第10章 其他传感器工作原理及其应用
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构。感湿高分子材料介电常数并不大，当水分子被高 分子薄膜吸附时，介电常数发生变化；因而湿度传感 器的电容量增加，所以根据电容量的变化可测得相对 湿度。
高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的结构
➢ 高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的电容随着环 境相对湿度的增加而增加，基本上呈线性关系。当 测试频率为1.5MHz左右时，其输出特性有良好的 线性度。
（3）湿度传感器的图形符号
➢ 湿度传感器的图形符号如图。对于半导体陶瓷湿敏 传感器，其图形符号代表电阻元件。
➢ 图中A-A端为测量电极，B-B端为加热清洗电极。 加热清洗电极通电后，内部电加热丝产生热量可排 除传感器湿层中的水分子。
湿敏传感器的图形符号
10.2.2 陶瓷湿度传感器
➢ 该湿度传感器的感湿体是 MgCr2O4 TiO2系多孔陶
2）高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极， 通过浸渍或涂覆，使其在基板上附着一层有机高分 子感湿膜。有机高分子的材料种类也很多，工作原 理也各不相同。
3）陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工 艺，制成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空 气中水蒸气的敏感特性而制成。
4）单晶半导体型：所用材料主要有单晶硅，用半导 体工艺制成二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器 件，其特点是易于和半导体电路集成在一起。
➢ 对其他测试频率，如1kHz、10kHz，尽管传感器电 容量变化很大，但线性度欠佳。可外接转换电路， 使电容湿度特性趋于理想直线。
电容式—湿度曲线
（2）高分子薄膜电阻式
➢ 图示为聚苯乙烯磺酸锂高分子薄膜电阻式湿度传感 器的结构图。
➢ 当环境湿度变化时，在整个湿度范围内，传感器均 有感湿特性，其阻值与相对湿度的关系在单对数坐 标纸上近似为一直线。
第10章 其他传感器工作原理及其应用
10.1 气敏传感器工作原理及其应用 10.2 湿度传感器工作原理及其应用 10.3 超声波传感器工作原理及其应用 10.4 智能传感器及其应用
10.1 气敏传感器工作原理及其应用
10.1.1 概述
➢ 现代生活中排放的气体日益增多，这些气体中有些 是易燃、易爆（如氢气、煤矿瓦斯、天然气、液化 石油气等），有些是对人体有害的气体（如一氧化 碳、氨气等）。
10.2.4 湿度传感器的应用
（1）湿度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电路中。
② 线性化：一般湿敏元件的特性均为非线性， 为便于测量，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0.1～0.3，故在测湿精度要求高 的情况下必须进行温度补偿。
④ 测湿范围：电阻式湿敏元件在湿度超过 95%RH时，湿敏膜因湿润溶解，厚度会发生 变化。
传感器，对酒精有较高的灵敏度（对一氧化碳也敏 感）。
简易酒精测试电路
（3）矿灯瓦斯报警器 ➢ 图示为一种矿灯瓦斯报警器电路，其瓦斯探头由QM-
N5型气敏传感器、限流电阻及矿灯蓄电池等组成。因 为气敏元件在预热期间会输出信号造成误报警，所以气 敏传感器在使用前必须预热十几分钟以避免误报警。矿 灯瓦斯报警器直接安放在矿工工作帽内，以矿灯蓄电池 为电源。当瓦斯超限，矿灯自动闪光并发出报警声。
速吸收气体的吸附、脱出过程，烧去气敏元件的油垢 和污物，起清洗作用。同时，可以通过温度的控制来 对检测的气体进行选择。
气敏传感器实物图
气敏电阻的分类 ➢ 按照加热方式气敏电阻可分为直热式和旁热式两种。 （1）直热式气敏电阻：该类型气敏电阻的结构与符号
如图所示。
（a）结构
（b）符号
直热式气敏电阻的结构和符号
（2）阻容值的测量 测量湿度传感器阻值和容值三种电路所示。
（3）加热去污
➢ 陶瓷元件的加热去污应切实控制在450℃。它利用 元件的温度特性进行温度检测和控制；
➢ 当温度达到450 ℃即中断加热。由于未加热前元件 吸附有水分，突然加热会出现相当于时的阻值；
➢ 实际温度并未达到450 ℃，因此应在通电后延迟 2～3s再检测电阻值。加热终了，应冷却至常温再 开始检测湿度。
➢ 为了保护人类赖以生存的自然环境，防止不幸事故 的发生，需要对各种有害、可燃性气体在环境中存 在的情况进行有效监控。
（1）气敏传感器的检测对象与应用
（2）气敏传感器的分类 ➢ 气敏传感器简称气敏电阻，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。
气敏传感器的分类
（3）传感器的结构 ➢ 常见传感器的外形如图所示。 ➢ 气敏传感器在工作时必须加热，加热的主要目的是加
（c源自文库TGS109型
10.1.3 气敏传感器的应用电路 （1）煤气报警器 ➢ 图示为某煤气报警电路的原理图。电路中一部分是煤
气报警器，在煤气达到危险界限前发生警报，另一部 分是开放式负离子发生器，其作用是自动产生空气负 离子中的臭氧反应，生成对人体无害的二氧化碳。
煤气安全报警器原理图
（2）简易酒精测试器 ➢ 图示是一种酒精测试器。此电路采用TGS812型酒精
（2）旁热式气敏电阻 该类型气敏电阻的结构与符号如图所示。
（a）结构
（b）符号
旁热式气敏电阻的结构和符号
10.1.2 气敏传感器的测量电路
➢ 气敏电阻基本测试电路如图所示。它包括加热回路 和测试回路。用直流法还是交流法测试，不影响测 试结果，可根据实际情况选用。
（a）QM-N5型；
（b）TGS812型； 气敏电阻测试电路
矿灯瓦斯报警器电路
10.2 湿度传感器工作原理及其应用
10.2.1 概述 （1）湿度传感器的应用领域 ➢ 湿度传感器的应用领域及其应用湿度范围见表10-2
所示。 （2）湿度传感器的分类 ➢ 湿度传感器依据使用材料可分为电解质型、陶瓷型、
高分子型和单晶半导体型。
1）电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作 一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解， 并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小。
瓷，如图所示。
➢ 该陶瓷湿度传感器的电阻—湿度特性随着相对湿度 的增加，电阻值急剧下降，基本按指数规律下降。
MgCr2O4 TiO2系传感器结构
MgCr2O4 TiO2 系传感器电阻湿度特性
10.2.3 高分子湿度传感器 （1）高分子薄膜电解质电容式 ➢ 图示为高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的基本结
高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的结构
➢ 高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的电容随着环 境相对湿度的增加而增加，基本上呈线性关系。当 测试频率为1.5MHz左右时，其输出特性有良好的 线性度。
（3）湿度传感器的图形符号
➢ 湿度传感器的图形符号如图。对于半导体陶瓷湿敏 传感器，其图形符号代表电阻元件。
➢ 图中A-A端为测量电极，B-B端为加热清洗电极。 加热清洗电极通电后，内部电加热丝产生热量可排 除传感器湿层中的水分子。
湿敏传感器的图形符号
10.2.2 陶瓷湿度传感器
➢ 该湿度传感器的感湿体是 MgCr2O4 TiO2系多孔陶
2）高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极， 通过浸渍或涂覆，使其在基板上附着一层有机高分 子感湿膜。有机高分子的材料种类也很多，工作原 理也各不相同。
3）陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工 艺，制成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空 气中水蒸气的敏感特性而制成。
4）单晶半导体型：所用材料主要有单晶硅，用半导 体工艺制成二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器 件，其特点是易于和半导体电路集成在一起。
➢ 对其他测试频率，如1kHz、10kHz，尽管传感器电 容量变化很大，但线性度欠佳。可外接转换电路， 使电容湿度特性趋于理想直线。
电容式—湿度曲线
（2）高分子薄膜电阻式
➢ 图示为聚苯乙烯磺酸锂高分子薄膜电阻式湿度传感 器的结构图。
➢ 当环境湿度变化时，在整个湿度范围内，传感器均 有感湿特性，其阻值与相对湿度的关系在单对数坐 标纸上近似为一直线。
第10章 其他传感器工作原理及其应用
10.1 气敏传感器工作原理及其应用 10.2 湿度传感器工作原理及其应用 10.3 超声波传感器工作原理及其应用 10.4 智能传感器及其应用
10.1 气敏传感器工作原理及其应用
10.1.1 概述
➢ 现代生活中排放的气体日益增多，这些气体中有些 是易燃、易爆（如氢气、煤矿瓦斯、天然气、液化 石油气等），有些是对人体有害的气体（如一氧化 碳、氨气等）。
10.2.4 湿度传感器的应用
（1）湿度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电路中。
② 线性化：一般湿敏元件的特性均为非线性， 为便于测量，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0.1～0.3，故在测湿精度要求高 的情况下必须进行温度补偿。
④ 测湿范围：电阻式湿敏元件在湿度超过 95%RH时，湿敏膜因湿润溶解，厚度会发生 变化。
传感器，对酒精有较高的灵敏度（对一氧化碳也敏 感）。
简易酒精测试电路
（3）矿灯瓦斯报警器 ➢ 图示为一种矿灯瓦斯报警器电路，其瓦斯探头由QM-
N5型气敏传感器、限流电阻及矿灯蓄电池等组成。因 为气敏元件在预热期间会输出信号造成误报警，所以气 敏传感器在使用前必须预热十几分钟以避免误报警。矿 灯瓦斯报警器直接安放在矿工工作帽内，以矿灯蓄电池 为电源。当瓦斯超限，矿灯自动闪光并发出报警声。
速吸收气体的吸附、脱出过程，烧去气敏元件的油垢 和污物，起清洗作用。同时，可以通过温度的控制来 对检测的气体进行选择。
气敏传感器实物图
气敏电阻的分类 ➢ 按照加热方式气敏电阻可分为直热式和旁热式两种。 （1）直热式气敏电阻：该类型气敏电阻的结构与符号
如图所示。
（a）结构
（b）符号
直热式气敏电阻的结构和符号
（2）阻容值的测量 测量湿度传感器阻值和容值三种电路所示。
（3）加热去污
➢ 陶瓷元件的加热去污应切实控制在450℃。它利用 元件的温度特性进行温度检测和控制；
➢ 当温度达到450 ℃即中断加热。由于未加热前元件 吸附有水分，突然加热会出现相当于时的阻值；
➢ 实际温度并未达到450 ℃，因此应在通电后延迟 2～3s再检测电阻值。加热终了，应冷却至常温再 开始检测湿度。
➢ 为了保护人类赖以生存的自然环境，防止不幸事故 的发生，需要对各种有害、可燃性气体在环境中存 在的情况进行有效监控。
（1）气敏传感器的检测对象与应用
（2）气敏传感器的分类 ➢ 气敏传感器简称气敏电阻，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。
气敏传感器的分类
（3）传感器的结构 ➢ 常见传感器的外形如图所示。 ➢ 气敏传感器在工作时必须加热，加热的主要目的是加
（c源自文库TGS109型
10.1.3 气敏传感器的应用电路 （1）煤气报警器 ➢ 图示为某煤气报警电路的原理图。电路中一部分是煤
气报警器，在煤气达到危险界限前发生警报，另一部 分是开放式负离子发生器，其作用是自动产生空气负 离子中的臭氧反应，生成对人体无害的二氧化碳。
煤气安全报警器原理图
（2）简易酒精测试器 ➢ 图示是一种酒精测试器。此电路采用TGS812型酒精
（2）旁热式气敏电阻 该类型气敏电阻的结构与符号如图所示。
（a）结构
（b）符号
旁热式气敏电阻的结构和符号
10.1.2 气敏传感器的测量电路
➢ 气敏电阻基本测试电路如图所示。它包括加热回路 和测试回路。用直流法还是交流法测试，不影响测 试结果，可根据实际情况选用。
（a）QM-N5型；
（b）TGS812型； 气敏电阻测试电路
矿灯瓦斯报警器电路
10.2 湿度传感器工作原理及其应用
10.2.1 概述 （1）湿度传感器的应用领域 ➢ 湿度传感器的应用领域及其应用湿度范围见表10-2
所示。 （2）湿度传感器的分类 ➢ 湿度传感器依据使用材料可分为电解质型、陶瓷型、
高分子型和单晶半导体型。
1）电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作 一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解， 并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小。
瓷，如图所示。
➢ 该陶瓷湿度传感器的电阻—湿度特性随着相对湿度 的增加，电阻值急剧下降，基本按指数规律下降。
MgCr2O4 TiO2系传感器结构
MgCr2O4 TiO2 系传感器电阻湿度特性
10.2.3 高分子湿度传感器 （1）高分子薄膜电解质电容式 ➢ 图示为高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的基本结