传感器17第7章

第7章气体分析与湿度检测技术

7.1 气体传感器及应用

气体检测与成分分析的内容：识别气体的种类，测量气体的量。

7.1.1 可检测气体的种类与性质

气体种类：表7.1。气体性质：表7.2。

7.1.2 气敏传感器

气敏传感器的分类：

利用化学现象的气体传感器，利用物理现象的气体传感器：热传导式、热敏电阻式、红外吸收光谱式等。

半导体气敏传感器：电阻型和非电阻型两大类。

电阻型：表面电阻型，氧化锡（SnO2）、氧化锌（ZnO2）等和体电阻型（Fe2O3）系列；非电阻型：MOS场效应管型、二极管型（表面电流型——氢敏传感器）和固体电解质型。

1.表面电阻控制型气体传感器

（1）表面控制型气体传感器的结构

烧结型、薄膜型及厚膜型，其中最为成熟的是烧结型。

烧结型SnO2气体传感器分为直热式和间热式，其结构与符号如图7-1示。

（2）工作特性

①气敏特性遇还原性气体，表面电阻率减小；遇氧化性气体，材料表面电阻率增大。对可燃性气体更敏感。最佳工作温度一般为200～500℃范围内。

直热式结构及其优缺点：

间热式结构及其优缺点：

②温湿度特性 SnO2传感器的阻值随温度、湿度上升而有规律地减小。

③初期恢复特性及初期稳定特性

为缩短初期恢复时间和初期稳定时间，在开始使用时，要进行一段时间的高温处理，同时在构成控制电路时应加延时电路。

若将气体敏感膜、加热器和温度测量探头集成在一块硅片上，则构成集成气敏传感器。

（3）主要检测对象甲烷、丙烷、一氧化碳、氢气、酒精、硫化氢等。

2.体电阻控制型气敏传感器

（1）Fe2O3系列主要检测液化石油气、煤气和天然气。α-Fe2O3对水蒸气和乙醇不灵敏，特别适合做家庭可燃气报警器。

（2）氧气传感器 Nb2O5对氧气敏感。

3.表面电流变化型（略）

MOSFET如3D0H氢敏传感器：Pd-MOSFET、加热电阻、测温二极管组成。提高工作温度，可提高灵敏度。

4.固体电解质气敏传感器

具有离子导电性而无电子导电性的固体材料称为固体电解质。用掺杂有CaO、Y2O3等的ZrO2作固体电解质，两侧为多孔质Pt电极，即成为固体电解质气体传感器。接触氧时，当两侧氧分压不同时两电极间便形成与两侧氧分压强的对数成正比的电动势，氧浓度高的一侧为正。该电化学电池称为氧浓淡电池。

如图7-5所示为用于测量汽车引擎空燃比的ZrO２-Y2O3氧浓淡电池结构。

7.1.3 气体检测电路（参考）

7.2 湿度传感器及应用

7.2.1 湿度的概念和检测方法

1.气体的湿度大气中水蒸气的含量。常用湿度量和单位见表7-7。

2.固体的湿度固体的湿度是物质中所含水分的百分数。含水量、为湿度。

3.湿度检测方法四类：毛发湿度计法，干湿球湿度计法，露点计法，阻容式湿度计法。

7.2.2 湿度传感器

1.湿度传感器的特性参数和符号

（1）特性参数：量程、特性曲线、灵敏度、温度系数、响应时间、湿滞回线、（电源的）电压与频率特性。

（2）湿度传感器的分类：表7-8。

（3）电路符号图7-12

2.电解质湿度传感器

（1）无机电解质湿度传感器：氯化锂。湿度增大，电阻减小。

（2）高分子电解质湿度传感器：聚苯乙烯磺酸锂、有机季铵盐、聚苯乙烯磺酸铵。湿度增大，电阻减小。

3.半导体陶瓷湿度传感器

按工艺分为：烧结体型、涂覆膜型、厚膜型、薄膜型及MOS型等。一般金属半导体氧化物陶瓷，如MgCr2O4-TiO2等具有感湿负特性。过渡金属氧化物半导体陶瓷，如Fe3O4等，具有感湿正特性。

（1）MgCr2O4-TiO2半导体陶瓷湿敏传感器

结构：图7-13。测湿范围：1～100%。

使用：每次使用前，通电加热清洗线圈，将湿敏陶瓷片加热至350～400℃，保持10～60s，即可清除污染，停数分钟后，元件电阻方能恢复原值。

（2）ZnO-ZnCr2O4陶瓷湿度传感器上述MgCr2O4陶瓷湿度传感器因阻值过高，难以实现高精度检测。ZnO-ZnCr2O４湿度传感器的阻值远小于MgCr2O4。

ZnO-ZnCr2O4陶瓷湿度传感器的构造如图7-14所示。这种传感器不须用加热器，只需

0.5mW的微小功率即可使用。已广泛应用于轻纺、食品加工、仓库管理、环境保护、家用电器等许多领域。

（3）Mn3O4-TiO2半导体陶瓷温湿敏传感器在氧化铝管上涂敷添加有热固性合成树脂有机溶剂的(Mn3O4)0.7(TiO2)0.3，经高温烧结，即形成具有温湿敏的坚固电阻膜，其阻值较前几种烧结型陶瓷传感器都小(R MAX≈106Ω)。阻值随湿度增大而线性下降，随温度升高而减小，感温一般不高于400℃。

4.有机物及高分子聚合物湿度传感器

电阻湿度开关特性。

7.2.3 湿敏传感器的应用

1.湿敏传感器应用注意事项

(1)电源选择湿敏电阻必须工作于交流回路中。

(2)线性化一般湿敏元件的特性均为非线性，应将其线性化。

(3)温度补偿通常氧化物半导体陶瓷湿敏电阻湿度温度系数为0.1～0.3。

(4)测湿范围电阻式湿敏元件检测湿度不能超过95％RH。电容式传感器检测湿度不能超过80％RH。切勿将湿敏电容直接浸入水中或长期用于结露状态，也不要用手摸或嘴吹其表面。

2.阻容值的测量测量湿度传感器阻值R p和容值C p的三种电路如图10-27所示。

3.加热去污陶瓷元件的加热去污应切实控制在450℃。

4.基本应用电路交流电源湿度检测电路如图7-16所示。

7.2.4 湿度检测与控制电路实例（阅读）