自动检测技术及应用.ppt
2023/8/23,书名：自动检测技术及应用 第2版 ISBN：978-7-111-30416-6作者：武昌俊出版社：机械工业出版社本书配有电子课件,自动检测技术及应用 第2版 高职高专 ppt 课件,2023/8/23,2,第2章 电阻式传感器及其应用,本章学习电阻式传感器的原理及应用，包括：电阻应变片、电位器、热电阻、气敏电阻及湿敏电阻等。,自动检测技术及应用 第2版 高职高专 ppt 课件,2023/8/23,3,2.1 电阻应变式传感器,应变效应：导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转换电路等组成。,自动检测技术及应用 第2版 高职高专 ppt 课件,2023/8/23,4,一、应变片的工作原理,金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。,自动检测技术及应用 第2版 高职高专 ppt 课件,2023/8/23,5,设有一长度为l、截面积为A、半径为r、电阻率为的金属单丝，它的电阻值R可表示为:当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大；又如，某些半导体受拉时，将变大，导致R变大。,自动检测技术及应用 第2版 高职高专 ppt 课件,2023/8/23,6,实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量R/R与材料力学中的轴向应变x（x=l/l）的关系在很大范围内是线性的，即,K电阻应变片的灵敏度,对于不同的金属材料，K略微不同，一般为2左右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率 会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料大几十倍。,自动检测技术及应用 第2版 高职高专 ppt 课件,2023/8/23,7,在材料力学中，x=l/l称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变。x通常很小，常用10-6表示之。例如，当x为0.000001时，在工程中常表示为110-6或m/m。在应变测量中，也常将之称为微应变()。对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于110-3，即1000m/m，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。,自动检测技术及应用 第2版 高职高专 ppt 课件,2023/8/23,8,应变片用于测量力F的计算公式：,由材料力学可知：xF/AE(E为弹性模量)而 R/RKx 故：R/RKF/AE 如果应变片的灵敏度K和试件的横截面积A以及弹性模量E均为已知，则只要设法测出R/R的数值，即可获知试件受力F的大小。例如可用于电子称的称重。,自动检测技术及应用 第2版 高职高专 ppt 课件,2023/8/23,9,分析与总结,影响电阻值变化的因素：1、电阻丝长度的变化；2、电阻丝面积的变化；3、压阻效应的作用。,电阻丝几何尺寸,金属导体,电阻率,半导体,压阻效应：半导体沿某一轴向受到应力而发生应变时，其电阻率发生变化，此现象为压阻效应。由于半导体电阻率变化明显，所以其灵敏度系数很大，故可测微小应变。,自动检测技术及应用 第2版 高职高专 ppt 课件,2023/8/23,10,1.电阻应变片的结构,电阻应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。,二、应变片的结构与粘贴,自动检测技术及应用 第2版 高职高专 ppt 课件,2023/8/23,11,（1）敏感栅 感受应变，并将应变转换为电阻的变化。敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。（2）基片 绝缘及传递应变。测量时应变片的基底粘在试件上，要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。同时基片绝缘性能要好，否则应变片微小电信号就要漏掉。由纸薄、胶质膜等制成。,2023/8/23,12,（3）覆盖层 保护作用。防湿、蚀、尘。（4）引线 连接电阻丝与测量电路，输出电参量。,2023/8/23,13,应变片的内部结构,2023/8/23,14,分类,金属电阻应变片,半导体应变片,丝式,箔式,薄膜式,2.应变片的种类,2023/8/23,15,金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。,金属丝式,2023/8/23,16,箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片与基片的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。目前广泛用于各种应变式传感器中。,2023/8/23,17,箔式应变片的外形,2023/8/23,18,半导体应变片的主要特点是：当受力时，其电阻率随应力的变化而变化，故灵敏度高，横向效应小。,2023/8/23,19,实验发现，实际应变片的K值比单丝的K值要小，造成此现象原因是横向效应，还有粘结层传递变形失真。横向效应：将直的电阻丝绕成敏感栅后,虽然长度不变,应变状态相同,但圆弧段横向收缩引起阻值减小量对轴向伸长引起阻值增加量起着抵消作用。因而同样应变阻值变化减小，K值减小，此现象为横向效应。为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片，其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多，电阻值较小，因而电阻变化量也就小得多。,2023/8/23,20,.应变片的粘贴：1)去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。,2023/8/23,21,2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。,2023/8/23,22,3.测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。,2023/8/23,23,4.焊接：检查合格后用烙铁焊接引出线，注意不要把端子扯断。,2023/8/23,24,5.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。,2023/8/23,25,三、测量转换电路不平衡电桥,金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。通常采用电桥电路实现微小电阻值变化的电压输出。例如，有一金属箔式应变片，受拉后应变片的阻值R 的变化量仅为0.2，所以必须使用电桥来测量这一微小的变化量。下面分析该桥式测量转换电路是如何将R/R转换为输出电压Uo的。,2023/8/23,26,根据电源的不同，可将电桥分为直流电桥和交流电桥。电桥按读数方法可分为平衡电桥（零读法）和不平衡电桥（偏差法）两种。平衡电桥仅适合与测量静态参数，而不平衡电桥对静、动态参数都可测量。我们只讨论直流不平衡电桥。,2023/8/23,27,直流电桥电路如下图，它的四个桥臂由电阻R1、R2、R3、R4组成。它们可以全部或部分是应变片。,34端接直流电压U,12端输出电压U0,1直流不平衡电桥的工作原理,2023/8/23,28,初始状态下，电桥是平衡的，输出为零。当其中一个桥臂（或两个、三个、四个）上受到应变作用后，则阻值将发生变化，桥路失去平衡，就会有信号U0输出。,2023/8/23,29,当电桥平衡时,有：R1R4=R2R3 或,电桥平衡条件：相邻两臂电阻的比值应相等,或相对两臂电阻的乘积相等。,当电桥不平衡时：,则：Uo=0,2023/8/23,30,1）单臂电桥,R1为工作应变片，R2、R3、R4为固定电阻。假设桥臂R1的阻值变为R1+R1。则输出电压：UO=U14-U24=R2/(R1+R1+R2)-R4/(R3+R4）U,2023/8/23,31,经运算：U0=R1R4/（R1+R1+R2）（R3+R4）U 分子分母同除以R1R3，设桥臂比n=R2/R1R3/R4，分母中R1/R1相对来说是微小项,故可略去。U0-n/(1+n)2（R1/R1）U 单臂电桥电压的灵敏度为：Ku=n/(1+n)2U 可知：Ku与电桥电源成正比，同时与桥臂比有关。对于我们讨论的等臂电桥来说，R1=R2=R3=R4，即n=1，则上式化为：U0=（R1/4R1）U 此时,电桥电压灵敏度最高。Ku=U/4,2023/8/23,32,2）双臂电桥,R1、R2为工作应变片，R3、R4为固定电阻。工作应变片R1、R2接入电桥两相邻臂，跨在电源两端。感受到的应变1、2以及产生的电阻增量R1、R2大小相等，方向相反。,2023/8/23,33,假设：R1阻值变为R1+R1；R2阻值变为R2-R2。且：R1=R2=R3=R4=R，R1=R2=R，则由电桥输出电压：U0=（R1+R1）/（R1+R1+R2-R2）-R4/（R3+R4）U=（R/2R）U双臂电桥电压的灵敏度为：Ku=U/2 由上式可知：双臂电桥灵敏度比单臂电桥提高一倍，而且还具有温度误差补偿作用。,2023/8/23,34,3）四臂全桥,全桥的四个桥臂都为应变片，两个受拉，两个受压。将两个变形符号相同的应变片接在电桥的相对臂，符号不同的接在相邻臂。,2023/8/23,35,假设4个桥臂的阻值分别变为：R1+R1、R2-R2、R3+R3、R4-R4；且：R1=R2=R3=R4=R，R1=R2=R3=R4=R，则电桥输出电压：U0=（R1+R1）/（R1+R1+R2-R2）-（R4-R4）/（R3+R3+R4-R4）U=（R/R）U 四臂全桥电压的灵敏度为：Ku=U 由上式可知：四臂全桥灵敏度是单臂电桥的4倍，其灵敏度最高，能实现温度自补偿。,2023/8/23,36,对于四臂全桥：接法如前面方式，若R1=R2=R3=R4=R，R1=R2=R3=R4忽略高阶微小量（计算较复杂，略去），则有：UO=U(R1R2+R3R4)/4R 结论：UO=(U/4)(R1/R1R2/R2+R3/R3R4/R4),2023/8/23,37,全桥的温度补偿原理,利用电桥相邻相等两臂同时产生大小相等，符号相同的电阻增量不会破坏电桥平衡（无输出）的特性来达到补偿。当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能克服温漂。,2023/8/23,38,例：利用全桥电路测量桥梁的上下表面应变。,由上图：R1、R3与R2、R4感受到的应变绝对值相等、符号相反。请大家思考测量转换电路该如何接？,2023/8/23,39,当试件受力且同时有温度变化时，,R1t=R2t=R3t=R4t,因而应变片R1R4产生的电阻增量合并为4倍的R，Rt则相互抵消。,计算结果与温度引起的电阻变化量无关。,2023/8/23,40,四、应变式传感器的应用,电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。,2023/8/23,41,.应变式力传感器,被测物理量为荷重或力的应变式传感器。作用：作为各种电子秤与材料试验机的测力元件，也可用于发动机的推力测试，或水坝坝体承载状况的监视。,2023/8/23,42,a）圆柱面展开图,b）桥路连接图,1）圆柱式力传感器,纵向和横向各贴四片应变片，纵向对称的R1和R3串接,R2和R4串接,并置于相对桥臂以减小偏心载荷及弯矩的影响。,2023/8/23,43,2）应变片用在悬臂梁上 各种悬臂梁,2023/8/23,44,各种悬臂梁,F,F,固定点,固定点,电缆,2023/8/23,45,应变片在悬臂梁上的粘贴及变形,3）应变式荷重传感器,F,应变式荷重传感器外形及受力位置,F,F,荷重传感器原理演示,荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。,2023/8/23,49,4）汽车衡,2023/8/23,50,汽车衡,汽车衡称重系统,2023/8/23,52,结构组成 电子汽车衡主要由承载器、称重显示仪表、称重传感器、连接件、限位装置及接线盒等零部件组成，还可以选配打印机、大屏幕显示器、计算机等外部设备。工作原理被称重物或载重汽车置于承载器台面上，在重力作用下，通过承载器将重力传递至称重传感器，使称重传感器弹性体产生变形，贴附于弹性体上的应变计桥路失去平衡，输出与重量数值成正比例的电信号。经线性放大器将信号放大，再经A/D转换为数字信号，由仪表的微处理机（CPU）对重量信号进行处理后直接显示重量数据。,电子天平,电子天平的精度可达十万分之一,人体秤,2023/8/23,55,2.应变式压力传感器,作用：主要用液体、气体动态和静态压力的测 量，如内燃机管道和动力设备管道的进气口、出气口气体和液体压力的测量。,2023/8/23,56,膜片式压力传感器：应变片贴在膜片内壁,在压力p作用下,距离圆心x处膜片产生径向应变r和切向应变t：,在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片,在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片,然后接成全桥测量电路。,2023/8/23,57,3.应变式加速度传感器,传感器由质量块（4）、应变片（1）、弹性悬臂梁（3）基座（2）组成。,当被测物做水平加速度运动时,由于质量块的惯性:F=ma，悬臂梁弯曲变形，通过应变片测出悬臂梁的应变量。当振动频率小于传感器的固有振动频率时，悬臂梁的应变量与加速度成正比。,2023/8/23,58,休 息 一 下,2023/8/23,59,2.2 电位器式传感器,电位器是一种将机械位移（线位移或角位移）转换为与其成一定函数关系的电阻或电压的机电传感元件。,2023/8/23,60,一、组成与特点1、组成：常用电位器传感器由电位器（骨架、电 阻丝）和触点机构（电刷等）等组成。2、特点：输出信号大，测量线路简单，成本低，性能稳定并容易实现任意函数。但要求输入能量大，电刷与电阻元件之 间容易磨损。,2023/8/23,61,二、工作原理,通过改变电位器的滑动触头（电刷）的位置，将线位移或角位移等位移量转换为电阻或电压的变化。,直线型,旋转型,UO=U(X/L),UO=U(/2),2023/8/23,62,休 息 一 下,2023/8/23,63,原理：热电阻效应：物质的电阻率随温度变化而变化的物理现象称为热电阻效应。定义：热电阻传感器：利用电阻随温度变化的特性制成的传感器。,2.3 测温热电阻传感器,2023/8/23,64,作用：主要用于对温度和与温度有关的参量进行测量。（-200+960）分类：按热电阻的性质分 金属热电阻热电阻 半导体热电阻热敏电阻,2023/8/23,65,一、热电阻,1热电阻的工作原理 金属的电阻值随温度的升高而增加，即电阻温度系数为正。,右图为金属的热电阻温度特性曲线,实验证明：大多数金属在温度每升高1时其电阻值要增 0.40.6%。,2023/8/23,66,在金属中，参与导电的是自由电子，也即是说金属导电是由于金属中的自由电子定向运动导致的。对于金属导体来说，当温度升高时，虽然自由电子数目基本不变（当温度变化范围不是很大时），但每个自由电子的动能将增加，因而在一定的电场作用下，要使这些杂乱无章的电子作定向运动就会遇到更大的阻力，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，因而金属电阻值随温度的升高而增加。,2023/8/23,67,取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484。,2023/8/23,68,2测量电路,热电阻的测量电路通常采用不平衡电桥来转换，热电阻在工业测量桥路中的接法常采用两线制和三线制两种。,2023/8/23,69,1）热电阻两线测量桥路 1电阻体 2引出线 3显示表当导线温度变化时，将产生附加电阻，引起测量误差。,2023/8/23,70,2）热电阻三线测量桥路1电阻体 2引出线 3显示表,当热电阻阻值较小时，常采用三线制接法，可以消除和减少引线电阻的影响。两条引线接于相邻的两臂上，由于附加电阻引起的电阻变化是相同的，根据电桥的特性，电桥的输出将互相抵消。,2023/8/23,71,3热电阻材料及其结构1）热电阻材料易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻。制作热电阻的电阻体材料应具有的特点：电阻温度系数大，以便提高热电阻的灵敏度。电阻率尽可能大，以便在相同灵敏度下减小电阻体尺寸。其化学、物理性能稳定。材料的提纯、可延、自制等工艺性好。,2023/8/23,72,2023/8/23,73,根据上述特点，较为广泛应用的热电阻材料有：铂、铜、镍、铁、和铑铁合金等，而常用的是铂、铜。,2023/8/23,74,2）热电阻的结构,组成：热电阻由电阻体12、引出线11、绝缘套管10和接线盒7等部件组成，其中，电阻体是热电阻的最主要部件。分类：金属热电阻按照结构类型分：普通型 铠装型 薄模型,普通工业用热电阻,2023/8/23,75,薄膜型及普通型铂热电阻,2023/8/23,76,小型铂热电阻,2023/8/23,77,防爆型铂热电阻,2023/8/23,78,4常用的热电阻,1）铂热电阻铂：pt，通称白金。优点：物理、化学性能极为稳定，耐氧化能力强；易于提纯，复制性好，电阻率较高。缺点：电阻温度系数小；在还原介质中（特别是高温下）工作时易被沾污变脆；价格较高。,2023/8/23,79,铂热电阻的阻值与温度间的关系近似线性：-2000时:Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3 0850时:Rt=R0(1+At+Bt2)A、B、C温度系数 Rt温度为t时铂热电阻得阻值；R0温度为0时铂热电阻得阻值。我国铂热电阻使用范围有：-200650 测温误差：t=(0.15+0.002t)；-200850 测温误差：t=(0.3+0.005t)。,2023/8/23,80,2）铜热电阻 在一些测量精度不高且温度较低的场合一般采用铜热电阻，可用它测量-50150的温度，测温误差为：t=(0.3+0.006t)。在上述使用温度范围内，阻值与温度的关系几乎成线性关系，即可近似表示为 Rt=R0(1+t)式中电阻温度系数,=(4.254.28)103/,2023/8/23,81,优点：电阻温度系数比铂高；容易提纯，加工性能好，价格便宜。缺点：电阻率比铂低；易氧化，不宜在腐蚀性介质或高温下工作。,2023/8/23,82,学习查“铂热电阻分度表”,附录 铂热电阻分度表,2023/8/23,83,热电阻应用,热电阻式流量计是根据物理学中关于介质内部热传导现象制成的。如果将温度为tn的热电阻放在温度为tc介质内，设热电阻与介质相接触的表面面积为A，则热电阻耗散的热量Q可表示为：Q=KA(tn-tc)K热传导系数或称传热系数。K与介质的密度、粘度、平均流速等参数有关。,2023/8/23,84,当其它参数为定值时，K仅与介质的平均流速成正比。即：,上式说明：通过测量热电阻耗散的热量Q即可测量介质的平均流速。,2023/8/23,85,Rt1放在被测介质的流通管道的中心，它所耗散的热量与被测介质的平均流速成正比。Rt2放在温度与被测介质相同、但不受介质流速影响的连通室中,下图所示为热电阻流量计的电路原理图：,请大家分析电桥？,2023/8/23,86,热敏电阻也是利用电阻值随温度变化而变化的特性制成的一种敏感元件。,二、热敏电阻,2023/8/23,87,1热敏电阻的工作原理 半导体中参加导电的是载流子，所以半导体本身的电阻率比金属大得多。随温度的升高，参加导电的载流子数目增加，半导体的电阻率降低，电阻值减小。即半导体的电阻率随温度上升按指数规律下降。当温度变化1时，某些半导体热敏电阻的电阻值变化将达到（36）%。灵敏度比金属热电阻高。,2023/8/23,88,热敏电阻的优点：1）热敏电阻随温度有很大的变化，所以容易得到很大的信号变化，灵敏度较高。2）与金属热电阻相比，其电阻很大，很容易做出数千欧到数百千欧的热敏电阻，体积小。另外，因为其电阻大，即便是加长引线，引线的电阻也可以忽略不计，因而减小了引线电阻的影响。,2023/8/23,89,热敏电阻有负温度系数热敏电阻（NTC）和正温度系数热敏电阻（PTC）两大类。NTC又可分为两大类：第一类为负指数型。用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系；第二类为突变型。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降。,分类：,2023/8/23,90,下图所示的曲线分别为哪一种热敏电阻？,12345,负指数型NTC,突变型NTC,铂热电阻,2023/8/23,91,负温度系数的热敏电阻多由多晶半导体氧化物按一定比例挤压成形。若混合物的成分和配比改变，就可以获得测温范围、阻值及温度系数不同的负温度系数热敏电阻。形状：圆片形、柱形、球形、铠装形、薄膜形和厚膜形等。,2热敏电阻的外形,2023/8/23,92,热敏电阻的外形、结构及符号,a）圆片型热敏电阻 b）柱型热敏电阻 c）球热敏电阻 d）铠装型 e）厚膜型 f）图形符号1热敏电阻 2玻璃外壳 3引出线 4紫铜外壳 5传热安装孔,2023/8/23,93,MF12型 NTC热敏电阻,聚脂塑料封装热敏电阻,2023/8/23,94,其他形式的热敏电阻,玻璃封装 NTC热敏电阻,MF58 型热敏电阻,2023/8/23,95,带安装孔的热敏电阻,大功率PTC热敏电阻,2023/8/23,96,贴片式NTC热敏电阻,2023/8/23,97,MF58型（珠形）高精度负温度系数热敏电阻,MF5A-3型热敏电阻,2023/8/23,98,其他热敏电阻,2023/8/23,99,其他热敏电阻（续）,2023/8/23,100,其他热敏电阻（续）,2023/8/23,101,热敏电阻温度面板表,热敏电阻,LCD,2023/8/23,102,3热敏电阻的应用,1）热敏电阻测温（热敏电阻体温表）用热敏电阻测温时必须先调零，再调满度，最后再验证分度盘中其他各点的温差是否在允许范围内，这一过程称为标定。,2023/8/23,103,热敏电阻体温表的调试、标定方法,调试时，应该先调哪一只电位器，再调哪一只电位器？如何检验表面刻度中其他各点是否准确？,2023/8/23,104,热敏电阻体温表,2023/8/23,105,休 息 一 下,2023/8/23,106,2.4 其他电阻式传感器,本节介绍湿敏电阻和气敏电阻式传感器。,2023/8/23,107,一、湿敏电阻式传感器,湿敏电阻式传感器的敏感元件是湿敏电阻。湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化的原理而制成的。可以利用多孔陶瓷、三氧化二铝等吸湿材料制作湿敏电阻。,2023/8/23,108,陶瓷湿度传感器特性曲线,在右图所示的陶瓷湿度传感器特性曲线中，纵坐标的标度有何特点？,湿敏元件的电阻值随相对湿度的增加而减小；且当相对湿度从0%到100%变化时，传感器的 电阻值很快减小。,2023/8/23,109,湿敏电阻的结构,湿敏电阻主要由感湿层（湿敏层3）、电极(4)、引线（1）和具有一定机械强度的绝缘基片(2)组成。,2023/8/23,110,电子式温湿度计,2023/8/23,111,机械式、电子式温湿度计对比,2023/8/23,112,露点,降低温度会产生结露现象。结露严重影响电子仪器的正常工作，必须予以注意。,测量露点的仪器,2023/8/23,113,露点传感器外形,2023/8/23,114,气敏电阻传感器，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。定义：利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化，借此来检测气体的成分或者测量其浓度的传感器。,二、气敏电阻式传感器,2023/8/23,115,应用场合：一般用于易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警。基本要求：1）对被测气体有较高的灵敏度；2）气体选择性好；3）能够长期稳定工作；4）响应速度快。,2023/8/23,116,酒精测试仪,呼气管,2023/8/23,117,酒精传感器的选择性,2023/8/23,118,气敏半导体的灵敏度特性曲线,观察右图这些曲线，有何特点？可以得出哪些启示？,电阻,2023/8/23,119,由图知：斜率逐渐减小 即被测气体浓度低时，有较大的电阻变化；浓度较大时，则变化趋缓。有较大的非线性 这种特性较适合于气体的微量检漏，浓度检测或超限报警。,2023/8/23,120,气敏电阻的材料 气敏电阻的材料是金属氧化物，在合成材料时，通过化学计量比的偏离和杂质缺陷制成。金属氧化物半导体 N型半导体 P型半导体 为了提高某种气敏元件对某些气体成分的选择性和灵敏度，合成材料时，还掺入催化剂。,2023/8/23,121,2气敏电阻的外形,酒精传感器,其他可燃性气体传感器,2023/8/23,122,气敏电阻的工作原理 金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体后却显示气敏特性。其电阻率随气体的吸附而发生变化。物理吸附：在常温下，主要是气体与气敏材料表面上分子的吸附。这种结合力是荡得瓦尔斯力。化学吸附：温度升高，化学吸附增加，并在某一温度达到最大值。气体与气敏材料表面建立离子吸附。但若温度再升高，由于解吸作用，两种吸附同时减小。,2023/8/23,123,例如：用氧化锡（SnO2）制成的气敏元件，在常温下吸附某种气体后，其电导率变化不大，表明此时是物理吸附；若保持该种气体浓度不变，该元件的电导率随元件本身温度的升高而升高，尤其在100300范围内电导率变化很大，表明此温度范围内化学吸附作用大。请问：为了得到较高的灵敏度，我们需要采取什么措施？让气敏元件工作在较高的温度范围内。,2023/8/23,124,气敏电阻的加热器 气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多，因此，气敏元件在结构上要有加热器。通常用电阻丝加热。如右图所示:,图中1、2为加热电极；3、4是气敏电阻一对电极。,2023/8/23,125,气敏电阻的基本测量电路,EC,EH为加热电源，EC为测量电源。电路中气敏电阻值的变化引起电路中电流的变化，输出电压也随之变化。,2023/8/23,126,气敏电阻式传感器的应用气敏电阻品种繁多，主要有可测量还原性气体、测量氧气浓度及气体报警等。,2023/8/23,127,1）还原性气体传感器 还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。,2023/8/23,128,MQN型气敏电阻 MQN型气敏半导体器件是由塑料底座、电极引线、不锈钢网罩、气敏烧结体以及包裹在烧结体中的两组铂丝组成。一组铂丝为工作电极，另一组（下图中的左边铂丝）为加热电极兼工作电极。气敏电阻工作时必须加热到200300，其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁作用）。,2023/8/23,129,2023/8/23,130,2）二氧化钛氧浓度传感器,半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。,2023/8/23,131,1外壳（接地）2安装螺栓 3搭铁线4保护管 5补偿电阻 6陶瓷片 7TiO2氧敏电阻 8进气口9引脚,下图是用于汽车或燃烧炉排放气体中的氧浓度传感器结构图。二氧化钛气敏电阻与补偿热敏电阻同处于陶瓷绝缘体的末端。当氧气含量减小时，RTiO2的阻值减小，Uo增大。,2023/8/23,132,TiO2氧浓度传感器测量转换电路,在左图中，与TiO2气敏电阻串联的热敏电阻Rt 起温度补偿作用。当环境温度升高时，TiO2气敏电阻的阻值会逐渐减小，只要Rt也以同样的比例减小，根据分压比定律，Uo不受温度影响，减小了测量误差。,2023/8/23,133,氧浓度传感器外形,可用于汽车尾气测量,2023/8/23,134,汽车尾气分析,2023/8/23,135,3）气体报警器,该类仪器是对泄露气体达到危险限值时自动报警的仪器。,2023/8/23,136,家庭用煤气报警器,2023/8/23,137,家庭用液化气报警器,2023/8/23,138,一氧化碳传感器,2023/8/23,139,其他气体传感器,NH3传感器,甲烷传感器,2023/8/23,140,有毒气体传感器的使用,2023/8/23,141,休 息 一 下,
