传感器与检测技术-第七章-成分与含量检测课件

第第7章章 成分与含量检测成分与含量检测 n气敏传感器气敏传感器n湿敏传感器湿敏传感器n液体浓度检测液体浓度检测n生物传感器生物传感器本章主要介绍半导体气敏元件及工业上常用的本章主要介绍半导体气敏元件及工业上常用的气体成分、湿度、含水量、液体浓度的检测原气体成分、湿度、含水量、液体浓度的检测原理及方法。理及方法。7.1 气敏传感器气敏传感器n本节简要介绍应用较广的半导体气敏传感器的结构、本节简要介绍应用较广的半导体气敏传感器的结构、原理及应用。原理及应用。n7.1.1 半导体气敏传感器半导体气敏传感器利用某些半导体材料的某种性质（如电阻率）随所接利用某些半导体材料的某种性质（如电阻率）随所接触的某些种类易燃、易爆、有毒、有害气体浓度而变触的某些种类易燃、易爆、有毒、有害气体浓度而变化特性而制作的传感器。化特性而制作的传感器。SnO2（氧化锡）系列气敏元件有（氧化锡）系列气敏元件有烧结型烧结型、薄膜型薄膜型和和厚膜型厚膜型三种。烧结型应用最广泛性。主要用于检测三种。烧结型应用最广泛性。主要用于检测可可燃性燃性气体。工作温度约气体。工作温度约300。根据加热。根据加热方式，分为方式，分为直接加热式直接加热式（直热式直热式）和）和旁热式旁热式两类。两类。n一、一、直热直热式式SnO2气敏元件气敏元件 在以在以SnO2为主要成分的烧结体中，埋设两根作为电为主要成分的烧结体中，埋设两根作为电极并兼作加热器的螺旋形铂极并兼作加热器的螺旋形铂-铱合金丝（铱合金丝（25）。结）。结构简单，成本低。热容量小，稳定性差（易受环境气构简单，成本低。热容量小，稳定性差（易受环境气流影响）；测量电路与加热电路之间易相互影响；加流影响）；测量电路与加热电路之间易相互影响；加热器与热器与SnO2基体因热膨胀系数差异可能引起基体因热膨胀系数差异可能引起接触不接触不良或元件失效。良或元件失效。这类元件已很少使用。这类元件已很少使用。n二、二、旁热式旁热式SnO2气敏元件气敏元件 在陶瓷管内放置高电阻加热金属丝（在陶瓷管内放置高电阻加热金属丝（3040），在），在陶瓷管两端设置一对金电极及铂陶瓷管两端设置一对金电极及铂-铱合金丝引出线，铱合金丝引出线，再在陶瓷管外壁涂覆以再在陶瓷管外壁涂覆以SnO2为主要成分的材料，烧为主要成分的材料，烧结而成。克服直热式的缺点，可靠性和寿命更优。结而成。克服直热式的缺点，可靠性和寿命更优。电极电极加热器加热器陶瓷管陶瓷管SnO2烧结体烧结体123456（a）结构结构（b）符号符号7.1 气敏传感器气敏传感器n三、工作原理三、工作原理烧结型烧结型SnO2气敏元件是表面电阻控制型气敏元件，气敏元件是表面电阻控制型气敏元件，结构模型如图所示。结构模型如图所示。7.1 气敏传感器气敏传感器n四、气敏传感器的应用四、气敏传感器的应用n1.气体报警器气体报警器 直热式直热式TGS109型型气敏电阻构成的简单家用气敏电阻构成的简单家用可燃气体可燃气体（天然气、液化气、煤气等）漏气报警器：（天然气、液化气、煤气等）漏气报警器：氖管氖管蜂鸣器蜂鸣器加热保持阻值加热保持阻值稳定，又防止稳定，又防止油污、灰尘等油污、灰尘等污染。污染。后同！后同！220V变压器变压器7.1 气敏传感器气敏传感器n2.自动自动抽油烟机（换气扇）控制电路抽油烟机（换气扇）控制电路R1和和RP1分别分别用于修正用于修正TGS109的固有的固有电阻和灵敏度电阻和灵敏度的离散度。的离散度。RP2用于调节灵用于调节灵敏度。敏度。有的还设有温度传感器（如热敏电阻），实现室温自动控制。有的还设有温度传感器（如热敏电阻），实现室温自动控制。7.1 气敏传感器气敏传感器n3.气体报警器气体报警器 旁热式旁热式QM-N5型型气敏电阻构成的简单家用气敏电阻构成的简单家用可燃气体可燃气体（天然气、液化气、煤气等）漏气报警器：（天然气、液化气、煤气等）漏气报警器：天然气、液化气、煤气、天然气、液化气、煤气、氢气、氢气、CO、烷类气体、烷类气体、汽油、煤油、乙炔、氨类汽油、煤油、乙炔、氨类蒸汽、烟雾等。蒸汽、烟雾等。7.1 气敏传感器气敏传感器n4.气体检漏仪气体检漏仪 旁热式旁热式QM-N5型气敏电阻构成袖珍型气敏电阻构成袖珍可燃气体可燃气体检漏仪：检漏仪：原理？原理？RP?VL1?VL2?天然气、液化气、煤气、天然气、液化气、煤气、氢气、氢气、CO、烷类气体、烷类气体、汽油、煤油、乙炔、氨类汽油、煤油、乙炔、氨类蒸汽、烟雾等。蒸汽、烟雾等。7.1 气敏传感器气敏传感器n5.酒精酒精、烟雾报警器、烟雾报警器浓度高浓度高VT导通导通2脚低电平脚低电平暂态暂态3脚高电平脚高电平J吸合吸合报警。同时，报警。同时，R3C2充电充电6脚电平升高脚电平升高(2/3)VCC稳态稳态3脚低电平脚低电平J释放释放停止报警。若浓度停止报警。若浓度还高，还高，2脚仍为低电平，则重复该过程，直到浓度低于设定值（脚仍为低电平，则重复该过程，直到浓度低于设定值（RP2）。）。单稳态触发器单稳态触发器酒精测试仪酒精测试仪 6.检漏检漏报警器报警器预热预热开关开关工作工作开关开关检出可燃气体时，气敏电阻减小，电压升高，检出可燃气体时，气敏电阻减小，电压升高，V1触发触发V2，报警灯亮，音频，报警灯亮，音频振荡电路工作，声音报警。振荡电路工作，声音报警。气敏电阻阻值接通气敏电阻阻值接通电源一定时间才稳电源一定时间才稳定。为防止刚接通定。为防止刚接通电源误报警，可设电源误报警，可设防误动作电路。防误动作电路。7.矿灯矿灯瓦斯报警器瓦斯报警器检出瓦斯气体时，气敏电阻减小，检出瓦斯气体时，气敏电阻减小，V1、V2导通，导通，V3、V4构成的振荡电路工作，报警灯闪烁。构成的振荡电路工作，报警灯闪烁。JJ8.CO报警器报警器检出检出CO气体时，气敏电阻气体时，气敏电阻RQ减小，减小，V5、V6、V7导通，导通，音频振荡电路工作，声音报警。音频振荡电路工作，声音报警。+10V以上以上 备用电源备用电源 CO传感器传感器其他气体传感器其他气体传感器NH3（氨气）（氨气）传感器传感器CH4（甲烷）传感器甲烷）传感器O2传感器传感器 可用于汽车尾气测量可用于汽车尾气测量汽车尾气分析汽车尾气分析7.1 气敏传感器气敏传感器n7.1.2 薄膜气敏传感器薄膜气敏传感器 1、SnO2（氧化锡）（氧化锡）敏感膜敏感膜 2、气敏性能与工作温度的关系、气敏性能与工作温度的关系 3、气敏性能与掺杂的关系、气敏性能与掺杂的关系 4、气敏性能与薄膜厚度的关系、气敏性能与薄膜厚度的关系P/WR/曲线曲线1、2、3、4的氢气浓度渐大的氢气浓度渐大7.1 气敏传感器气敏传感器n7.1.3 红外吸收式气敏传感器红外吸收式气敏传感器 1、红外线及其特征、红外线及其特征 红外线是一种电磁波，它的波长介于可见光红外线是一种电磁波，它的波长介于可见光和无线电波之间。红外线的波长范围较宽，分和无线电波之间。红外线的波长范围较宽，分为近红外、中红外、远红外和极远红外。红外为近红外、中红外、远红外和极远红外。红外气体分析仪主要是利用波长在气体分析仪主要是利用波长在125 m之间的之间的一段。一段。红外线具有以下两个特征：红外线具有以下两个特征：可被物质选择可被物质选择性吸收性吸收；吸收时能量守恒。吸收时能量守恒。7.1 气敏传感器气敏传感器2、光的吸收定律、光的吸收定律7.1 气敏传感器气敏传感器 3、红外线吸收式气敏传感器、红外线吸收式气敏传感器7.1 气敏传感器气敏传感器4、热导式气体分析传感器、热导式气体分析传感器7.1 气敏传感器气敏传感器 5、热磁式气体分析传感器、热磁式气体分析传感器 热磁式气体分析传感器是利用气体热磁效应检测热磁式气体分析传感器是利用气体热磁效应检测待测气体组分含量的。待测气体组分含量的。（1）热磁式氧气分析传感器热磁式氧气分析传感器 热磁式氧气分析仪利用氧的磁化率比其它组分的热磁式氧气分析仪利用氧的磁化率比其它组分的大得多、温度升高磁化率迅速下降的磁特性工作的。大得多、温度升高磁化率迅速下降的磁特性工作的。7.1 气敏传感器气敏传感器热磁式氧气分析传感器原理图热磁式氧气分析传感器原理图 7.1 气敏传感器气敏传感器 （2）氧化锆式氧量分析传感器氧化锆式氧量分析传感器 氧化锆式氧量分析传感器是由氧化锆固体氧化锆式氧量分析传感器是由氧化锆固体电解质管、铂电极和引线构成，如图示。电解质管、铂电极和引线构成，如图示。7.2 湿敏传感器湿敏传感器 气体中的水分含量称为气体中的水分含量称为湿度湿度，固体中的水分含，固体中的水分含量称为量称为含水量含水量。n7.2.1 湿敏传感器的分类与特性分析湿敏传感器的分类与特性分析1、湿度的定义、湿度的定义 7.2 湿敏传感器湿敏传感器 2、湿度传感器的特性参数、湿度传感器的特性参数（1）湿度量程）湿度量程 （2）感湿特征量）感湿特征量 （3）灵敏度）灵敏度 （4）温度系数）温度系数 （5）响应时间）响应时间 （6）频率特性）频率特性 7.2 湿敏传感器湿敏传感器n7.2.2 干湿球湿度计干湿球湿度计7.2 湿敏传感器湿敏传感器n7.2.3 氯化锂湿敏电阻传感器氯化锂湿敏电阻传感器7.2 湿敏传感器湿敏传感器n7.2.4 半导体陶瓷湿敏电阻传感器半导体陶瓷湿敏电阻传感器 1、负特性湿敏半导瓷的导电机理、负特性湿敏半导瓷的导电机理 2、正特性湿敏半导瓷的导电机理、正特性湿敏半导瓷的导电机理n7.2.5 湿敏传感器的应用湿敏传感器的应用 1.烹调设备中湿度控制（烹调设备中湿度控制（1p.225-226）RH电热器电热器（加热湿敏电阻）（加热湿敏电阻）振荡器振荡器R0Ur交交-直流直流变换器变换器运算电路运算电路显示器显示器烹调设备烹调设备加热加热电源电源7.2 湿敏传感器湿敏传感器高频电加热器高频电加热器 7.2 湿敏传感器湿敏传感器 热敏电阻热敏电阻（温度）（温度）湿敏电阻湿敏电阻 （温度温度、湿度）湿度）调零调零交流电源交流电源2.相对湿度测量相对湿度测量湿敏电阻有一定的湿敏电阻有一定的温度温度系数系数。测量精度要求高。测量精度要求高时，常用热敏电阻时，常用热敏电阻补偿补偿。需要时，可同时测量需要时，可同时测量湿湿度度和和温度温度。数字式数字式温湿度计温湿度计露点露点 降低温度会产降低温度会产生生结露结露现象。现象。结露与农作物结露与农作物的生长有很大的生长有很大关系。结露也关系。结露也严重影响电子严重影响电子仪器的正常工仪器的正常工作（如摄像机作（如摄像机镜头）。镜头）。露点测量仪器露点测量仪器露点传感器露点传感器露点露点传感器传感器是湿度传感器中是湿度传感器中的一类，主要的一类，主要特点特点是仅对大是仅对大于于75%RH敏感。敏感。3.汽车前后挡风汽车前后挡风玻璃结露控制玻璃结露控制7.2 湿敏传感器湿敏传感器RL为加热丝，埋入为加热丝，埋入挡风玻璃挡风玻璃。RH为为结露传感器结露传感器（仅对（仅对大于大于75%RH敏感），安装于挡风玻璃敏感），安装于挡风玻璃偏下方。施密特偏下方。施密特触发电路。去湿过程指示灯。触发电路。去湿过程指示灯。4.房间房间湿度控制湿度控制7.2 湿敏传感器湿敏传感器两个继电两个继电器分别控器分别控制制加湿加湿和和去湿去湿。7.3 液体浓度检测液体浓度检测 工业电导仪工业电导仪是通过测量溶液的电导，间接地得是通过测量溶液的电导，间接地得到溶液浓度的。到溶液浓度的。n7.3.1 溶液的电导率与浓度的关系溶液的电导率与浓度的关系电解质溶液是电的良导体，其电导率不仅与溶液性质电解质溶液是电的良导体，其电导率不仅与溶液性质有关，还与浓度有关，只要测出溶液的电导，就可知有关，还与浓度有关，只要测出溶液的电导，就可知道浓度。道浓度。n7.3.2 电导检测器及器及测量量电路路电导检测器是测量溶液电导的装置。电导检测器是测量溶液电导的装置。7.3 液体浓度检测液体浓度检测 平衡电桥测量法原理图。平衡电桥测量法原理图。电桥平衡时，电桥平衡时，7.4 生物传感器生物传感器n7.4.1 生物传感器的工作原理与分类生物传感器的工作原理与分类 1、定义、定义 生物传感器是固定化的生物材料及与其密切配合生物传感器是固定化的生物材料及与其密切配合的换能器组成的分析工具或系统，换能器把生化信号的换能器组成的分析工具或系统，换能器把生化信号转换成可定量的电信号。转换成可定量的电信号。2、组成、组成 受体受体（选择器）（选择器）转换器转换器（检测器）（检测器）分子识别系统分子识别系统电信号电信号被测物被测物7.4 生物传感器生物传感器 3、工作原理、工作原理 （1）将化学变化转变成电信号）将化学变化转变成电信号 （2）将热变化转换为电信号）将热变化转换为电信号 （3）将光效应转变为电信号）将光效应转变为电信号 （4）直接产生电信号）直接产生电信号 4、分类、分类7.4 生物传感器生物传感器n7.4.2 酶传感器酶传感器1、结构、结构7.4 生物传感器生物传感器2、应用、应用 （1）葡萄糖传感器）葡萄糖传感器 （2）乙醇传感器）乙醇传感器7.4 生物传感器生物传感器n7.4.3 微生物传感器微生物传感器 1、结构、结构 2、应用、应用（1）葡萄糖微生物电极）葡萄糖微生物电极（2）甲烷测定）甲烷测定