项目七 环境量检测（课件）- 《传感器与检测技术项目式教程》同步教学（人民邮电版）

项目七 环境量检测 1 第二学习周 检测技术基础知识 知识目标： 理解气体传感器、湿敏传感器和光电传感器的基本原理； 了解气体传感器、湿敏传感器和光电传感器的分类； 熟悉气体传感器、湿敏传感器和光电传感器的应用； 能够进行传感器应用原理分析。 ◆ 能够根据环境量检测要求选择合适的传感器进行测量电路设计； ◆ 能制作气体、湿度、光照度等物理量的检测报警电路并调试。 技能目标： 学习目标 项目背景 在快节奏生活的今天，环境污染越来越严重，环境状态已成为人们关注的焦点。环境量中包括气体浓度、湿度、光照度等物理量。 在日常生活和生产活动中，经常接触到的各种各样的气体直接关系到人们的生命和财产安全，对有害气体或可燃性气体进行有效的检测和控制尤其重要。气体检测所用到的传感器实际上是指能对气体进行定性或定量检测的气敏传感器。 环境中相对湿度过低，还会导致水分散失，干燥引起物质脆化、变形。相对湿度过高，又易使织物生霉，铁器生锈，电子器件短路，地毯、壁纸发生静电现象，对人体有刺激，甚至诱发火灾。由此，湿度检测越来越重要。 光能是最近几年发展起来的一种新型的能源，我们现在用的太阳能热水器、光电池等都用到了光电式传感器。光照度检测也具有非常实用的价值。 任务7.1 有毒气体浓度检测 知识分布网络 有毒气体浓度检测 任务实施 知识拓展 相关知识 气敏传感器原理及特性 气敏传感器的应用 气敏传感器的选用原则 传感器选型 测量电路设计 模拟调试 酒精检测报警器 家用煤气（CO）安全报警器 火灾烟雾报警器器 本任务要求设计有毒气体检测装置，用于检测管道或井窖的气体情况，当遇到有毒或者可燃气体时，就会发出声光报警或伴有数字显示，这时相应的工人就可以采取防护措施，以保障自身的安全。 【任务描述】 任务7.1 有毒气体浓度检测 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浓度等信息转换为电信号，经电路处理后进行检测、监控和报警。如图7-1所示为部分气敏传感器的实物外形图。 【相关知识】 任务7.1 有毒气体浓度检测 图7-1 常见气敏传感器 6 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、电化学式、热导率变化式、红外吸收式等类型。主要类型及其特性见下表： 任务7.1 有毒气体浓度检测 半导体气敏传感器是利用半导体材料与气体相接触时导致半导体电阻和功函数会发生变化的效应来检测气体成分或浓度的传感器。按照半导体变化的物理性质，可分为电阻式和非电阻式两种。 1. 电阻式半导体气敏传感器 电阻式半导体气敏传感器是利用气敏半导体材料吸收了可燃性气体的烟雾，如氢气、一氧化碳、烷、醚以及天然气、沼气等时，会发生还原反应，放出热量，使元件温度相应增高，电阻发生变化。利用半导体材料的这种性质，将气体的成分和浓度转换成电信号，进行检测和报警。 任务7.1 有毒气体浓度检测 7.1.1半导体气敏传感器 1）烧结型 烧结型气敏元件的制作是将敏感材料（SnO2、InO等）及掺杂剂（Pt、Pb）按照一定的配比用水或粘合剂调和，经研磨后再均匀混合，再用传统制陶的方法进行烧结。这种元件一般分为内热式和旁热式两种结构，如图7-2所示，多用于检测还原性气体，可燃性气体和液化蒸汽。 图7-2 烧结型气敏元件结构示意图 任务7.1 有毒气体浓度检测 2）薄膜型 薄膜型气敏器件是在绝缘衬底（如石英晶片）上蒸发或溅射上一块氧化物半导体薄膜（厚度一般为数微米）制成，其结构如图7-3所示。 图7-3 薄膜型原件结构示意图 1,2,5,7—引线 3—半导体 4—电极 6—绝缘基片 7—加热器 任务7.1 有毒气体浓度检测 10 这种结构的气敏器件具有机械强度较高、产量高、成本低等优点，但缺点是器件的性能与工艺条件和薄膜的物理化学状态有关，故各元件间一致性较差。 3）厚膜型 此类型气敏传感器一般是半导体氧化物粉末、添加剂、粘合剂和载体混合配成浆料，再用丝网印刷的方法将浆料印的基片上，形成厚度为数微米到数十微米的厚膜，如图7-4所示。 图7-4 厚膜型原件结构示意图 任务7.1 有毒气体浓度检测 2. 非电阻式半导体气敏传感器 非电阻式半导体气敏传感器也是利用MOS二极管的电容—电压特性的变化以及MOS场效应管的阀值电压变化等特性而制成的气体传感器。 任务7.1 有毒气体浓度检测 1. 灵敏度 灵敏度（S）标志着气敏元件对气体的敏感程度，决定了测量精度。用其阻值变化量△R与气体浓度变化量△P之比来表示，即S=△R∕△P 2. 响应时间 从气敏元件与被测气体接触，