1、 传感器及自动检测技术第1章 测量的基本知识 1.1测量方法及检测系统的组成 1.2传感器的测量误差 1.3传感器的基本特性下一页返回第2章 电阻式传感器 2.1电阻应变片式传感器 2.2气敏电阻传感器 2.3湿敏电阻传感器 2.4热电阻上一页 下一页返回第3章 电感式传感器 3.1自感式传感器 3.2互感式传感器 3.3电感式传感器的应用上一页 下一页返回第4章 电容式传感器 4.1电容式传感器的工作原理及结构形式 4.2电容式传感器测量电路 4.3电容式传感器的应用上一页 下一页返回第5章 电涡流传感器 5.1电涡流传感器的工作原理 5.2电涡流传感器的结构及特性 5.3电涡流传感器的测量
2、转换电路 5.4电涡流传感器的应用上一页 下一页返回第6章 压电传感器 6.1压电传感器的工作原理 6.2压电传感器的等效电路和测量电路 6.3压电传感器的组成及结构 6.4压电传感器的应用上一页 下一页返回第7章超声波传感器 7.1超声波传感器的工作原理 7.2超声波换能器及耦合技术 7.3超声波传感器的应用上一页 下一页返回第8章 磁电传感器 8.1磁电传感器 8.2霍尔传感器 8.3磁敏电阻器上一页 下一页返回第9章 热电偶传感器 9.1温度测量的基本概念 9.2热电偶传感器的工作原理 9.3热电偶的基本定律 9.4热电偶的种类及结构形式 9.5热电偶的冷端温度补偿 9.6热电偶传感器在
3、连铸漏钢电的应用 9.7集成温度传感器 9.8 DS18B20温度传感器应用实例上一页 下一页返回第10章 光电传感器 10.1光电传感器的工作原理 10.2光电元件 10.3光电传感器的组成、结构及类型 10.4热释电红外传感器 10.5光电传感器的应用上一页返回第1章 测量的基本知识 1.1测量方法及检测系统的组成 1.2传感器的测量误差 1.3传感器的基本特性返回1.1 测量方法及检测系统的组成 一、测量的基本概念 在科学实验和工业生产中，为了及时了解实验进展情况、生产过程情况以及它们的结果，人们需要经常对一些物理量，如电流、电压、温度、压力、流量、液位等参数进行测量，这时人们就要选择合
4、适的测量装置，采用一定的检测方法进行测量。测量是指人们借助于专门的设备，通过一定的方法，对被测对象收集信息、取得数据概念的过程。测量的结果可以表现为数值，也可以表现为一条曲线或某种图形等。但不管以什么形式表现，测量结果总包含为数值(大小和符号)和单位两部分。例如，测得某一电流为20 A，表明该被测量的数值为20，单位为A(安培)。下一页返回1.1 测量方法及检测系统的组成 二、测量方法 测量方法是指实现测量过程所采用的具体方法。在测量过程中，由于测量对象、测量环境、测量参数的不同，因而采用各种各样的测量仪表和测量方法。针对不同的测量任务进行具体分析，以找出切实可行的测量方法，这对测量工作是十分
5、重要的。1.直接测量、间接测量与组合测量 1)直接测量 用事先分度或标定好的测量仪表，直接读取被测量值的方法称为直接测量。2)间接测量 首先对与被测量有确定函数关系的几个量进行测量，然后再将测量值代入函数关系经过计算得到所需结果，这种测量方法称为间接测量。上一页 下一页返回1.1 测量方法及检测系统的组成 间接测量手续多，花费时间较一般用在直接测量不方便或没有相应直接测量仪表的场合。3)组合测量 若被测量必须经过求解联立方程组才能得到最后结果，则这种测量方法称为组合测量。组合测量是一种特殊的精密测量方法，操作手续复杂，花费时间长，多用于科学实验等特殊场合。2.等精度测量与不等精度测量 用相同仪
6、表与测量方法对同一被测量进行多次重复测量，称为等精度测量。用不同精度的仪表或不同的测量方法，或在环境条件相差很大时对同一被测量进行多次重复测量称为非等精度测量。上一页 下一页返回1.1 测量方法及检测系统的组成 3.偏差式测量、零位式测量和微差式测量 1)偏差式测量 在测量过程中，用仪表指针的位移(即偏差)决定被测量值，这种测量方法称为偏差式测量。仪表上有经过标准量具校准过的标尺或刻度盘。在测量时，利用仪表指针在标尺上的示值，读取被测量的数值。偏差式测量简单、迅速，但精度不高，这种测量方法广泛应用于工程测量中。2)零位式测量 用已知的标准量去平衡或抵消被测量的作用，并用指零式仪表来检测测量系统
7、的平衡状态，从而判定被测量值等于已知标准量的方法称为零位式测量。用天平测量物体的质量、用电位差计测量未知电压都属于零位式测量。上一页 下一页返回1.1 测量方法及检测系统的组成 在零位式测量中，标准量是一个可连续调节的量，被测量能够直接与标准量相比较，测量误差主要取决于标准量具的误差，因此可获得较高的测量精度。另外，指零结构越灵敏，平衡的判断越准确，越有利于提高测量精度。但这种方法需要平衡操作，测量过程复杂，花费时间长，因此不适用于测量迅速变化的信号。3)微差式测量 微差式测量综合了偏差式测量和零位式测量的优点。它将被测量先与已知的标准量相比较，取得差值后，再用偏差法测得此差值。三、检测系统的
8、组成 在自动检测系统中，各个组成部分是以信息流的过程来划分的。检测时，首先获取被测量的信息，并通过信息的转换把获得的信息变换为电量，然后进行一系列的处理，再用指示仪或显示仪将信息输出，或由计算机对数据进行处理，最后把信息输送给执行机构。上一页 下一页返回1.1 测量方法及检测系统的组成 所以一个检测系统主要分为信息的获得、信息的转换、信息的处理和信息的输出等几个部分。要完成这些功能主要依靠传感器、信号处理电路、显示装置、数据处理装置和执行机构等。其具体组成框图如图1一1所示。1.传感器 传感器是把被测量(如物理量、化学量、生物量等)变换为另一种与之有确定对应关系，并且容易测量的量(通常为电学量
9、)的装置。它是一种获得信息的重要手段，它所获得信息的正确与否，关系到整个检测系统的精度，因而在非电量检测系统中占有重要的地位。2.信号处理电路 通常传感器输出信号是微弱的，需要由信号处理电路加以放大、调制、解调、滤波、运算以及数字化处理等。上一页 下一页返回1.1 测量方法及检测系统的组成 信号处理电路的主要作用就是把传感器输出的电学量变成具有一定功率的模拟电压(或电流)信号或数字信号，以推动后级的输出显示或记录设备、数据处理装置及执行机构。3.显示装置 测量的目的是使人们了解被测量的数值，所以必须有显示装置。显示装置的主要作用就是使人们了解检测数值的大小或变化的过程。目前常用的显示方式有模拟
10、显示、数字显示、图像显示3种方式。(1)模拟显示是利用指针对标尺的相对位置来表示被测量数值的大小，如毫伏表、毫安表等，其特点是读数方便、直观，结构简单，价格低廉，在检测系统中一直被大量使用。但这种显示方式的精度受标尺最小分度限制，而且读数时易引入主观误差。上一页 下一页返回1.1 测量方法及检测系统的组成(2)数字显示是指用数字形式来显示测量值，目前大多采用LE D发光数码管或液晶显示屏等，如数字电压表。这类检测仪器还可附加打印机，打印记录测量数值，并易于计算机联机，使数据处理更加方便。(3图像显示是指用屏幕显示(CRT读数或被测参数变化的曲线，主要用于计算机自动检测系统中。如果被测量处于动态
11、变化中，用一般的显示仪表读数就十分困难，这时可将输出信号送给计算机进行图像显示或送至记录仪，从而描绘出被测量随时间变化的曲线，并以之作为检测结果，供分析使用。常用的自动记录仪器有笔式记录仪、光线示波器、磁带记录仪和计算机等。上一页 下一页返回1.1 测量方法及检测系统的组成 4.数据处理装置和执行机构 数据处理装置就是利用微机技术，对被测结果进行处理、运算、分析，对动态测试结果进行频谱、幅值和能量谱分析等。在自动测控系统中，经信号处理电路输出的与被测量对应的电压或电流信号还可以驱动某些执行机构动作，为自动控制系统提供控制信号。随着计算机技术的飞跃发展，微机在自动检测系统中已得到了非常广泛的应用
12、。上一页返回1.2传感器的测量误差 一、传感器测量误差的定义 用传感器测量的目的是得到被测事物的真实量真值，但是，在实际测量中无论用何等精密仪器进行测量，得到的测量值与被测物理量的真值总存在着一定的差值，这个差值被称为测量误差。二、传感器测量误差的类型 1.按误差的性质分类 1)系统误差 在相同测量条件下多次测量同一物理量，其误差大小和符号保持恒定或按某一确定规律变化，此类误差称为系统误差。其误差的数值和符号不变的称为恒值系统误差;按照一定规律变化的，称为变值系统误差。变值系统误差又可分为累进性的、周期性的和按复杂规律变化的等多种类型。下一页返回1.2传感器的测量误差 系统误差是有规律的，因此
13、可通过实验或分析的方法，查明其变化规律和产生原因，通过对测量值的修正或者采用一定的预防措施，就能够消除或减小它对测量结果的影响。2)随机误差 在相同测量条件下多次测量同一物理量，其误差没有固定的大小和符号，呈无规律的随机性，此类误差称为随机误差。如图1一2所示，随机误差的分布有以下特性。(1)对称性。绝对值相等的正误差和负误差出现的次数相等。(2)单峰性。绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多。(3)有界性。一定的测量条件下，随机误差的绝对值不会超过一定界限。上一页 下一页返回1.2传感器的测量误差(4)抵偿性。随测量次数的增加，随机误差的算术平均值趋于零。3)粗大误差 明显偏离约定真值的
14、误差称为粗大误差。它主要是由于测量人员的失误所致，如测错、读错或记错等。含有粗大误差的数值称为坏值，应予以剔除。在测量中，若误差大于极限误差，即为粗大误差。2.按被测量与时间的关系分类 1)静态误差 静态误差是指在测量过程中，被测量随时间变化很缓慢或基本上不变化的测量误差。以上所介绍的测量误差均属于静态误差。2)动态误差 被测量在随时间变化过程中测得的误差称为动态误差。动态误差是由于检测系统对输入信号响应滞后，或对输入信号中不同频率成分产生不同的衰减和延迟所造成的。上一页 下一页返回1.2传感器的测量误差 3.传感器测量误差的表示方法 1)绝对误差 绝对误差是指测量值某被测量的指示值A，与真值
15、A。之间的差值，称之为绝对误差，即:2)相对误差(1)实际相对误差。它等于绝对误差与真值的百分比。用yA表示，即:上一页 下一页返回1.2传感器的测量误差(2)示值(标称)相对误差。它等于绝对误差与指示值的百分比。用yx表示，即:(3)满度(引用)相对误差。它等于绝对误差与仪表量程值AE.S的百分比。用yn表示，即:上一页返回1.3 传感器的基本特性 一、传感器的静态特性 静态特性表示传感器在被测各量值处于稳定状态时的输出与输入的关系。主要包括精确度、线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。1.精确度(精度)精确度是用来表示仪表测量结果可靠程度最重要的指标。在自动化仪表中，以最大相对百分误差(引
16、用误差)来定义仪表的精度等级，即:仪表的越大，表示它的精确度越低;反之，越小，表示它的精确度越高。对于两台测量范围不同的仪表，如果它们的绝对误差相等，则测量范围大的仪表精确度比测量范围小的高。下一页返回1.3 传感器的基本特性 2.灵敏度 灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量y与引起该增量的相应输入量增量x之比。它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化。显然，灵敏度K值越大，表示传感器越灵敏。线性传感器的灵敏度K为常数;非线性传感器的灵敏度K是随输入量变化的量。曲线越陡，灵敏度越高。可以通过作该曲线的切线的方法(作图法)来求得曲线上任一点的灵敏度，用作图法求取传感器
17、的灵敏度如图1一3所示。上一页 下一页返回1.3 传感器的基本特性 3.线性度 线性度即非线性误差，是传感器的校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差(Lmax)与满量程值(y E.S)的百分比。即:拟合直线:对传感器特性线性化，用一条理论直线代替标定曲线，即拟合直线。拟合直线不同，所得线性度也不同。常用的两种拟合直线，即端基拟合直线和独立拟合直线，如图1-4所示。上一页 下一页返回1.3 传感器的基本特性(1)端基拟合直线是由传感器校准数据的零点输出平均值和满量程输出平均值连成的一条直线。由此所得的线性度称为端基线性度。这种拟合方法简单直观，应用较广，但拟合精度很低，尤其对非线性比较明显的传感器
18、，拟合精度更差。(2)独立拟合直线方程是用最小二乘法求得的，在全量程范围内各处误差都最小。独立线性度也称最小二乘法线性度。这种方法拟合精度最高，但计算很复杂。4.变差(回差、迟滞)变差是在外界条件不变的情况下，当输入变量由小变大和由大变小时，仪表对于同一输入所给的两相应输出值不相等，二者在全行程范围内的最大差值即为变差。如图1-5所示。上一页 下一页返回1.3 传感器的基本特性 5.重复性 如图1一6所示，重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一向在全测量范围内连续变化多次所得特性曲线的不一致性。从误差的性质讲，重复性误差属于随机误差。6.漂移 零漂和温漂:传感器无输入(或某一输入值不变)时，
19、每隔一定时间，其输出值偏离原示值的最大偏差与满量程的百分比，即为零漂。温度每升高1，传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比，称为温漂。7.测量范围与量程 在允许误差范围内，传感器能够测量的下限值(ymin)到上限值(ymax)之间的范围称为测量范围，表示为ymin ymax;上限值与下限值的差称为量程，表示为上一页 下一页返回1.3 传感器的基本特性 8.分辨率和阂值 传感器能检测到输入量最小变化量的能力称为分辨力。对于某些传感器，如电位器式传感器，当输入量连续变化时，输出量只做阶梯变化，则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。对于数字式仪表，分辨力就是仪表指示值的最后一位数字所
20、代表的值。当被测量的变化量小于分辨力时，数字式仪表的最后一位数不变，仍指示原值。当分辨力以满量程输出的百分数表示时则称为分辨率。阂值是指能使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零点附近的分辨力。有的传感器在零位附近有严重的非线性，形成所谓“死区”，则将死区的大小作为阂值;更多情况下，阂值主要取决于传感器噪声的大小，因而有的传感器只给出噪声电平。上一页 下一页返回1.3 传感器的基本特性 9.环境特性 周围环境对传感器影响最大的是温度。目前，很多传感材料采用灵敏度高，且信号易处理的半导体。然而，半导体对温度最敏感，实际应用时要特别注意。除温度外，还有气压、湿度、振动、电源电压及频率
21、等都影响传感器的特性。10.稳定性 理想特性的传感器是加相同大小的输入量时，输出量总是大小相同。然而，实际上传感器特性随时间而变化，因此，对于相同大小的输入量，其输出量是变化的。连续工作时，即使输入量恒定，传感器输出量也会朝着一个方向偏移，这种现象称为温漂。需要注意的是，除传感器本身的温漂外，还有安装传感器的机构的温漂，以及电子电路的温漂。上一页 下一页返回1.3 传感器的基本特性 二、传感器的动态特性 所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。传感器要检测输入信号随时间而变化，则传感器的特性应能跟踪这个输入信号的变
22、化，这样可以获得准确的输出信号。如果变化太快，就可能跟踪不上，这就是响应特性，即为动态特性。动态特性是传感器的重要特性之一。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。上一页返回图1一1自动检测系统的组成返回图1一2随机误差分布特性返回图1一3用作图法求取传感器的灵敏度返回图1一4传感器拟合直线示意图返回图1一5传感器迟滞示意图返回图1一6传感器重复性示意图返回第2章 电阻式传感器 2.1电阻应变片式传感器 2.2气敏电阻传感器 2.3湿敏电阻传感器 2.4热电阻返回2.1 电阻应变片式传感器 2.1.1应变片式传感器的工作原理 应变片式传
23、感器是利用应变效应工作的。应变片式传感器由敏感元件、应变片、电桥组成。电阻应变片粘贴在弹性敏感元件或被测弹性构件上，把弹性元件或构件的应变转换成电阻的变化，再通过电桥把电阻变化转换成电压输出。电阻应变片式位移传感器的位移测量范围较小，一般在0.m一0.1 mm，其测量精度小于2%，线性度为0.1%0.5%。它主要与弹性敏感元件一起构成测力、荷重、压力和加速度等物理量的传感器。常见的电子计价秤一般用的就是应变片式传感器。下一页返回2.1 电阻应变片式传感器 2.1.2电阻应变片式传感器的种类与结构类型 一、金属电阻应变片的结构类型 金属电阻应变片的结构如图2一1所示，图2一1(a)为其结构示意图
24、，敏感栅粘贴在基底上，上面覆盖保护层。基底有纸基和胶基两种。应变片的纵向尺寸为工作长度，反映被测应变，其横向应变将造成测量误差。图2一1(b)为圆角丝栅，其横向应变会引起较大测量误差，但耐疲劳性好，一般用于动态测量。图2一1(e)为直角丝栅，精度高，但耐疲劳性差，适用于静态测量。箔式电阻应变片的丝栅形状可与应力分布相适应，制成各种专用应变片，图2一1(d)为应变片式扭矩传感器专用，图2一1(e)为板式压力传感器专用，图2一1(f)为常用的普通传感器。上一页 下一页返回2.1 电阻应变片式传感器 箔式电阻应变片的电阻值分散度小，可做成任意形状，易于大量生产，成本低，散热性好，允许通过大的电流，灵
25、敏度高，耐蠕变和耐漂移能力强。薄膜应变片是采用真空镀膜技术在很薄的绝缘基底上蒸镀金属电阻材料薄膜，再加上保护层形成的。其优点是灵敏度高，允许通过大的电流。二、半导体应变片的结构类型 随着硅扩散技术的发展，扩散型半导体应变片已成为主流。半导体应变片有体型、薄膜型和扩散型等型式。扩散型半导体应变片是在硅片上用扩散技术制成4个电阻并构成电桥，利用硅材料本身作为弹性敏感元件，还可以把补偿电路和其他信号处理电路集成在一起，构成集成力敏传感器。体型半导体应变片结构如图2一2所示，表2一1列出了几种应变片的主要技术参数。上一页 下一页返回2.1 电阻应变片式传感器 2.1.3测量转换电路 电阻式传感器可以用
26、直流或交流电桥作为转换电路。电桥可用作电阻、电容和电感式传感器的测量电路，在电桥平衡时读出被测参数，称为平衡电桥。电桥在初始状态是平衡的，输出电压等于零;当桥臂参数变化时才输出电压，称为不平衡电桥，其特性是非线性的。一、电阻应变片的输出电压 直流电阻电桥如图2一3 (a),(b),(c)所示，其初始状态可通过RPi调零。若采用交流供电，则称为交流电桥，如图2-3 (d)所示，可通过RP1和RP2调零。当电桥平衡时输出电压U0=0。电桥的平衡条件是对边桥臂电阻乘积相等，即:上一页 下一页返回2.1 电阻应变片式传感器 二、应变电桥的工作方式 对于应变片式传感器，其电桥电路可分为全桥、单臂电桥和双
27、臂电桥工作方式。全桥和双臂电桥还可构成差动工作方式。式(2-7)和式(2一8)为全桥的电压输出表达式。1.半桥单臂工作方式 如图2-3 (a)所示R1为电阻应变片，R2,R3,R4为固定电阻，由式(2-7)和式(2一8)得:2.半桥双臂工作方式 如图2-3 (b)所示，R1,R2均为电阻应变片，R3,R4为固定电阻，同理可得:上一页 下一页返回2.1 电阻应变片式传感器 3.差动电桥 式(2-9)中，相邻桥臂间为相减关系，相对桥臂间为相加关系。因此，构成差动电桥的条件为:相邻桥臂应变片的应变方向应相反，相对桥臂应变片的应变方向应相同。如果各应变片的应变量相等，则称为对称电桥。式(2一10)和式
28、(2一7)可改写为:上一页 下一页返回2.1 电阻应变片式传感器 2.1.4电阻应变片传感器的应用 应变效应的应用十分广泛。除了可以测量应变外，还可以测量应力、弯矩、加速度、位移等物理量。一、测力传感器 电阻应变片式传感器的最大用武之地是在称重和测力领域。测力传感器按其量程大小和测量精度不同而有很多规格，他们的主要差别是弹性元件的结构形式不同，以及应变片在弹性元件上粘贴的位置不同。常用的测力传感器的弹性元件有柱式和梁式两种。1.柱式力传感器 圆柱式传感器的弹性元件，如图2-4所示。上一页 下一页返回2.1 电阻应变片式传感器 2.悬臂梁式力传感器 悬臂梁式力传感器是一种结构简单、高精度、应变片
29、容易粘贴、抗偏抗侧性能优越的称重测力传感器，最小可以测量几十克、最大可以测几十吨的质量，精度可达到0.02F.S(满量程)。悬臂梁式力传感器采用弹性梁及电阻应变片作为敏感转换元器件，接成全桥电路。当垂直正压力或拉力作用在弹性梁时，应变片随弹性梁一起变形，其应变使应变仪、数字电压表或其他二次仪表显示或记录质量或力。利用这种方法，可制成称重电子秤、加速度传感器等。悬臂梁有两种:一种为等截面型，另一种为等强度型。等截面梁就是悬臂梁的横截面处处相等的梁。当外力作用在梁的自由端时，在固定端产生的应变最大。等截面梁适合于5 000 N以下的载荷测量。其传感器结构简单，灵敏度高。上一页 下一页返回2.1 电
30、阻应变片式传感器 等强度梁是一种特殊形式的悬臂梁，其特点是，沿梁长度方向的界面按一定规律变化，当外力F作用在自由端时，距作用点任何距离截面上的应力相等。等强度梁的优点是结构简单、加工方便、应变片粘贴容易、灵敏度高。主要用于小载荷、高精度的拉、压力传感器中。可测量0.01牛顿到几千牛顿的拉、压力。在同一截面正反两面粘贴应变片，并应粘在该界面中性轴的对称表面上。图2-5为应变片粘贴到悬臂梁上的位置。二、压力传感器 电阻应变压力传感器主要用于测量流体压力，有时也用于测量土壤压力。根据其弹性体的结构形式可分为单一式和组合式两种。上一页 下一页返回2.1 电阻应变片式传感器 1.单一式压力传感器 单一式
31、是指应变片直接粘贴在受压弹簧膜片(或筒)上。图2一6 (a所 示为筒式弹性元件，图2一6(b)所示为应变片布片，工作应变片R1,R3沿筒外壁周向粘贴，温度补偿应变片R2,R4贴在筒的外壁，并接成全桥。当应变筒内壁感受压力P时，筒外壁产生周向应变，从而改变电桥的输出。2.组合式压力传感器 组合式压力传感器由受压弹性元件(膜片、膜盒或波纹管)和应变弹性元件(各种梁)组合而成。前者承受压力，后者粘贴应变计。两者之间通过传力件传递压力作用。这种结构的优点是受压弹性元件能对流体高温、腐蚀等影响起到隔离作用，使应变片具有良好的工作环境。上一页返回2.2 气敏电阻传感器 在现代社会的生产和生活中，人们往往会
32、接触到各种各样的气体，需要对它们进行检测和控制。比如化工生产中气体成分的检测与控制;煤矿瓦斯浓度的检测与报警;环境污染情况的监测;煤气泄漏:火灾报警;燃烧情况的检测与控制，等等。气敏电阻传感器就是一种将检测到的气体的成分和浓度转换为电信号的传感器。常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器等。图2-7所示为几种常用的气体传感器。2.2.1接触燃烧式气体传感器 接触燃烧式气体传感器可用于坑内沼气、化工厂的可燃性气体量的探测，城市煤气泄漏报警，对半导体敏感元件不适合的空气污染厉害的餐馆等。下一页返回2.2 气敏电阻传感器 接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝(也可
33、表面涂铂、把等稀有金属催化层)，使用时对铂丝通以电流，保持300一400的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此，铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升;通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。接触燃烧式气体传感器的测量电路如图2一8所示。图中采用的是桥式电路。它是将铂丝阻值的变化转换为电压的变化，以达到测量气体的密度的目的。图2-8中F1是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温度和电源电压变化等因素所引起的偏差。上一页 下一页返回2.2 气敏电阻传感器 2.2.2电化学气敏传感器 一、氧
34、化锆测量原理 氧化锆氧传感器是采用氧化锆固体电解质组成的氧浓度差电池来测氧的传感器。它是20世纪60年代才兴起的，属于固体离子学中一个重要应用方面。这类氧传感器已在国内外广泛用于工业炉窑优化燃烧，产生了显著的节能效果;广泛用于汽车尾气测量，明显地改善了城市环境污染;广泛用于钢液测氧，大大提高了优质钢的质量和产量;广泛用于惰性气体中测氧，其灵敏度和测氧范围非其他氧量计可比。上一页 下一页返回2.2 气敏电阻传感器 Zr02 是典型的离子晶体，Zr02中添加二价或三价立方对称氧化物，如Ca0,Mg0,Y203和其他三价稀土氧化物时，在适当加热和冷却条件下可以使Zr02在600以上时成为氧的快离子导
35、体，人们称它为固体电解质。这种陶瓷材料对氧具有高度的敏感性，选择性亦十分好，用它做成的氧探头(又称氧传感器)广泛应用于工业炉和环境保护。Zr02固体电解质是离子导电体，它是通过晶格内的氧离子空位来实现导电的，错的导价金属氧化物的加入在Zr02晶格中产生了大量的氧离子空位，如图2一9所示。每加入两个错离子就建立一个氧离子空位，Zr02的缺陷浓度主要决定于添加剂的加入量，而与温度和环境气氛无关。Zr02的离子导电就是通过Zr02内氧离子的迁移来实现的。上一页 下一页返回2.2 气敏电阻传感器 二、氧化锆的结构类型及安装方式 氧化锆氧浓差电池用于实际检测中，主要需要解决的问题是，氧化锆检测头，反应电
36、极及将被测气体与参比气(空气)严格隔离的问题(也叫作氧探头的密封问题)。实际应用过程中，最难以解决的是密封问题和反应电极问题。1.采样检测式氧传感器 采样检测方式是通过导引管，将被测气体导入氧化锆检测室。检测室通过加热元件把氧化锆加热到工作温度(750以上)。氧化锆一般采用管状，电极采用多孔铂电极(见图2一10)。采样检测的优点是不受检测气氛温度的影响，通过采用不同的导流管可以检测各种温度气氛中的氧含量。上一页 下一页返回2.2 气敏电阻传感器 在被检测气体温度较低(0 -650)，或被测气氛较清洁时，采样式检测方式工作较好，如制氮机测氧，实验室测氧等。2.直插式检测方式 直插式检测是将氧化锆
37、直接插入高温被测气体，直接检测气体中的氧含量。这种检测方式应用在被检测气氛温度在700 -1 150时(特殊结构还可以用于1 400的高温)，利用被测气氛的高温使氧化锆达到工作温度，不另外用加热器(见图2一11)。直插式氧探头的技术关键是陶瓷材料的高温密封问题和电极问题。三、氧化锆使用寿命的影响因素 1.多孔Pt电极的问题 Zr02氧传感器国内普遍存在稳定性差和寿命短的现象，即使国外已完全实用化了的产品也常常出现电势异常、响应劣化、电极中毒或脱落现象，这一切都与Zr02氧传感器的多孔Pt电极的特性有关。上一页 下一页返回2.2 气敏电阻传感器 1)电极形貌及其影响因素 氧探头反应电极过去一直用
38、多孔Pt制成，因为它的催化能力强，现在还有不少成品用多孔Pt电极。多孔Pt电极的表面积极大，是一种热力学不稳定状态，特别是由于氧传感器长期在高温下，例如渗碳炉中的氧传感器的工作环境温度为860 940 ,在这种工作条件下，多孔Pt电极的电极表面分布着的小孔尺寸会不断增大而响应电极反应。Zr02氧传感器的电极反应是多相催化反应，其中Pt电极的重要作用之一就是作为反应催化剂。对于一定的催化剂而言，催化剂的能力与其的表面积有关，一般而言，增加催化剂的表面积，是提高反应效率的有效手段之一，提高催化剂表面积的最好方法是“造孔”，催化剂的比表面主要是由微孔的内表面积提供的，因此，长期在高温下工作的多孔Pt
39、电极将会减小Pt电极的比表面，从而降低其催化能力。另外，电极电孔数的变化，会显著地改变Pt-Zr02一气三相界面影响速度。上一页 下一页返回2.2 气敏电阻传感器(1)元素互扩散。Pt/Zr02界面是氧传感器的关键部位，该界面的电化学性能、化学反应以及平衡决定着传感器的特性。具有很高的缺陷浓度，因而加快了扩散过程。晶粒度小，因而晶界面积大，原子沿晶界的扩散比晶内快得多。含有大量的孔洞，因而其表面积极大。这3个特点都为原子扩散提供了有利条件。(2)转晶。Zr离子在强还原性气氛中会转化为金属Zr，并溶解于Pt中形成Pt一Z:固溶体，达到溶解极限后，开始形成Pt-Zr金属间化合物，破坏了原始组织结构
40、。此外，Pt/Zr02黏结力不好而脱膜也是经常发生的现象。上一页 下一页返回2.2 气敏电阻传感器(3)积炭。多孔Pt电极在渗碳炉中致命的弱点是炭黑堆积在Pt电极的孔洞内，特别在高碳势的情况下更为严重，炭黑在多孔Pt电极小孔内的堆积，使得Pt-Zr02一气相三相催化反应界面处的状态发生变化而使电极反应不稳定，输出氧势波动或偏高等现象。(4)堵塞。多孔R电极的小孔在加热炉烟道中应用时，经常被尘灰堵塞而影响炉气向三相界面的扩散，最终使氧探头输出信号减弱而测不准。2.Zr02固体电解质的时效问题 Zr02固体电解质作为工业炉用氧探头往往长期在700以上的高温下进行工作，如果不考虑气氛的影响，这个工作
41、温度对由Y203固溶为立方相结构的Zr02固体电解质来讲，是一个高温时效过程，这是氧探头不稳定和失效的另一个主要原因。上一页 下一页返回2.2 气敏电阻传感器 Zr02中掺入Y203的目的有两个:产生氧离子空位和建立全稳定立方相结构。纯Zr02有3种晶体结构，3种不同的晶体结构与其转变温度有关，对氧探头来讲，立方相Zr02结构存在大量的八面体间隙，氧离子在其中能够快速扩散，由此增加氧化锆制成氧头后的离子导电率和响应速度，因此人们制作氧探头时，往往使错头的Zr02做成立方相结构。四、氧探头的工业应用 工业用氧传感器可分为通用性强的氧分析器和根据用途不同而设计的专用氧探头两种。1.在工业锅炉、加热
42、炉上的氧量分析应用 作此用途的氧传感器多采用管状结构，此管可以两端开口，也可以单端开口，目前市场出现最多的是后一种。上一页 下一页返回2.2 气敏电阻传感器 Zr02管内外壁上涂有多孔Pt电极，由内外电极分别向管端引伸并在端部接出Ni一Cr丝作信号输出用。氧传感器使用时，引入被测气体的方式有直插式和扩散式两种。直插式响应时间短，不需要加热器，结构简单，小型轻便，但要求同时检测被测气体的温度。扩散式由于氧探头的温度由加热器控制，因此测量精度高，工作可靠，但响应时间取决于气体的流量。2.在热处理可控气氛炉上的碳势控制应用 氧探头在渗碳、碳氮共渗、保护气氛无氧化加热等热处理工艺上的应用要比在工业炉、
43、汽车上应用复杂得多，因为炉内的气氛控制与氧探头输出的氧量信号没有直接的数学关系。它是通过氧探头测量出热处理炉内气氛中的氧量，再由热处理炉内气氛的化学平衡原理计算出对应的碳势，达到监视或控制炉内的碳势，这就要求在大量生产实践的基础上收集大量可靠的实验数据，建立起与实际更接近的数学模式。上一页 下一页返回2.2 气敏电阻传感器 2.2.3半导体气敏传感器 半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，应用极其广泛;半导体气敏元件有N型和P型之分。一、还原性气体传感器 所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子、化合价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、
44、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Sn02,Zn0或Fe203等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂及其他添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。图2一12所示是MQN型气敏电阻的结构及测量转换电路简图。上一页 下一页返回2.2 气敏电阻传感器 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(图2一12 (c)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200 0C 300 0C，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)。气敏半导体
45、的灵敏度较高，在被测气体浓度较低时有较大的电阻变化，而当被测气体浓度较大时，其电阻率的变化逐渐趋缓，有较大的非线性。这种特性较适用于气体的微量检漏、浓度检测或超限报警。控制烧结体的化学成分及加热温度，可以改变它对不同气体的选择性。例 如，制成煤气报警器，可对居室或地下数十米深处的漏点进行检漏。还可制成酒精检测仪，以防止酒后驾车。目前，气敏电阻传感器已广泛应用于石油、化工、电力、家居等各种领域。图2一13所示为MQN型气敏电阻对不同气体的灵敏度特性曲线。上一页 下一页返回2.2 气敏电阻传感器 二、二氧化钦氧浓度传感器 常用氧浓度传感器如图2一14所示。半导体材料二氧化钦(Ti02 属于N型半导
46、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，氧原子进入二氧化钦晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。上述过程是可逆的，当氧气浓度下降时，氧原子析出，电阻值减小。图2一15所示是用于汽车或燃烧炉排放气体中的氧浓度传感器结构图及测量转换电路。二氧化钦气敏电阻与补偿热敏电阻同处于陶瓷绝缘体的末端。当氧气含量减少时，Ti02的阻值减小。上一页返回2.3 湿敏电阻传感器 一、湿敏电阻的工作原理 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这一原理制成的。湿敏电阻有不同的结构形式。常用的有金属氧化物陶瓷湿敏电阻，金属氧化物膜型湿敏电阻、高分子材
47、料湿敏电阻。1.金属氧化物陶瓷湿敏传感器 陶瓷湿敏电阻传感器的核心部分是用铬酸镁一二氧化钦(MgCr204Ti02)等金属氧化物以高温烧结工艺制成的多孔陶瓷半导体。其气孔率高达25%以上，具有1 m以下的细孔分布。与日常生活中常用的结构紧密的陶瓷相比，其接触空气的表面显著增大，所以水蒸气极易被吸附于表面及空隙之中，使其电导率下降。当相对湿度从1%RH变化到95%RH时，其电阻率的变化高达4个数量级以上，所以在测量电路中必须考虑采用对数压缩手段。图2一16为陶瓷湿敏传感器特性曲线。下一页返回2.3 湿敏电阻传感器 2.金属氧化物膜型湿敏传感器 Cr203,Fe203,Fe3 04,A1203,M
48、g2 03,Zn0及Ti0等金属氧化物的细粉吸湿后导电性增加，电阻下降。吸附或释放水分子的速度比上述多孔陶瓷快许多倍。在陶瓷基片上先制作把金梳状电机，然后采用丝网印刷等工艺，将调制好的金属氧化物糊状物印刷在陶瓷基片上，采用烧结或烘干的方法使之固化成膜。这种膜在空气中能吸附或释放水分子，而改变其自身的电阻值。通过测量两电极间的电阻值即可检测相对湿度。其响应时间小于1 min。3.高分子湿敏传感器 高分子电阻湿敏传感器是目前发展迅速、应用较广的一类新型湿敏电阻传感器。它的外形与金属氧化物膜型湿敏传感器相似，只是吸湿材料用可吸湿电离的高分子材料制作。上一页返回2.4 热电阻 利用导体或半导体的电阻值
49、随温度的变化而变化的特性来测量温度的感温元件称为热电阻。它可用于测量一200 500范围内的温度。大多数金属导体和半导体的电阻率都随温度发生变化，纯金属有正的电阻温度系数，半导体有负的电阻温度系数。用金属导体或半导体制成的传感器，分别称为金属电阻温度计和半导体温度计。2.4.1金属热电阻 绝大多数金属具有正的电阻温度系数a，温度越高，电阻越大。要求作为测量用的热电阻材料必须满足以下要求。(1)高温度系数，电阻随温度变化保持单值并且最好呈线性关系。(2)热容量小。(3)高电阻率，这样可以在同样灵敏度情况下使元件尺寸做得小一些。下一页返回2.4 热电阻(4)在工作范围内，物理和化学性能稳定，保证了
50、热电阻测量的准确性。(5)工艺性能良好，容易获得较纯物质，材料复制性好，价格便宜。一、铂热电阻 铂的特点有:(1)在氧化性介质中，甚至在高温下，铂的物理、化学性质都很稳定。(2)在还原性介质中，特别是在高温下，很容易被氧化物中还原成金属的金属蒸气所站污，以致使铂丝变脆，并改变电阻与温度关系特性。(3)铂是贵金属，价格较贵。铂热电阻的电阻体是用纯度高达99.995%一99.999 5%、直径为0.020.07 mm的铂丝，按一定规律绕在云母、石英或陶瓷支架上而制成，用银导线作为引出线。工业用铂热电阻体的结构如图2一17所示。上一页 下一页返回2.4 热电阻 二、铜电阻 在测量精度不高、测量范围不
