常用传感器的应用课件.ppt
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- 常用 传感器 应用 课件
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1、2022-8-121第十章第十章 常用传感器的应用常用传感器的应用 l可燃性气体报警l压力测量l液位测量l流量测量l温度测量l气体成分分析2022-8-122l在自动化系统中,各种工艺变量的获得,都要通过检测元件(传感器),它直接响应被测工艺变量,并输出一个对应关系的信号。l对于检测仪表来说,检测、变送与显示是三个独立部分,也可以只用其中两个部分。当然检测、变送与显示也可以有机地结合为一体。l对检测仪表有以下三条基本要求:l1、测量值要正确反映被控变量的值,误差不超过规定的范围;l2、在环境条件下能长期工作,保证测量值的可靠性;l3、测量值必须迅速反映被控变量的变化,即动态响应比较迅速。202
2、2-8-123l可燃性气体报警器由传感器和报警器二部分组成。l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。l可燃性气体传感器有两种形式:l一种是半导体气敏传感器,另一种是催化反应热式传感器。2022-8-124 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。2022-8-125表表10-1 气敏传感器主要检测对象及应用场所气敏传感器主要检测对象及应用场所 2022-8-126l
3、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。l例如,丙稀气体,它的爆炸下限浓度为2.4,则显示值100LEL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。l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。2022-8-127 气体敏感元件,大多是以金属氧化气体敏感元件,大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体
4、表面吸附后,引起其电学特性半导体表面吸附后,引起其电学特性(例例如电导率如电导率)发生变化。发生变化。气敏传感器气敏元件的工作原理十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。分复杂,有不同的解释模型。目前流行的定性模型是:目前流行的定性模型是:原子价控原子价控制模型制模型、表面电荷层模型表面电荷层模型、晶粒间界势晶粒间界势垒模型垒模型。一、半导体气体传感器一、半导体气体传感器2022-8-128(一)工作原理(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。2022-8-129 半导体气敏传感器是利用气体在半气体在半导体表面的氧化和还原反
5、应导致敏感元件导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化阻值变化而制成的。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,另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸附)。2022-8-1210 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、
6、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。2022-8-1211 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。2022-8-1212图 10-3 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图 100550加热开关大气中2 min 4 min吸气时还原型氧化型稳定状态器件加热响应时间约1 min以内器件电阻/k2022-8-1213 由于空气中的含氧量大体上是恒定的,因此
7、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。2022-8-1214l气敏元件工作时必须加热,其目的是:l加速被测气体的吸附、脱出过程;l烧去气敏元件的油垢或污垢物,起清洗作用;l控制不同的加热温度能对不同的被测气体具有选择作用。l加热温度与元件输出的灵敏度有关。如右图所示。2022-8-1215 气敏元件一般工作在气敏元件一般工作在200400的的高温。高温。为气敏元件提供必要工作温度的加为
8、气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻热电路的电阻(指加热器的电阻值指加热器的电阻值)称为加称为加热电阻,用热电阻,用RH表示。直热式的加热电阻表示。直热式的加热电阻值一般小于值一般小于5;旁热式的加热电阻大于;旁热式的加热电阻大于20。气敏元件正常工作所需的加热电路气敏元件正常工作所需的加热电路功率,称为加热功率,用功率,称为加热功率,用表示。一般表示。一般在在(0.52.0)W范围。范围。2022-8-1216 由于加热方式一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
9、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TGS109型气敏传感器均属此类结构。2022-8-1217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2022-8-1218 旁热式气敏器件的结构及符号如下图所示,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等材料。旁热式结构的气敏传感器克服了直热式结构的缺点,使测量极和加热极分离,而且加热丝不与气敏材料接触,
10、避免了测量回路和加热回路的相互影响,器件热容量大,降低了环境温度对器件加热温度的影响,所以这类结构器件的稳定性、可靠性都较直热式器件好,国产QM-N5型和日本费加罗TGS812、813型等气敏传感器都采用这种结构。2022-8-1219(2)旁热式)旁热式SnO2气敏元件气敏元件加热器电阻值一般为3040电极加热器瓷绝缘管旁热式气敏器件结构及符号SnO2烧结体123456(a)结构(b)符号7100目不锈钢网18.412312345674545气敏元件外形和引出线分布2022-8-1220l1、自动排风扇控制器2022-8-1221l传感器的加热电压直接由变压器次级(6V)经R12将压提供;工
11、作电压由全波整流后,经C1滤波及R1、VZ5稳压后提供。l传感器负载电阻由R2及R3组成(更换R3大小,可调节控制信号与待测气体的浓度的关系)。R4、VD6、C2及IC1组成开机延时电路,调整使其延时为60s左右(防止初始稳定状态误动作)。2022-8-1222 当达到报警浓度时,IC1的2端为高电平,使IC4输出高电平,此信号使VT2导通,继电器吸合(起动排气扇);组成排气扇延迟电路,使IC4出现低电平后10s才使J释放;另外,IC4输出高电平使IC2、IC3组成的压控振荡器起振,其输出使VT1导通或截止交替出现,则LED(红色)产生闪光报警信号。LED(绿色)为工作指示灯。2022-8-1
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