气体浓度、湿度的检测.ppt
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1、第十章 气体浓度、湿度的检测,广州铁路职业技术学院机电系 制作,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,第十章 气体浓度、湿度的检测,本章内容包括三个项目和两个拓展实训,通过项目和拓展实训掌握气体浓度和湿度的自动检测技术相关知识。以可燃性气体检测制作项目为引导,学习有关设计气体浓度检测电路并正确连接调试。拓展实训是对本章基本知识的补充应用,以制作湿度检测器或设计并制作汽车后窗玻璃自动去湿装置为拓展实训,补充有关设计湿度检测电路并正确连接调试。,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目十 气体浓度检测,1.项目说明,2.基本知识,3.项目计划,4.项目方案,5.项目实施过程,6.项目检查与评估,广州铁路
2、职业技术学院 刘丽华制作,1.项目目的(1)掌握气敏、湿敏传感器的种类及选择。(2)掌握气敏传感器的工作原理和应用条件。(3)了解气敏传感器、湿敏传感器的一些典型应用;(4)构建可燃性气体检测电路并安装调试成功。,一.项目介绍,项目十 气体浓度检测,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,一.项目介绍,2.项目条件 各类气敏传感器、万用表、计算机、焊接器材。3.项目内容及要求 本项目是制作可燃性气体检测电路。要求用计算机绘制电路图,焊接制作测量电路板,调试后,安装可以检测可燃性气体浓度。本项目通过设计和连接组成气体浓度检测系统,学会查阅学习资料,合理选择气体传感器,并了解各气敏传感器的工作原理、测量
3、电路、典型应用。,项目十 气体浓度检测,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,1 气敏传感器 人们日常生活和生产活动与周围的环境气氛紧密相关。环境的变化对人类有着极大的影响。例如,气氛中缺氧或出现有毒气体会使人感到窒息甚至昏迷致死。可燃性气体的泄漏更是会引起火灾和爆炸,使人们的生命和财产遭受巨大的损失。在生产中使用的气体原料和生产过程中产生的气体种类和数量也在不断增加,特别是石油、化工、煤矿及汽车等工业的飞速发展以及火灾事故的不断发生,大气日益污染,而人们是越来越重视自己的生活环境和质量,因而我们越来越多的应用到气敏传感器。日常生活中如家庭抽油烟机上的煤气或液化气泄漏报警和自动排气装置、汽车尾气检
4、测用仪器、交警用的酒精检测仪、宾馆等公共场合安装的烟气报警装置等都是使用的气敏传感器。,项目十 气体浓度检测,二、基本知识,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,气敏传感器是能感知环境中某种气体及其浓度的传感器,它利用化学、物理效应将气体的种类及其浓度有关的信息转换为电信号,经电路处理后进行检测、监控和报警,还可通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。,项目十 气体浓度检测,二、基本知识,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目十 气体浓度检测,二、基本知识,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目十 气体浓度检测,二、基本知识,1气敏传感器的分类及外形 气敏传感器的种类很多,分类标准不一,
5、根据传感器的气敏材料以及气敏材料与气体相互作用的机理和效应不同主要分为:半导体式、接触燃烧式、固体电解质式、电化学式、红外吸收式、热导率变化式等。固体电解质气敏传感器是利用被测气体在敏感电极上发生化学反应,所生成的离子通过固体电解质传递到电极,使电极间产生的电位随气体分压而变化的原理来对气体进行检测。电化学式气敏传感器是利用电极和电解质组成的电池中,气体与电极进行氧化还原反应,从而使两极间输出的电流或电压随气体浓度而变化的原理制作的。燃烧式气敏传感器则是基于强催化剂使气体在其表面燃烧时产生热量,从而使贵金属电极电导随气体浓度发生变化来对气体进行检测的。半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定
6、性好、使用简单的特点,应用极其广泛;下面重点介绍半导体气敏传感器及其气敏元件。电阻型半导体气敏传感器是目前广泛应用的气敏传感器之一。,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目十 气体浓度检测,二、基本知识,可燃气体传感器外形,酒精传感器外形,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目十 气体浓度检测,二、基本知识,2电阻型半导体气敏传感器的工作原理 气敏电阻的材料是金属氧化物,在合成材料时,通过化学计量比和杂质缺陷制成,金属氧化物半导体分N型半导体,如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等,P型半导体,如氧化钴、氧化铅、氧化铜、氧化镍等。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,合成材料有时还渗
7、入了催化剂,如钯(Pd)、铂(Pt)、银(Ag)等。,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目十 气体浓度检测,二、基本知识,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。通常器件工作在空气中,空气中的氧和NO2这样的电子兼容性大的气体,接受来自半导体材料的电子而吸附负电荷,结果使N型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电子减少,使表面电导减小,从而使器件处于高阻状态。一旦元件与被测还原性气体接触,就会与吸附的氧起反应,将被氧束缚的电子释放出来,敏感膜表面电导增加,使元件电阻减小。该类气敏元件通常工作在高温状态(200450),目的是为了加速上述的氧化还原反应。,广州铁路职业技术学院
8、刘丽华制作,项目十 气体浓度检测,二、基本知识,例如:用氧化锡制成的气敏元件,在常温下吸附某种气体后,其电导率变化不大,若保持这种气体浓度不变,该器件的电导率随器件本身温度的升高而增加,尤其在l00300范围内电导率变化很大。显然,半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度增加的结果。,气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多。因此,气敏元件结构上,有电阻丝加热器,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目十 气体浓度检测,二、基本知识,在气敏元件的基本测量电路中,EH为加热电源,Ec为测量电源,电阻中气敏电阻值的变化引起电路中电流的变化,输出电压(信号电压)由电阻RO上取出。特别在低浓度下灵敏度
9、高,而高浓度下趋于稳定值。因此,常用来检查可燃性气体泄漏并报警等。,气敏元件的基本测量电路,氧化锡,氧化锌材料气敏元件输出电压与温度的关系,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目十 气体浓度检测,二、基本知识,3气敏电阻元件种类 气敏电阻元件种类很多,按制造工艺上分烧结型、薄膜型、厚膜型。(1)烧结型气敏元件 将元件的电极和加热器均埋在金属氧化物气敏材料中,经加热成型后低温烧结而成。目前最常用的是氧化锡(SnO2)烧结型气敏元件,用来测量还原性气体。它的加热温度较低,一般在200300,SnO2气敏半导体对许多可燃性气体,如氢、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。,广州铁路职业技术学
10、院 刘丽华制作,项目十 气体浓度检测,二、基本知识,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目十 气体浓度检测,二、基本知识,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目十 气体浓度检测,二、基本知识,(2)薄膜型气敏元件 采用真空镀膜或溅射方法,在石英或陶瓷基片上制成金属氧化物薄膜(厚度0.1m以下),构成薄膜型气敏元件。氧化锌(ZnO2)薄膜型气敏元件以石英玻璃或陶瓷作为绝缘基片,通过真空镀膜在基片上蒸镀锌金属,用铂或钯膜作引出电极,最后将基片上的锌氧化。氧化锌敏感材料是N型半导体,当添加铂作催化剂时,对丁烷、丙烷、乙烷等烷烃气体有较高的灵敏度,而对H2、CO等气体灵敏度很低。若用钯作催化剂时,对H
11、2、CO有较高的灵敏度,而对烷烃类气体灵敏度低。因此,这种元件有良好的选择性,工作温度在400500的较高温度。,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目十 气体浓度检测,二、基本知识,(3)厚膜型气敏元件 将气敏材料(如SnO2、ZnO)与一定比例的硅凝胶混制成能印刷的厚膜胶。把厚膜胶用丝网印刷到事先安装有铂电极的氧化铝(A12O3)基片上,在400800的温度下烧结12小时便制成厚膜型气敏元件。用厚膜工艺制成的器件一致性较好,机械强度高,适于批量生产。以上三种气敏器件都附有加热器,在实际应用时,加热器能使附着在测控部分上的油雾、尘埃等烧掉,同时加速气体氧化还原反应,从而提高器件的灵敏度和响应
12、速度。,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目十 气体浓度检测,二、基本知识,4.气敏传感器的应用 各类易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警都可以用相应的气体传感器及其相关电路来实现,如气体成分检测仪、气体报警器、空气净化器等等已用于工厂、矿山、家庭、娱乐场所等。QM系列气敏元件(哈尔滨半导体敏感技术研究所)是采用金属氧化物半导体做敏感材料的N型半导体气敏元件,该气敏元件接触可燃性气体时电导率增加,适宜于在气体报警器、监控仪器,自动排风装置上做气敏传感器,广泛地应用于防火、保安、环保和家庭等领域。,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目十 气体浓度检测,二、基本知识,(1)用QMN5气敏传感
13、器构成的换气扇自动控制电路 QM-N5气敏传感器主要用于可燃性气体检测、监控报警装置、厨房自动排油烟机等,可用于检测CH4、H2、C4H10等可燃性气体、有机液蒸汽和烟雾等,检测范围为(10010000)10-6,具有灵敏度高、响应恢复快的特点。,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目十 气体浓度检测,二、基本知识,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目十 气体浓度检测,二、基本知识,电路由气体检测、温度检测、或逻辑电路、触发电路和整流稳压电路组成。气敏元件、RPl、C1、R1、R2共同构成气体检测电路,输出电压为VB;Rt、C2、RP2共同构成温度检测电路,输出电压为VE。D1、D2和T1构
14、成逻辑或电路,当VB或VE高于1V时,T1导通,反之VB和VE均低于1 V时,T1截止。触发器IC2输出高电平时,SCR导通,换气扇通电工作。反之SCR截止,换气扇停止工作。SCR两端并接了RC吸收网络,确保其不受损害。开关K为电源开关。DW、D4、R6、C4、C5组成整流稳压电路,提供9V左右的直流电压。工作时,K1合上,当室内无有害气体,室温低于人体温度(36)时,气敏元件A、B两端的阻值较大,热敏电阻的阻值也较大,使得B,E两端的电压均低于1V,逻辑或电路输出为低电平,SCR截止,换气扇不工作。当室内有害气体或油烟浓度超过设定值,气敏元件A、B两端的阻值迅速减少,使B点电位升高,逻辑或电
15、路输出高电平,SCR导通,换气扇工作。当室温上升接近人体温度时,热敏电阻的阻值下降,E点电位升高,也可以使逻辑或电路输出高电平,SCR导通,换气扇工作。,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目十 气体浓度检测,二、基本知识,(2)家用有毒气体探测报警器 一氧化碳、液化气、甲烷、丙烷都是有毒可燃气体,当空气中达到一定浓度时,将危及人的健康与安全。本电路线路简单,但具有很高的灵敏度,对探测上述有毒气体是行之有效的。,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目十 气体浓度检测,二、基本知识,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目十 气体浓度检测,二、基本知识,用QM-N10气敏传感器作为探测头,它是一种
16、新型的低功耗、高灵敏度的气敏元件。和其他气敏传感器一样,QM-N10也有一个加热丝和一对探测电极,它是用半导体N型材料制成的。当空气不含有毒气体时,A、K两点间的电阻很大,流过RP的电流很小,K点为低电位,达林顿管U850不导通;当空气中含有还原性气体时(如上述有毒气体),A、K两点间的电阻迅速下降,通过RP的电流增大,K点电位升高,向C2充电直至达到U850导通电位(约1.4V)时,U850导通,驱动发声集成片KD9561发声。当空气中有毒气体浓度下降至使A、K两点间恢复高阻时,K点电位低于1.4V,U850截止,报警解除。,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目十 气体浓度检测,二、基本知
17、识,5常用气体含量测量仪器及报警装置,酒精测试仪,家庭用煤气报警器,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目十 气体浓度检测,二、基本知识,5常用气体含量测量仪器及报警装置,汽车尾气分析仪,有毒气体检测仪,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目十 气体浓度检测,二、基本知识,5常用气体含量测量仪器及报警装置,矿用煤气报警器,烟雾报警器,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目十 气体浓度检测,二、基本知识,2 湿敏传感器 日常生活中特别是春天经常会遇到物质霉变或变质的现象,这是由于湿度过高造成的,而食用菌培养、农产品育苗、水果保鲜等又都需要在一定的湿度下进行,因此湿度的检测和控制在工业、农业、气象
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- 气体 浓度 湿度 检测

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