个密封容器只在顶部有一个毛细微孔，允许氧气通过进入工作电极。
两个电极通过集电器被连接到传感器表面突出的两个引脚，而传感器通过这两个触角被连接到所应用的设备上。
传感器内充满电解质溶液，使不同种离子得以在电极之间交换。
进入传感器的氧气的流速取决于传感器顶部的毛细微孔的大小。
当氧气到达工作电极时，它立刻被还原释放出氢氧根离子。
这些氢氧根离子通过电解质到达阳极（铅），与铅发生氧化反应，生成对应的金属氧化物。
两个反应发生生成电流，电流大小相应地取决于氧气反应速度（法拉第定律），可外接一只已知电阻来测量产生的电势差，这样就可以准确测量出氧气的浓度。
传感器原理与应用复习要点
第一章传感器的一般特性1.传感器技术的三要素。
传感器由哪3部分组成?2.传感器的静态特性有哪些指标?并理解其意义。
3.画出传感器的组成方框图,理解各部分的作用。
4.什么是传感器的精度等级?一个0.5级电压表的测量范围是0~100V,那么该仪表的最大绝对误差为多少伏?5.传感器工作在差动状态与非差动状态时的优点有哪些?灵敏度、非线性度?第二章应变式传感器6.应变片有那些种类?金属丝式、金属箔式、半导体式。
7.什么是压阻效应?8.应变式传感器接成应变桥式电路的理解、输出信号计算。
应变片桥式传感器为什么应配差动放器?9.掌握电子称的基本原理框图,以及各部分的作用。
10.电阻应变片/半导体应变片的工作原理各基于什么效应?11.半导体应变片与金属应变片各有哪些特点。
第三章电容式传感器12.电容式传感器按工作原理可分为哪3种?13.寄生电容和分布电容对电容式传感器有什么影响?解决电缆电容影响的方法有那些?14.什么是电容电场的边缘效应?理解等位环的工作原理。
15.运算法电容传感器测量电路的原理及特点。
第四章电感式传感器16.了解差动变压器的用途及特点。
17.差动变压器的零点残余电压产生的原因?第五章压电式传感器18.什么是压电效应?什么是逆压电效应?常用压电材料有哪些?19.压电传感器能否测量缓慢变化和静态信号?为什么?20.压电传感器的前置放大器电路形式主要有哪两种?理解电压放大器、电荷放大器的作用。
第六章数字式传感器21.光栅传感器的原理。
采用什么技术可测量小于栅距的位移量?22.振弦式传感器的工作原理。
第七章热电式传感器23.热电偶的热电势由那几部分组成?24.热电偶的三定律的理解。
25.掌握热电偶的热电效应。
26.热电偶冷端补偿原理和必要性及补偿电桥法的补偿原理。
27.铂电阻采用三线制接线方式的原理和特点?28.采用负温度系数热敏电阻稳定晶体管放大器静态工作点的工作原理。
29.集成温度传感器AD590的主要特点。
气敏传感器mq-3
MQ-3 酒精检测用半导体气敏元件MQ-3气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。
当传感器所处环境中存在酒精蒸汽时，传感器的电导率随空气中酒精气体浓度的增加而增大。
使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
MQ-3气体传感器对酒精的灵敏度高，可以抵抗汽油、烟雾、水蒸气的干扰。
这种传感器可检测多种浓度酒精气氛，是一款适合多种应用的低成本传感器。
MQ-3气体传感器特点* 对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好的选择性* 快速的响应恢复特性* 长期的寿命和可靠的稳定性* 简单的驱动回路应用用于机动车驾驶人员及其他严禁酒后作业人员的现场检测；也用于其他场所乙醇蒸汽的检测。
测试电路气敏传感器的外观和相应的结构形式如图3所示，它由微型氧化铝陶瓷管、氧化锌敏感层，测量电极和加热器构成，敏感元件固定在塑料或不绣钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。
封装好的气敏元件有6个管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。
图3中①、②、③分别表示MQ-3乙醇传感器的引脚排布图、引脚功能图、使用接线图。
其中H-H表示加热极（如5V），A-A、B-B传感器表示敏感元件的2个极，图③中“V”为传感器的工作电压，同时也是加热电压。
MQ-3传感器的外观和相应的结构形式本设计主要是通过电阻分压电路测量酒精气体浓度变化的，而LM3914也是根据输入电压的大小决定点亮LED的数量的，因此可以先调试传感器之后的电路时是否正常。
使用5V稳MQ3 酒精传感器是气敏传感器，其具有很高的灵敏度、良好的选择性、长期的使用寿命和可靠的稳定性。
MQ3 型气敏传感器由微型Al2O3、陶瓷管和SnO2 敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或者不锈钢的腔体内，加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作条件。
传感器的标准回路有两部分组成：其一为加热回路；其二为信号输出回路，它可以准确反映传感器表面电阻的变化。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
6
气敏半导体的灵敏度特性曲线
观察右图，
看一下能否说明 非线性特性对浓 度超限报警是否 有利？
2014-6-6
7
家庭用煤气报警器
2014-6-6
8
家庭用液化气 报警器
2014-6-6
-6
10
其他气体传感器
甲烷传感器
NH3传感器
2014-6-6 11
二、二氧化钛氧浓度传感器图3-26 TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路 a）结构 b）测量转换电路
3.3.3 气敏电阻的应用
气敏电阻应用较广泛的是用于防灾报警，如可制成液化石油 气、天燃气、城市煤气、煤矿瓦斯以及有毒气体等方面的报 警器。也可用于对大气污染进行监测以及在医疗上用于对O2、 CO2等气体的测量。生活中则可用于空调机、烹调装置、酒精 浓度探测等方面。
气敏元件的参数主要有加热电压、电流，测量回路电压，灵 敏度，响应时间，恢复时间，标定气体（0.1%丁烷气体）中 电压，负载电阻值等。下面是两类典型气敏电阻的基本情况： 3.3.3.1 MQ-N5型气敏元件
2014-6-6 31
可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此，铂丝的 温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻 值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。电化学气敏传 感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输 出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流，也可以是 离子作用于离子电极产生的电动势。半导体气敏传感器具 有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，应用 极其广泛；半导体气敏元件有N型和P型之分。 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小；P型阻值随 气体浓度的增大而增大。象SnO2金属氧化物半导体气敏材 料，属于 N型半导体，在200～300℃温度它吸附空气中的 氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少， 从而使其电阻值增加。
半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体， 对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的 氧气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧 化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。
2014-6-6 12
二、二氧化钛氧浓度传感器
半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体， 对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的 氧气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧 化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。 图 3-26 是用于汽车或燃烧炉排放气体中的氧浓度 传感器结构图及测量转换电路。二氧化钛气敏电阻 与补偿热敏电阻同处于陶瓷绝缘体的末端。当氧气 含量减小时，RTiO2的阻值减小，Uo增大。 在图b中，与TiO2气敏电阻串联的热敏电阻Rt 起温 度补偿作用。当环境温度升高时，TiO2气敏电阻的 阻值会逐渐减小，只要Rt也以同样的比例减小，根 据分压比定律，Uo不受温度影响，减小了测量误差。
2014-6-6 30
3.3.1 气敏电阻的工作原理及其特性
气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用 气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化 这一机理来进行检测的。人们发现某些氧化物 半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、 BaTiO3等都具有气敏效应。
常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气 敏传感器和半导体气敏传感器等。接触燃烧式气体传 感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯 等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持 300℃～400℃的高温 ， 此时若与可燃性气体接触 ，
2014-6-6 18
湿度传感器的分类
2014-6-6
19
水蒸气的凝结将给仪器设备带来各种危害
2014-6-6
20
湿度对电子元件的影响
当环境的相对湿度增大时，物体表面就 会附着一层水膜，并渗入材料内部。这不仅 降低了绝缘强度，还会造成漏电、击穿和短 路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引 起有机材料的霉烂。
2014-6-6 13
图3-26 TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路
a）结构
b）测量转换电路
1－外壳（接地）2－安装螺栓 3－搭铁线 4－保护管 5—补偿电阻 6－陶瓷片 7－TiO2氧敏电阻 8－进气口 2014-6-6 14 9－引脚
氧浓度传感器外形
可用于汽车 尾气测量
2014-6-6
15
汽车尾气分析
2014-6-6
16
有毒气体传感器的使用
伊拉克战争中美国士兵就配备了一个可探测有毒 气体的传感器(工作时间仅为20多秒)
甲醛传感器CH2O/S-10: 测量范围 : 0- 10 ppm(百万分之一 ) 最大负荷 : 50ppm 工作寿命 : 空气中3年
2014-6-6 17
3.2
湿敏电阻传感器
第三章
3.1 气敏电阻传感器
使用气敏电阻传感器（以下简称气敏电阻），可 以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量， 再转换为电流、电压信号。 气敏电阻品种繁多，主要有可测量还原性气体和 测量氧气浓度的两大类。 一、还原性气体传感器 所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子， 化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体， 例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然 气、氢气等。 测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO 或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活 剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。
风
玻璃酒精 温度计
棉球 水槽
上页中，左边的玻璃温度计（湿球）用湿棉 球包裹，并浸没在水槽里。湿棉球由于水份蒸 发，所以其温度低于室温，致使湿球的示值低 于干球。查对应的湿度表就可知道空气的相对 湿度。虽然干湿球湿度计的历史悠久，但现在 还经常用它作为电子相对湿度仪表的标定仪器。
3.3
气敏电阻
在现代社会的生产和生活中，人们往往会 接触到各种各样的气体，需要对它们进行检 测和控制。比如化工生产中气体成分的检测 与控制；煤矿瓦斯浓度的检测与报警；环境 污染情况的监测；煤气泄漏：火灾报警；燃 烧情况的检测与控制等等。气敏电阻传感器 就是一种将检测到的气体的成分和浓度转换 为电信号的传感器。
1) 原理 QM-N5型气敏元件是以金属氧化物SnO2为主体材 料的N型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导 率随气体浓度的增加而迅速升高。
2014-6-6 37
2) 特点 用于可燃性气体的检测（CH4、C4H10、H2等）； 灵敏度高；响应速度快；输出信号大；寿命长，工作稳定可 靠。
3) 性能指标 3.3.3.2 具体指标略
时则有在几分钟内死亡的危险，因此对一氧化碳检测必须快而准。 利用SnO2 金属氧化物半导体气敏材料，通过颗粒超微细化和掺 杂工艺制备SnO2纳米颗粒，并以此为基体掺杂一定催化剂，经适 当烧结工艺进行表面修饰，制成旁热式烧结 型CO敏感元件，能 够探测0.005%～0.5%范围的CO气体。 3.3.2.2 氧化铁系气敏电阻
U(mV)
t(℃ )
100 200 300 400 500 600
图2.4.1 气敏电阻灵敏度与温度的关系
34
3.3.2 常用的气敏电阻
气敏电阻根据加热的方式可分为直热式和旁热式两种， 直热式消耗功率大，稳定性较差，故应用逐渐减少。 旁热式性能稳定，消耗功率小，其结构上往往加有封 压双层的不锈钢丝网防爆，因此安全可靠，其应用面 较广。
2014-6-6 33
以SnO2气敏元件为例，它是由0.1--10的晶体集合而成，这种 晶体是作为N型半导体而工作的。在正常情况下，是处于氧离 子缺位的状态。当遇到离解能较小且易于失去电子的可燃性 气体分子时，电子从气体分子向半导体迁移，半导体的载流 子浓度增加，因此电导率增加。而对于P型半导体来说，它的 晶格是阳离子缺位状态，当遇到可燃性气体时其电导率则减 小。 气敏电阻的温度特性如图2.4.1所示，图中纵坐标为灵敏度， 即由于电导率的变化所引起在负载上所得到的值号电压。由 曲线可以看出，
2014-6-6
21
露点
降低温度 会产生结露现 象。露点与农 作物的生长有 很大关系，结 露也严重影响 电子仪器的正 常工作，必须 予以注意。
测量露点的仪器
2014-6-6 22
露点传感器外形
2014-6-6
23
电子湿度计模块
封装后 的外形
2014-6-6
24
电子式温湿度计
2014-6-6
25
当还原性气体与多孔的接触时，气敏电阻的晶粒表面受到还原作用，其 电阻串迅速降低。这种敏感元件用于检测烷类气体特别灵敏。
3.3.2.3
型号命名方式
气敏电阻器的型号命名由三部分组成。 第一部分用字母表示主称。第二部分用字母表示用途或特征。 2014-6-6 36 第三部分用数字表示产品序号。 具体表示略。
a）气敏烧结体 b）气敏电阻外形 c）基本测量转换电路 1—引脚 2—塑料底座 3—烧结体 4—不锈钢网罩 5—加热电极 6—工作电极 7—加热回路电源 8—测量回路电源
2014-6-6 3
气敏电阻外形
其他可燃性 气体传感器
酒精传感器
酒精测试仪
呼气管
2014-6-6
5
酒精传感器的选择性
2014-6-6
2014-6-6 32
当遇到有能供给电子的可燃气 体（如CO等）时，
原来吸附的氧脱附，而由可燃气体以正离子状态吸附 在金属氧化物半导体表面；氧脱附放出电子，可燃行 气体以正离子状态吸附也要放出电子， 从而使氧化 物半导体导带电子密度增加，电阻值下降。可燃性气 体不存在了，金属氧化物半导体又会自动恢复氧的负 离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是半 导 体气敏元件检测可燃气体的基本原理。 目前国产的气敏元件有2种。一种是直热式，加 热丝和测量电极一同烧结在金属氧化物半导体管芯内； 另一种是旁热式，这种气敏元件以陶瓷管为基底，管 内穿加热丝，管外侧有两个测量极，测量极之间为金 属氧化物气敏材料，经高温烧结而成。