气敏、湿敏电阻传感器的应用
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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。
广东机电职业技术学院------传感器及应用
金属氧化物在常温下是绝缘的, 制成半导体后却显示气 敏特性。通常器件工作在空气中, 空气中的氧和NO2 这样的 电子兼容性大的气体, 接受来自半导体材料的电子而吸附负 电荷, 结果使N型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电 子减少, 使表面电导减小, 从而使器件处于高阻状态。一旦元 件与被测还原性气体接触, 就会与吸附的氧起反应, 将被氧束 缚的电子释放出来, 敏感膜表面电导增加, 使元件电阻减小。
防止酒后驾车控制器原理
防止酒后驾车控制器原理电路如图10-16所示。 图中QM-J1为酒敏元件。 若司机 没喝酒， 在驾驶室内合上开关S，此时气敏器件的阻值很高，Ua为高电平， U1为 低电平，U3为高电平， 继电器K2线圈失电，其常闭触点K2-2闭合，发光二极管 VD1通，发绿光， 能点火启动发动机。
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 9－引脚
广东机电职业技术学院------传感器及应用
氧浓度传感器外形 （可用于汽车尾气测量）
广东机电职业技术学院------传感器及应用
二、湿敏电阻传感器
湿度是在空气或其他气体中存在的水蒸气。水蒸气是水的气态 形式，同其他各种气体一样，是透明的。在我们周围的环境中 大约有1%的气体是水蒸气
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酒 精 传 感 器
NH3 传 感 器
甲烷传感器
广东机电职业技术学院------传感器及应用
其他还原性气体传感器
广东机电职业技术学院------传感器及应用
呼气管
手持数字酒精测试仪
广东机电职业技术学院------传感器及应用
酒精传感器的选择性
广东机电职业技术学院------传感器及应用
湿度
绝对湿度：指大气中水汽的密度，即每 一立方米大气中所含水汽的 质量（克数）
相对湿度：大气中实有水汽压与当时温 度下饱和水汽压的百分比
相对湿度是日常生活中常用来表示湿度大小的方法。当 相对湿度达100%时，称饱和状态。
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Leabharlann Baidu饱和状态
温度高的水会蒸发出水蒸气。同样，水在较低的温度 下也可以释放出水蒸气。
气敏传感器能够检测气体的种类及主要检测场所
广东机电职业技术学院------传感器及应用
家庭用煤气报警器
广东机电职业技术学院------传感器及应用
RK-2000P可燃气体报警器采用高档CPU及高精度A/D转换器设计 而成，可同时挂接多只探测器，当被检测气体浓度超过报警设定值 时，仪器发出声光二级报警信号，同时启动外部联动，从而阻止或 降低现场的危险程度，达到排除险情的目的。
广东机电职业技术学院------传感器及应用
现代湿度测量方案两种： 干湿球测湿法 , 电子式湿度传感器测湿法。
干湿球测湿法的维护相当简单，在实际使用中，只需定期给 湿球加水及更换湿球纱布即可。与电子式湿度传感器相比， 干湿球测湿法不会产生老化，精度下降等问题。所以干湿球 测湿方法更适合于在高温及恶劣环境的场合使用。
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火灾烟雾报警器电路
＃109为烧结型SnO 2气敏器件， 它对烟雾也很敏感， 因此用它做成的火灾烟雾 报警器可用于在火灾酿成之前或之初进行报警。 电路有双重报警装置， 当烟雾或 可燃性气体达到预定报警浓度时，气敏器件的电阻减小到使V3触发导通， 蜂鸣器 鸣响报警； 另外， 在火灾发生初期， 因环境温度异常升高， 将使热传感器动作， 使蜂鸣器鸣响报警。
直热式的加热丝兼作电极。 其结构简单、 成本低、 功耗 小； 但热容量小， 易受环境气流影响； 因加热丝热胀冷缩， 易使之与材料接触不良； 在测量电路中， 信号电路和加热电 路相互干扰。间接式加热丝和电极分立，有好的稳定性。
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（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。 因此除尽量保持恒温、 恒湿外， 其有效
该类气敏元件通常工作在高温状态（200~450℃）, 目的 是为了加速上述的氧化还原反应。
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（1） 气敏特性：遇H2、CO、碳氢化合物等(还原性即可 燃性)气体， 材料表面层电阻率减小；遇O2等氧化性气体时， 材料表面层电阻率增大。在检测前，材料表面已经吸着氧， 所以对可燃性气体更敏感。最佳工作温度一般多在200～500℃ 范围内。为使传感器能在这样高的温度范围内稳定工作，具有 高 温 稳 定 性 的 半 导 体 材 料 只 有 金 属 氧 化 物 ， 常 见 的 是 SnO2 和 ZnO。
3．湿度对人体的影响 秋冬季空气干燥，人易上火、皮肤易干燥； 夏季雷雨前空气潮湿，人会感觉呼吸不畅等。
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湿敏电阻工作过程： 水分子极易吸附于固 体表面→渗透到固体 内部→半导体的电阻 值降低
可以利用多孔陶瓷、 三氧化二铝等吸湿材 料制作湿敏电阻。
一定温度下，在水的表面和冰的表面，蒸发现象始终 都是存在的。
相反，冷凝也是一样存在的。当蒸发和冷凝的速度达 到一致时，该体系就达到了动态平衡状态。空气或其他气 体都有吸收水蒸气的能力，这种能力主要受温度的影响。
总的来说，温度越高，吸收水蒸气的能力越强。在某 个温度下，气体中所能包含的水蒸气的量达到最多时，就 叫作“饱和”。
氧化锡、 氧化锌材料气敏元件输出电压与温度的关系 如下图（b）所示。
由上述分析可以看出, 气敏元件工作时需要本身的温度 比环境温度高很多。因此, 气敏元件结构上, 有电阻丝加热, 结构如图所示, 1和2是加热电极, 3和4是气敏电阻的一对电 极。
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气敏元件的基本测量电路,
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2．二氧化钛氧浓度传感器（TiO2）
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，改变半导体的电阻率，使其阻值增 大。
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TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路
电子式湿度检测动画演示
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电子式湿度传感器使用事项:
1．水蒸气的凝结将给仪器设备带来各种危害 如在热工设备里会引起受热局部不均
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2．湿度对电子元件的影响 物体表面会附着一层水膜，并渗入材料内部； 降低绝缘强度，造成漏电、击穿和短路现象； 加速金属材料的腐蚀并引起有机材料的霉烂。
（4）
烧结型气体传感器主要用来检测甲烷、丙烷、一氧化碳、 氢气、 酒精、 硫化氢等。
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例如, 用氧化锡制成的气敏元件, 在常温下吸附某种气 体后, 其电导率变化不大, 若保持这种气体浓度不变, 该器件 的电导率随器件本身温度的升高而增加, 尤其在100~300℃ 范围内电导率变化很大。显然, 半导体电导率的增加是由于 多数载流子浓度增加的结果。
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一、气敏电阻传感器
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。 气敏电阻工作原理：
气体的成分、浓度等参数变化 ↓
电阻发生变化 ↓
转换为电流、电压信号
主要可分为：测量还原性气体和测量氧气浓度的两大类。
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气敏电阻工作原理动画演示
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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等.氢气、一氧化 碳，硫化氢 ,甲烷，一氧化硫 。
当长期存放后再通电时，在一段时间内传感器阻值一般高 出正常值20%左右，而以后慢慢恢复至正常稳定值， 这一特性 称作初期稳定特性。初期稳定时间与传感器种类及工作温度有 关，直热式较长，傍热式较短。
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。
图中EH为加热电源, EC为测量电源, 电阻中气敏电阻值的变 化引起电路中电流的变化, 输出电压（信号电压）由电阻Ro 上取出。 特别在低浓度下灵敏度高, 而高浓度下趋于稳定值。 因此, 常用来检查可燃性气体泄漏并报警等。
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MQN型气敏电阻结构及测量电路
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
电子式湿度传感器是近几十年，特别是近20年才迅速发展起 来的。湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发 生器来逐支标定，电子式湿度传感器的准确度可以达到2％ 一3％RH。
湿度传感器是采用半导体技术，因此对使用的环境温度有要 求，超过其规定的使用温度将对传感器造成损坏。
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广广东东机机电电职职业 业技技术术学学院院------------传传感感器器及及应应用用
项目九：气敏、湿敏电阻传感器的应用
功用：检测环境气体成分及浓度、检测环境湿 度，并对其进行控制和显示的重要器件。
应用领域：在环境保护、家用电器、消防、农 业生产和安全生产等方面。
广东机电职业技术学院------传感器及应用
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电子相对湿度仪表的标定仪器
干球
湿球
干湿球湿度计外形及原理
广东机电职业技术学院------传感器及应用
用干湿球湿度计测量相对湿度的原理
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。
补偿。 （3） 初期恢复特性及初期稳定特性： 经短期存放再通
电时，传感器电阻值有短暂的急剧变化（减小），这一特性称 为初期恢复特性，它与元件种类、存放时间及存放环境有关。 存放时间愈长，初期恢复时间亦愈长，存放7～15天后的初期 恢复时间一般约在2～5 min之内。
广东机电职业技术学院------传感器及应用
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家庭用液化气报警器
广东机电职业技术学院------传感器及应用
一氧化碳检测仪
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矿灯瓦斯报警器电路
瓦斯报警器的电路如图所示。 它可以直接放置在矿工的工作帽内， 以矿灯蓄电池为 电源（4 V），气体传感器为QM-N5型，R1为传感器加热线圈的限流电阻。为了避免 传感器在每次使用前都要预热十多分钟，并且避免在传感器预热期间会造成的误报 警， 所以传感器电路不接于矿灯开关回路内。 矿工每天下班后将矿灯蓄电池交给电 房充电，充电时传感器处于预热状态。当工人们下井前到充电房领取后可不再进行 预热。
电子湿度计模块
封装后 的外形
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电子式温湿度计
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机械式、电子式温湿度计对比
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陶瓷湿度传感器特性曲线
在右图所示 的陶瓷湿度传感 器特性曲线中， 纵坐标的标度有 何特点？
其电阻率变 化约有多少个数 量级？
湿敏电阻外形图
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湿敏电阻外形结构示意图
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应用: 降低温度会产 生结露现象。
测量露点的仪器
露点温度: 对气体等压制冷时，水蒸气冷凝从而形成露的温度
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露点传感器
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金属氧化物在常温下是绝缘的, 制成半导体后却显示气 敏特性。通常器件工作在空气中, 空气中的氧和NO2 这样的 电子兼容性大的气体, 接受来自半导体材料的电子而吸附负 电荷, 结果使N型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电 子减少, 使表面电导减小, 从而使器件处于高阻状态。一旦元 件与被测还原性气体接触, 就会与吸附的氧起反应, 将被氧束 缚的电子释放出来, 敏感膜表面电导增加, 使元件电阻减小。
防止酒后驾车控制器原理
防止酒后驾车控制器原理电路如图10-16所示。 图中QM-J1为酒敏元件。 若司机 没喝酒， 在驾驶室内合上开关S，此时气敏器件的阻值很高，Ua为高电平， U1为 低电平，U3为高电平， 继电器K2线圈失电，其常闭触点K2-2闭合，发光二极管 VD1通，发绿光， 能点火启动发动机。
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 9－引脚
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氧浓度传感器外形 （可用于汽车尾气测量）
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二、湿敏电阻传感器
湿度是在空气或其他气体中存在的水蒸气。水蒸气是水的气态 形式，同其他各种气体一样，是透明的。在我们周围的环境中 大约有1%的气体是水蒸气
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酒 精 传 感 器
NH3 传 感 器
甲烷传感器
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其他还原性气体传感器
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呼气管
手持数字酒精测试仪
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酒精传感器的选择性
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湿度
绝对湿度：指大气中水汽的密度，即每 一立方米大气中所含水汽的 质量（克数）
相对湿度：大气中实有水汽压与当时温 度下饱和水汽压的百分比
相对湿度是日常生活中常用来表示湿度大小的方法。当 相对湿度达100%时，称饱和状态。
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Leabharlann Baidu饱和状态
温度高的水会蒸发出水蒸气。同样，水在较低的温度 下也可以释放出水蒸气。
气敏传感器能够检测气体的种类及主要检测场所
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家庭用煤气报警器
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RK-2000P可燃气体报警器采用高档CPU及高精度A/D转换器设计 而成，可同时挂接多只探测器，当被检测气体浓度超过报警设定值 时，仪器发出声光二级报警信号，同时启动外部联动，从而阻止或 降低现场的危险程度，达到排除险情的目的。
广东机电职业技术学院------传感器及应用
现代湿度测量方案两种： 干湿球测湿法 , 电子式湿度传感器测湿法。
干湿球测湿法的维护相当简单，在实际使用中，只需定期给 湿球加水及更换湿球纱布即可。与电子式湿度传感器相比， 干湿球测湿法不会产生老化，精度下降等问题。所以干湿球 测湿方法更适合于在高温及恶劣环境的场合使用。
广东机电职业技术学院------传感器及应用
火灾烟雾报警器电路
＃109为烧结型SnO 2气敏器件， 它对烟雾也很敏感， 因此用它做成的火灾烟雾 报警器可用于在火灾酿成之前或之初进行报警。 电路有双重报警装置， 当烟雾或 可燃性气体达到预定报警浓度时，气敏器件的电阻减小到使V3触发导通， 蜂鸣器 鸣响报警； 另外， 在火灾发生初期， 因环境温度异常升高， 将使热传感器动作， 使蜂鸣器鸣响报警。
直热式的加热丝兼作电极。 其结构简单、 成本低、 功耗 小； 但热容量小， 易受环境气流影响； 因加热丝热胀冷缩， 易使之与材料接触不良； 在测量电路中， 信号电路和加热电 路相互干扰。间接式加热丝和电极分立，有好的稳定性。
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（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。 因此除尽量保持恒温、 恒湿外， 其有效
该类气敏元件通常工作在高温状态（200~450℃）, 目的 是为了加速上述的氧化还原反应。
广东机电职业技术学院------传感器及应用
（1） 气敏特性：遇H2、CO、碳氢化合物等(还原性即可 燃性)气体， 材料表面层电阻率减小；遇O2等氧化性气体时， 材料表面层电阻率增大。在检测前，材料表面已经吸着氧， 所以对可燃性气体更敏感。最佳工作温度一般多在200～500℃ 范围内。为使传感器能在这样高的温度范围内稳定工作，具有 高 温 稳 定 性 的 半 导 体 材 料 只 有 金 属 氧 化 物 ， 常 见 的 是 SnO2 和 ZnO。
3．湿度对人体的影响 秋冬季空气干燥，人易上火、皮肤易干燥； 夏季雷雨前空气潮湿，人会感觉呼吸不畅等。
广东机电职业技术学院------传感器及应用
湿敏电阻工作过程： 水分子极易吸附于固 体表面→渗透到固体 内部→半导体的电阻 值降低
可以利用多孔陶瓷、 三氧化二铝等吸湿材 料制作湿敏电阻。
一定温度下，在水的表面和冰的表面，蒸发现象始终 都是存在的。
相反，冷凝也是一样存在的。当蒸发和冷凝的速度达 到一致时，该体系就达到了动态平衡状态。空气或其他气 体都有吸收水蒸气的能力，这种能力主要受温度的影响。
总的来说，温度越高，吸收水蒸气的能力越强。在某 个温度下，气体中所能包含的水蒸气的量达到最多时，就 叫作“饱和”。
氧化锡、 氧化锌材料气敏元件输出电压与温度的关系 如下图（b）所示。
由上述分析可以看出, 气敏元件工作时需要本身的温度 比环境温度高很多。因此, 气敏元件结构上, 有电阻丝加热, 结构如图所示, 1和2是加热电极, 3和4是气敏电阻的一对电 极。
广东机电职业技术学院------传感器及应用
气敏元件的基本测量电路,
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2．二氧化钛氧浓度传感器（TiO2）
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，改变半导体的电阻率，使其阻值增 大。
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TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路
电子式湿度检测动画演示
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电子式湿度传感器使用事项:
1．水蒸气的凝结将给仪器设备带来各种危害 如在热工设备里会引起受热局部不均
广东机电职业技术学院------传感器及应用
2．湿度对电子元件的影响 物体表面会附着一层水膜，并渗入材料内部； 降低绝缘强度，造成漏电、击穿和短路现象； 加速金属材料的腐蚀并引起有机材料的霉烂。
（4）
烧结型气体传感器主要用来检测甲烷、丙烷、一氧化碳、 氢气、 酒精、 硫化氢等。
广东机电职业技术学院------传感器及应用
例如, 用氧化锡制成的气敏元件, 在常温下吸附某种气 体后, 其电导率变化不大, 若保持这种气体浓度不变, 该器件 的电导率随器件本身温度的升高而增加, 尤其在100~300℃ 范围内电导率变化很大。显然, 半导体电导率的增加是由于 多数载流子浓度增加的结果。
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一、气敏电阻传感器
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。 气敏电阻工作原理：
气体的成分、浓度等参数变化 ↓
电阻发生变化 ↓
转换为电流、电压信号
主要可分为：测量还原性气体和测量氧气浓度的两大类。
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气敏电阻工作原理动画演示
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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等.氢气、一氧化 碳，硫化氢 ,甲烷，一氧化硫 。
当长期存放后再通电时，在一段时间内传感器阻值一般高 出正常值20%左右，而以后慢慢恢复至正常稳定值， 这一特性 称作初期稳定特性。初期稳定时间与传感器种类及工作温度有 关，直热式较长，傍热式较短。
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。
图中EH为加热电源, EC为测量电源, 电阻中气敏电阻值的变 化引起电路中电流的变化, 输出电压（信号电压）由电阻Ro 上取出。 特别在低浓度下灵敏度高, 而高浓度下趋于稳定值。 因此, 常用来检查可燃性气体泄漏并报警等。
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MQN型气敏电阻结构及测量电路
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
电子式湿度传感器是近几十年，特别是近20年才迅速发展起 来的。湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发 生器来逐支标定，电子式湿度传感器的准确度可以达到2％ 一3％RH。
湿度传感器是采用半导体技术，因此对使用的环境温度有要 求，超过其规定的使用温度将对传感器造成损坏。
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项目九：气敏、湿敏电阻传感器的应用
功用：检测环境气体成分及浓度、检测环境湿 度，并对其进行控制和显示的重要器件。
应用领域：在环境保护、家用电器、消防、农 业生产和安全生产等方面。
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电子相对湿度仪表的标定仪器
干球
湿球
干湿球湿度计外形及原理
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用干湿球湿度计测量相对湿度的原理
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。
补偿。 （3） 初期恢复特性及初期稳定特性： 经短期存放再通
电时，传感器电阻值有短暂的急剧变化（减小），这一特性称 为初期恢复特性，它与元件种类、存放时间及存放环境有关。 存放时间愈长，初期恢复时间亦愈长，存放7～15天后的初期 恢复时间一般约在2～5 min之内。
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一氧化碳检测仪
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矿灯瓦斯报警器电路
瓦斯报警器的电路如图所示。 它可以直接放置在矿工的工作帽内， 以矿灯蓄电池为 电源（4 V），气体传感器为QM-N5型，R1为传感器加热线圈的限流电阻。为了避免 传感器在每次使用前都要预热十多分钟，并且避免在传感器预热期间会造成的误报 警， 所以传感器电路不接于矿灯开关回路内。 矿工每天下班后将矿灯蓄电池交给电 房充电，充电时传感器处于预热状态。当工人们下井前到充电房领取后可不再进行 预热。
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电子式温湿度计
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机械式、电子式温湿度计对比
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陶瓷湿度传感器特性曲线
在右图所示 的陶瓷湿度传感 器特性曲线中， 纵坐标的标度有 何特点？
其电阻率变 化约有多少个数 量级？
湿敏电阻外形图
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湿敏电阻外形结构示意图
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应用: 降低温度会产 生结露现象。
测量露点的仪器
露点温度: 对气体等压制冷时，水蒸气冷凝从而形成露的温度
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露点传感器
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