《传感器与检测技术》环境量检测传感器-课件.ppt

1、传感器与检测技术1ppt课件第5章环境量检测传感器5.1温度传感器 5.1.1热电偶 5.1.2热电阻 5.1.3热敏电阻5.2气敏传感器5.3 湿敏传感器 5.3.1 氯化铝湿敏电阻 5.3.2 半导体陶瓷湿敏电阻 5.3.3 湿敏传感器应用举例自动去湿器5.4 离子敏传感器2ppt课件5.1.1热电偶1.热电偶测温原理 2.热电偶基本定律3.热电偶的类型4.热电偶的结构形式5.热电偶的补偿导线及冷端温度的补偿方法6.热电偶测温线路5.1温度传感器3ppt课件1.热电偶测温原理 两种不同材料的导体(或半导体)组成一个闭合回路，如图5-1所示。图5-1热电偶回路4ppt课件2.热电偶基本定律(

2、1)中间导体定律：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电动势呢？中间导体定律说明，在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电动势没有影响。(2)中间温度定律：如图5-3所示，在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，热电偶A和B在接点温度为t和t0时的热电动势eAB(t,t0)等于热电偶A和B在接点温度为t和tC时的热电动势eAB(t,tc)和接点温度为tC和t0时的热电势eAB(tc,t0)的代数和，即5ppt课件2.热电偶基本定律6ppt课件2.热电偶基本定律图5-2热电偶测温系统简图1热电

3、偶2连接导线3显示仪表7ppt课件2.热电偶基本定律图5-3中间温度定律8ppt课件3.热电偶的类型表5-1标准化热电偶的主要性能和特点9ppt课件3.热电偶的类型表5-1标准化热电偶的主要性能和特点此栏中t为被测温度()，在同一栏给出的两种允差值中，取绝对值较大者。10ppt课件3.热电偶的类型表5-2S型(铂-铂)热电偶分度表11ppt课件3.热电偶的类型表5-3B型(铂铂)热电偶分度表12ppt课件3.热电偶的类型表5-4K型(镍铬-镍硅)热电偶分度表13ppt课件3.热电偶的类型表5-5E型(镍铬-铜镍)热电偶分度表14ppt课件4.热电偶的结构形式为了适应不同生产对象的测温要求和条件

4、，热电偶按结构形式可分为普通型、铠装型和薄膜等。图5-4普通型热电偶结构1接线盒2保护管3绝缘套管4热端5热电极15ppt课件4.热电偶的结构形式(1)普通型热电偶：普通型热电偶工业上使用最多其结构如图5-4所示，由热电极5、绝缘套管3、保护管2和接线盒1组成。(2)铠装型热电偶：铠装型热电偶又称套管热电偶其结构如图5-5所示，由热电偶丝3、7绝缘基板2和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体。(3)薄膜热电偶：薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料用真空蒸镀、化学涂层等办法蒸镀到绝缘基板上而制成的一种特殊热电偶，如图5-6所示。16ppt课件5.热电偶的补偿导线及冷端温度的补偿方法当热电偶材料选定

5、以后，热电动势只与热端和冷端温度有关。图5-6薄膜热电偶17ppt课件5.热电偶的补偿导线及冷端温度的补偿方法图5-6薄膜热电偶1接线盒2.连接器3热电极4绝缘材料5保护套管18ppt课件5.热电偶的补偿导线及冷端温度的补偿方法(1)热电偶的补偿导线：在实际测温时，需要将热电偶输出的电动势信号传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表，这样，冷端温度t0比较稳定。表5-6常用热电偶的补偿导线(2)冷端温度修正法：冷端温度t00，需要对热电偶回路的测量电动势值eAB(t,t0)加以修正。解：查镍铬-镍硅热电偶分度表得eAB(30，0)=1.203mV,由式(5-2)可得19ppt课件5

6、.热电偶的补偿导线及冷端温度的补偿方法(3)冷端0恒温法：在实验室及精密测量中，通常把热电偶的冷端放入0恒温器或装满冰水混合物的容器中，以使冷端温度保持0，这种方法又称冰浴法。(4)冷端温度自动补偿法(补偿电桥法)：补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压Uab作为补偿信号，来自动补偿热电偶测量过程中因冷端温度不为0或变化而引起热电动势的变化。20ppt课件5.热电偶的补偿导线及冷端温度的补偿方法图5-7补偿电桥eAB热电势RS电源内阻21ppt课件6.热电偶测温线路用热电偶测温时，可以直接与显示仪表(如电子电位差计和数字表等)配套使用，也可与温度变送器配套，转换成标准电流信号，图5-8为热

7、电偶典型测温线路。图5-8热电偶典型测温线路a)普通测温线路b)带有补偿器的测温线路c)具有温度变送器的测温线路；d)具有一体化温度变送器的测温线路22ppt课件6.热电偶测温线路图5-9多点测温线路1恒温箱2辅助热电偶3主热电偶动4补偿导线5接线端子排6、9铜导线7切换开头8显示仪表23ppt课件6.热电偶测温线路图5-10热电阻传感器24ppt课件5.1.2热电阻1.常用热电阻2.热电阻的测量电路与应用举例25ppt课件1.常用热电阻用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率、R-t关系最好为线性、物理化学性能稳定和复现性好等。图5-11工业用铂热电阻体结构1铆钉2铂丝

8、3骨架4银导线(1)铂热电阻：铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，故具在温度传感器中得到了广泛应用。26ppt课件1.常用热电阻表5-7铂电阻分度表(2)铜热电阻：由于铂是贵重金属，因此，在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测温，它的测量范围为-50150。27ppt课件1.常用热电阻表5-8铜电阻(分度号为Cu50)分度表表5-9铜电阻(分度号为Cu100)分度表图5-12铜热电阻体结构1引出线2补偿线阻3铜热电阻丝4引出线28ppt课件2.热电阻的测量电路与应用举例(1)测量电路：在实际的温度测量中，常用电桥作热电阻的测量电路。图5-13测量电路a)三线式电桥

9、连接测量电路b)四线电阻测量电路电压表两端等效电阻通过电压表电流通过恒流源电流(2)应用举例：用热电阻测量真空度。29ppt课件5.1.3热敏电阻1.测温原理及特性2.热敏电阻的应用30ppt课件1.测温原理及特性NTC热敏电阻研制得较早，也较成熟。图5-14铂电阻测温电路31ppt课件2.热敏电阻的应用热敏电阻具有尺寸小、响应速度快、阻值大和灵敏度高等优点，因此在许多领域得到广泛应用。图5-15热敏电阻的特性曲线 1突变型NTC 2负指数型NTC3线性型PTC 4突变型PTC32ppt课件2.热敏电阻的应用图5-16热敏电阻的结构外形与符号a)圆片形b)柱形c)珠形d)热敏电阻符号1热敏电阻

10、2玻璃外壳3引出线33ppt课件2.热敏电阻的应用图5-17热敏电阻温度计的原理图(1)热敏电阻测温:热敏电阻温度计的原理如图5-17所示。(2)热敏电阻用于温度补偿:热敏电阻可在一定的温度范围内对某些元件进行温度补偿。34ppt课件2.热敏电阻的应用图5-18温度补偿电路(3)热敏电阻用于温度控制:热敏电阻用途十分广泛，35ppt课件2.热敏电阻的应用如空调、干燥器、热水取暖器和电烘箱箱体温度检测等都用到热敏电阻。1)继电保护。5-19 线性补偿电路(a)串联补偿电路(b)并联补偿电路(c)串联补偿电路电阻的特性曲线(d)并联补偿电路电阻的特性曲线36ppt课件2.热敏电阻的应用5-20 热

11、继电器原理图37ppt课件5.2气敏传感器气敏传感器是用来测量气体的类别、浓度和成分的传感器。SnO2（氧化锡）敏感材料是目前应用最多的一种气敏材料，它已被广泛地应用于工矿企业、民用住宅和宾馆饭店等对可燃和有害气体的检测。因此，本节将以较多的篇幅介绍SnO2气敏材料的气敏传感器。38ppt课件5.2气敏传感器1电阻型半导体气敏传感器的结构(1)气敏元器件按照制造工艺分类：可分为烧结型、薄膜型和厚膜型三类，典型结构如图5-22所示。5-22 半导体传感器的器件结构(a)烧结型气敏元器件 (b)薄膜型气敏元器件(c)厚膜型器件(d)厚膜型器件结构1、5、13加热器 2、7、9、11电极 3烧结体温

12、度 4玻璃6、10半导体 8、12绝缘基片39ppt课件1）烧结型气敏器件。如图5-22a所示，这类器件以SnO2半导体材料为基体，将铂电极和加热丝埋入SnO2材料中，用加热、加压和温度为700900C的制陶工艺烧结成形，因此被称为半导体导瓷，简称半导瓷。(1)气敏元器件按照制造工艺分类40ppt课件2）薄膜型气敏元器件如图5-22b所示，这类器件采用蒸发或溅射工艺，在石英基片上形成氧化物半导体薄膜，制作方法简单。实验证明，SnO2导体薄膜的气敏特性最好，但这种半导体薄膜为物理性附着，器件间性能差异较大。(1)气敏元器件按照制造工艺分类41ppt课件3）厚膜型气敏器件这种工艺制成的元件离散度小

13、、机械强度高，适合大批量生产，是一种很有前途的器件。(1)气敏元器件按照制造工艺分类42ppt课件（2）气敏器件按照加热方式分类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器件。43ppt课件直热式是将加热丝直接埋入SnO2和ZnO粉末中烧结而成，因此，直热式常用于烧结型气敏结构。1）直热式a)直热式结构b)直热式符号c)旁热式结构d)旁热式符号14、7、9、1316电极 5、12、17加热丝6、8引线 10SnO2烧结体 11绝缘瓷管44ppt课件2）旁热式旁热式是将加热丝和敏感元件同置于一个陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外再涂上SnO2等材料，其结构如图5

14、-23c、d所示。45ppt课件2气敏元器件的基本特性(1)SnO2系：在气敏材料SnO2中添加铂（Pt）或钯（Pd）等作为催化剂，可以提高其灵敏度和对气体的选择性。(2)ZnO系：ZnO（氧化锌）系气敏元器件对还原性气体有较高的灵敏度。图5-24 添加ThO2的SnO2气敏元器件在不同体积分数的CO气体中的灵敏度及振荡特性图5-25 添加ThO2的SnO2气敏元器件在不同体积分数的CO气体中的幅频特性注：工作温度为200C，添加1%（质量分数）的ThO2。46ppt课件2气敏元器件的基本特性图5-26 SnO2 气敏电阻温湿特性图5-27 ZnO系气敏元器件的灵敏度特性47ppt课件3非电阻

15、型气敏器件非电阻型气敏元器件也是半导体气敏传感器之一。它是利用MOS二极管的电容电压特性的变化以及MOS场效应晶体（MOSFET）的阈值电压的变化等物理特性而制成的气敏元器件。由于这类器件的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳定，且价格便宜。利用特定材料还可以使器件对某些气体物质特别敏感。48ppt课件(1)MOS二极管气敏元器件MOS二极管气敏元器件是在P型半导体硅片上，利用热氧化工艺生成一层厚度为50100nm的二氧化硅（SiO2）层，然后在其上面蒸发一层钯（Pd）的金属薄膜，作为栅电极，如图5-28a所示。由于SiO2层电容Ca固定不变，而Si和SiO2界面电容Cs是外加电压的函数

16、，其等效电路如图5-28b所示。图5-28 MOS二极管结构和等效电路a)结构 b)等效电路 c)C-V特性曲线49ppt课件(2)钯-MOS场效应晶体管气敏元器件 钯-MOS场效应晶体管（Pd-MOSFET）与普通MOSFET的结构如图5-29所示。从图可知，它们的主要区别在于栅极G。Pd-MOSFET的栅电极材料是钯（Pd），而普通MOSFET为铝（Al）。图5-29 Pd-MOSFET和普通MOSFET的结构 a)PdMOSFET结构 b)普通MOSFET结构 S源极 G栅极 D漏极50ppt课件4气敏传感器的应用半导体气敏传感器由于具有灵敏度高、响应时间短、恢复时间快、使用寿命长以及成

17、本低等优点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、自动控制和自动测试等。51ppt课件(1)自动排风扇控制器 当厨房由于油烟污染或由于液化石油气泄漏（或其他燃气）达到一定浓度时，自动排风扇控制器能自动开启排风扇，净化空气，防止事故。图5-30 自动排风扇控制器电路52ppt课件(2)简易酒精测试器简易酒精测试电路如图5-31所示，该电路中采用TGS812型酒精传感器，对酒精有较高的灵敏度（对一氧化碳也敏感）。其加热及工作电压都是5V，加热电流约125mA。传感器的负载电阻为R1及R2,其输出直接接LED显示驱动器LM3914。图5-31 简易酒精测试电路53ppt课件(3

18、)化学实验室有害气体鉴别有害气体鉴别器的电路如图5-32所示，图中MQS2B是烟雾和有害气体传感器，平时阻值较高（约10k）。当有烟雾或有害气体进入时，传感器MGS2B阻值急剧下降。图5-32 有害气体鉴别器电路54ppt课件5.3 湿敏传感器5.3.1 氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子电导率发生变化而制成的测湿元件。它由引线、基片、感湿层与电极组成，如图5-33所示。图5-33 湿敏电阻结构示意图1引线 2基片3感湿层 4金电极55ppt课件图5-34 氯化锂-湿度电阻特性曲线5.3.1 氯化锂湿敏电阻56ppt课件5.3.2 半导体陶瓷湿敏电阻1 负特性湿敏半导瓷的导

19、电原理：由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导瓷表面吸附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。图5-35 几种半导瓷-湿敏负特性57ppt课件2 正特性湿敏半导瓷的导电原理：正特性材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不同。当水分子附着在半导瓷的表面使电动势变负时，导致其表面层电子浓度下降，但这还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度，此时仍以电子导电为主。于是，表面电阻将由于电子浓度下降而加大，这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。5.3.2 半导体陶瓷湿敏电阻图5-36 Fe3O4半导瓷的正湿敏特性58ppt课件5.3.2 半导体陶瓷湿敏电阻3典型半

20、导瓷湿敏元件(1)MgCr 2O4-TiO2湿敏元件图5-37 MgCr2O4 TiO2陶瓷湿度传感器的结构 1加热线圈 2湿敏陶瓷片3电极4引线圈电极5底板 6引线59ppt课件(1)MgCr 2O 4-TiO 2湿敏元件图5-38 MgCr2O4-TiO2湿敏元件陶瓷湿度传感器的相对度与电阻的关系60ppt课件(2)ZnO-Cr 2O 3陶瓷湿敏元件湿敏元件的结构是将多孔材料的金电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线，然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中，用树脂固定，其结构如图5-39所示。图5-39 ZnO-Cr2O3陶瓷-湿敏传感器结构1引线 2滤网 3外壳4烧结元件 5

21、电极6树脂固封61ppt课件(3)四氧化三铁（Fe 3O 4）湿敏器件湿敏器件由基片、电极和感湿膜组成，器件构造如图5-40所示。图5-40 Fe3O4湿敏元件构造1引线 2滑石板 3电极 4Fe3O4胶粒62ppt课件5-41 MCS型Fe 3O 4湿敏器件的电阻-湿度特性(3)四氧化三铁（Fe 3O 4）湿敏器件图5-41和图5-42分别为国产MCS型Fe 3O 4湿敏器件的电阻湿度特性和温度湿度特性。5-41 MCS型Fe 3O 4湿敏器件的温度-湿度特性63ppt课件5.3.3 湿敏传感器应用举例自动去湿器图5-43是一种用于汽车驾驶室挡风玻璃的自动去湿电路。其目的是防止驾驶室的挡风玻

22、璃结露或结霜。图5-43自动去湿电路64ppt课件5-4 离子敏传感器离子敏传感器是一种将离子浓度的变化转化为电信号的装置，它是一种化学传感器，由离子选择膜（敏感膜）和转换器两部分构成，敏感膜用于识别离子的种类和浓度，转换器则将敏感膜感知的信息转换为电信号。离子敏场效应晶体管的结构和一般场效应晶体管的不同在于，离子敏场效应晶体管没有金属栅电极，而是在绝缘栅上制作一层敏感膜。敏感膜的种类很多，不同的敏感膜所检测的离子种类也不同，从而具有离子选择性。65ppt课件5-4 离子敏传感器 图5-44 离子场效应晶体管的结构及电路a）离子场效应晶体管的结构示意图 b）外围共源电路1、4参比电极 2、5待

23、测溶液 3Si3N4/SiO266ppt课件5-4 离子敏传感器离子敏场效应晶体管是以普通场效应晶体管为基础的，因此具有场效应晶体管的优良特性，如转移特性、输出特性和击穿特性等。而作为离子敏器件，它还应满足敏感元件的一些基本特性要求，例如响应特性、离子选择性和输出稳定性等。1）线性度2）动态响应3）迟滞4）选择系数67ppt课件1）线性度指器件在特定的测量范围内的输出电流IDS随待测溶液中离子浓度的变化而变化的对应特性。如图5-45a 图5-45 离子敏场效应晶体管特性曲线a）线性度曲线 b）阶跃响应曲线c）迟滞特性曲线（定性）68ppt课件(2)基本特性2）动态响应指溶液中的离子活度阶跃变化

24、或周期性变化时，离子敏场效应晶体管栅源电压UGS、漏极电流IDS或输出电压UOUT随时间而变化的情况。如图5-45b。69ppt课件3）迟滞指溶液中离子活度由低值向高值变化或由高值向低值变化，离子敏场效应晶体管的输出的重复程度。图5-45c为Na+离子敏场效应晶体管栅源电压UGS的迟滞特性曲线（定性）。70ppt课件4）选择系数选择系数。在待测溶液中，一般总是存在着许多种离子，相对于待测离子而言，其他离子对待测离子的测量或多或少地有所干扰，这些离子称作干扰离子。待测离子与干扰离子都会在离子敏场效应晶体管的敏感膜产生界面电位。如图5-45c。71ppt课件习题1简述热电偶与热电阻的测温原理。2试

25、证明热电偶的中间温度定律，说明该定律在热电偶实际测温中的意义。3用热电偶测温时，为什么要进行冷端温度补偿？常用的冷端温度补偿的方法有哪几种？说明其补偿原理。4 什么是补偿导线？为什么要采用补偿导线？目前的补偿导线有哪几种类型？在使用中应注意哪些问题?5 IEC推荐的标准热电偶有哪几种？各有什么特点？6用两只K型热电偶测两点温差，其连线如图546所示。已知t 1=420C，t 0=30C，测得两点的温差电动势为15.24mV，试问两点的温差为多少?后来发现，t 1温度下的那只热电偶错用了E型热电偶，其他都正确，试求两点实际温差。图 5-4672ppt课件习题7简述气敏元器件的工作原理。8为什么多数气敏元器件都附有加热器？9什么叫温敏电阻？温敏电阻有哪些类型？各有什么特点?10简述离子敏传感器的工作原理。73ppt课件