第10章 其他传感器工作原理及其应用.ppt

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）。 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。 （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。 （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。 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。 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。 （2）简易酒精测试器 图示是一种酒精测试器。此电路采用TGS812型酒精传感器，对酒精有较高的灵敏度（对一氧化碳也敏感）。 （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。 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。 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。 （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。 10.2.2 陶瓷湿度传感器 该湿度传感器的感湿体是 系多孔陶瓷，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。 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。 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。 （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。 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