传感器原理及应用（第2版）.pptVIP

图8-39浓差电池ZrO2氧图8-40浓差电池ZrO2氧 传感器的结构传感器的输出特性 2．极限电流式ZrO2氧传感器当有电压加在固体电解质电池上时，氧通过固体电解质被从电池的阴极泵到阳极，泵电流通过电池引起电极极化，使单位外电压的增加所产生的泵电流的增加会逐渐减小，最后出现电流在一定的电压范围内不变或变化很小的现象，这个泵电流称为极限电流。为了获得与环境气体中氧气浓度有关且比较稳定的极限电流，在ZrO2电池的阴极表面上加上一个扩散障，限制氧气向铂电极的传输，由此产生的极限电流与环境气体氧分压有稳定的线性关系。用这种方法构成的氧传感器称为阴极扩散控制型极限电流氧传感器，简称极限电流氧传感器。其结构和特征如图8-41所示。 图8-41极限电流式ZrO2氧传感器原理图与特性图8-42给出了在不同氧分压下的极限电流与外电压之间的关系曲线。 图8-42极限电流与外电压关系曲线3．SO2传感器测量固定燃烧排气中的SO2传感器结构示于图8-43中。固体电解质采用Li＋离子导体，即LiSO4。接触燃烧式气体传感器8.5.1检测原理与结构可燃性气体（H2、CO、CH4和LPG液化石油气体等）与空气中的氧接触，会发生氧化反应，产生反应热（无焰接触燃烧热），使得作为敏感材料的铂丝温度升高，具有正的温度系数的金属铂的电阻值相应增加，并且在温度不太高时，电阻率与温度的关系具有良好的线性关系。一般情况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高（低于10%），可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体的浓度成正比。这样，铂电阻值的增大量就与可燃性气体浓度成正比。因此，只要测定铂丝的电阻变化值（ΔR），就可以检测到空气中可燃性气体的浓度。8.5图8-44(a)给出了气敏元件的结构图。图8-44(b)给出了接触燃烧式气敏元件的检测电路。 图8-44接触燃烧式气敏传感器8.5.2气敏特性 图8-45给出了接触燃烧式气敏元件的感应特性曲线。图中横坐标气体浓度的单位是可燃性气体各自的爆炸下限浓度，对于不同的可燃性气体其值不同；表明输出电压与浓度成正比。图8-45接触燃烧式气敏元 件的感应特性新型气体传感器8.6.1红外吸收式传感器当红外波段的光线照射到具有偶极矩的气体分子时，由于能量的吸收产生核间隔振动性的变化运动和整个分子绕一个轴做回转运动的能级迁移。吸收取决于该气体分子结构的特定波长的光，测量这种吸收光谱，便可判别气体分子的种类，并根据吸收强度就可推定被测气体的浓度，红外线气敏传感器就是根据这样的原理制成的传感器。红外线气敏传感器结构如图8-46所示，它由两个并列的结构相同的光学系统组成。8.6 图8-46红外气体传感器8.6.2热导率变化式气体传感器每种气体都有固定的热导率，混合气体的热导率也可以近似求得。因为以空气为比较基准的校正比较容易实现，所以用热导率变化法测气体浓度时，往往以空气为基准比较被测气体。热导式半导体气敏元件结构如图8-47所示，其基本测量电路如图8-48所示。8.6.3气敏半导体材料吸附机理及器件气敏材料对气体吸附可分为物理吸附和化学吸附两种。物理吸附是指气体在气敏材料表面上的分子吸附状态，气体和材料表面之间的结合力主要是范德华力，它们之间没有电子交换，不形成化学键。化学吸附是离子吸附。气体和材料表面之间的结合主要是化学键力，它们之间有电子交换。图8-47热导式半导体图8-48热导率基本测量电 气敏元件 路原理图图8-49SAW气敏传感器原理SAW气敏传感器原理如图8-49所示。图中采用双延迟线原理，延迟线A中间涂有对特定气体敏感的材料，其振荡频率f气随气体的浓度而变化。延迟线B主要起温度补偿作用，其f参主要随温度而改变，通过混频器可把内气体浓度调制的f分离出去。8.6.4气-磁传感器