常用傳感器的應(yīng)用

1、2022-2-151第十章第十章 常用傳感器的應(yīng)用常用傳感器的應(yīng)用 l可燃性氣體報警l壓力測量l液位測量l流量測量l溫度測量l氣體成分分析2022-2-152l在自動化系統(tǒng)中，各種工藝變量的獲得，都要通過檢測元件（傳感器），它直接響應(yīng)被測工藝變量，并輸出一個對應(yīng)關(guān)系的信號。l對于檢測儀表來說，檢測、變送與顯示是三個獨(dú)立部分，也可以只用其中兩個部分。當(dāng)然檢測、變送與顯示也可以有機(jī)地結(jié)合為一體。l對檢測儀表有以下三條基本要求：l1、測量值要正確反映被控變量的值，誤差不超過規(guī)定的范圍；l2、在環(huán)境條件下能長期工作，保證測量值的可靠性；l3、測量值必須迅速反映被控變量的變化，即動態(tài)響應(yīng)比較迅速。202

2、2-2-153l可燃性氣體報警器由傳感器和報警器二部分組成。l傳感器是連續(xù)測定設(shè)備四周空氣中可燃性氣體額體積百分含量，轉(zhuǎn)換成電信號，傳送到報警器發(fā)出報警信號。l可燃性氣體傳感器有兩種形式：l一種是半導(dǎo)體氣敏傳感器，另一種是催化反應(yīng)熱式傳感器。2022-2-154 半導(dǎo)體氣敏傳感器由于具有靈敏度高、響應(yīng)時間和恢復(fù)時間快、使用壽命長以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，從而得到了廣泛的應(yīng)用。 按其用途可分為以下幾種類型：氣體泄露報警、自動控制、自動測試等。 表10-1給出了半導(dǎo)體氣敏傳感器的應(yīng)用舉例。 2022-2-155表表10-1 氣敏傳感器主要檢測對象及應(yīng)用場所氣敏傳感器主要檢測對象及應(yīng)用場所 2022-2-1

3、56l報警器的顯示值是采用國際標(biāo)準(zhǔn)，以LEL為計(jì)量單位。其意義是以可燃?xì)怏w的爆炸下限濃度為100，儀器檢測出來的可燃?xì)怏w濃度值折算成LEL顯示出來。l例如，丙稀氣體，它的爆炸下限濃度為2.4，則顯示值100LEL表示空氣中含有丙稀的濃度為2.4，達(dá)到爆炸下限濃度，就會發(fā)生爆炸。若報警器顯示50 LEL，則表示空氣中含有丙稀的濃度為1.2。l一般情況下，預(yù)警設(shè)定點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在20 LEL或40 LEL處，也可以根據(jù)情況自行設(shè)定，但不得大于60 LEL。2022-2-157 氣體敏感元件，大多是以金屬氧化氣體敏感元件，大多是以金屬氧化物半導(dǎo)體為基礎(chǔ)材料。當(dāng)被測氣體在該物半導(dǎo)體為基礎(chǔ)材料。當(dāng)被測氣體在該

4、半導(dǎo)體表面吸附后，引起其電學(xué)特性半導(dǎo)體表面吸附后，引起其電學(xué)特性( (例例如電導(dǎo)率如電導(dǎo)率) )發(fā)生變化。發(fā)生變化。 氣敏傳感器氣敏元件的工作原理十氣敏傳感器氣敏元件的工作原理十分復(fù)雜，有不同的解釋模型。分復(fù)雜，有不同的解釋模型。 目前流行的定性模型是：目前流行的定性模型是：原子價控原子價控制模型制模型、表面電荷層模型表面電荷層模型、晶粒間界勢晶粒間界勢壘模型壘模型。一、半導(dǎo)體氣體傳感器一、半導(dǎo)體氣體傳感器2022-2-158（一）工作原理（一）工作原理半導(dǎo)體氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)如右圖所示。一組為工作電極，另一組為加熱電極兼工作電極。2022-2-159 半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氣體在半氣體在半導(dǎo)體

5、表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化阻值變化而制成的。當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附時，被吸附的分子首先在表面物性自由擴(kuò)散，失去運(yùn)動能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處（化學(xué)吸附）。2022-2-1510 當(dāng)半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力(氣體的吸附和滲透特性)時， 吸附分子將從器件奪得電子而變成負(fù)離子吸附， 半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。例如氧氣等具有負(fù)離子吸附傾向的氣體被稱為氧化型氣體或電子接收性氣體。 如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放出電子，而形成正離子吸附。具有正離

6、子吸附傾向的氣體有H2、CO、碳?xì)浠衔锖痛碱?，它們被稱為還原型氣體或電子供給性氣體。 2022-2-1511 當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時，將使半導(dǎo)體載流子減少，而使電阻值增大。當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。圖10-3表示了氣體接觸N型半導(dǎo)體時所產(chǎn)生的器件阻值變化情況。2022-2-1512圖 10-3 N型半導(dǎo)體吸附氣體時器件阻值變化圖 100550加熱開關(guān)大氣中2 min 4 min吸氣時還原型氧化型穩(wěn)定狀態(tài)器件加熱響應(yīng)時間約1 min以內(nèi)器件電阻 / k2022-2-1513 由于空氣

7、中的含氧量大體上是恒定的， 因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相對固定。若氣體濃度發(fā)生變化，其阻值也將變化。根據(jù)這一特性，可以從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度。半導(dǎo)體氣敏時間(響應(yīng)時間)一般不超過1min。N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。 2022-2-1514l氣敏元件工作時必須加熱，其目的是：l加速被測氣體的吸附、脫出過程；l燒去氣敏元件的油垢或污垢物，起清洗作用；l控制不同的加熱溫度能對不同的被測氣體具有選擇作用。l加熱溫度與元件輸出的靈敏度有關(guān)。如右圖所示。2022-2-1515 氣敏元件一般工作在氣敏元件一般工作在200400的的高溫。高溫

8、。 為氣敏元件提供必要工作溫度的加為氣敏元件提供必要工作溫度的加熱電路的電阻熱電路的電阻(指加熱器的電阻值指加熱器的電阻值)稱為加稱為加熱電阻，用熱電阻，用RH表示。直熱式的加熱電阻表示。直熱式的加熱電阻值一般小于值一般小于5；旁熱式的加熱電阻大于；旁熱式的加熱電阻大于20。 氣敏元件正常工作所需的加熱電路氣敏元件正常工作所需的加熱電路功率，稱為加熱功率，用功率，稱為加熱功率，用表示。一般表示。一般在在(0.52.0)W范圍。范圍。2022-2-1516l1、自動排風(fēng)扇控制器2022-2-1517 由于加熱方式一般有直熱式和旁熱式兩種，因而形成了直熱式和旁熱式氣敏元件。直熱式氣敏器件的結(jié)構(gòu)及符

9、號如下圖所示。直熱式器件是將加熱絲、 測量絲直接埋入SnO2或ZnO等粉末中燒結(jié)而成的，工作時加熱絲通電，測量絲用于測量器件阻值。 這類器件制造工藝簡單、成本低、功耗小，可以在高電壓回路下使用， 但熱容量小， 易受環(huán)境氣流的影響，測量回路和加熱回路間沒有隔離而相互影響。國產(chǎn)QN型和日本費(fèi)加羅TGS109型氣敏傳感器均屬此類結(jié)構(gòu)。 2022-2-1518直熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號1234SnO2燒結(jié)體加熱極兼電極(a)結(jié)構(gòu)4321(b)符號2022-2-1519 旁熱式氣敏器件的結(jié)構(gòu)及符號如下圖所示，它的特點(diǎn)是將加熱絲放置在一個陶瓷管內(nèi)，管外涂梳狀金電極作測量極，在金電極外涂上SnO2等材料。旁熱

10、式結(jié)構(gòu)的氣敏傳感器克服了直熱式結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，使測量極和加熱極分離， 而且加熱絲不與氣敏材料接觸，避免了測量回路和加熱回路的相互影響，器件熱容量大，降低了環(huán)境溫度對器件加熱溫度的影響，所以這類結(jié)構(gòu)器件的穩(wěn)定性、 可靠性都較直熱式器件好，國產(chǎn)QM-N5型和日本費(fèi)加羅TGS812、813型等氣敏傳感器都采用這種結(jié)構(gòu)。 2022-2-1520（2）旁熱式）旁熱式SnO2氣敏元件氣敏元件加熱器電阻值一般為3040電極加熱器瓷絕緣管旁熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號SnO2燒結(jié)體123456（a）結(jié)構(gòu)（b）符號7100目不銹鋼網(wǎng)18.412312345674545氣敏元件外形和引出線分布2022-2-1521l傳感器

11、的加熱電壓直接由變壓器次級（6V）經(jīng)R12將壓提供；工作電壓由全波整流后，經(jīng)C1濾波及R1、VZ5穩(wěn)壓后提供。l傳感器負(fù)載電阻由R2及R3組成（更換R3大小，可調(diào)節(jié)控制信號與待測氣體的濃度的關(guān)系）。R4、VD6、C2及IC1組成開機(jī)延時電路，調(diào)整使其延時為60s左右（防止初始穩(wěn)定狀態(tài)誤動作）。2022-2-1522 當(dāng)達(dá)到報警濃度時，IC1的2端為高電平，使IC4輸出高電平，此信號使VT2導(dǎo)通，繼電器吸合（起動排氣扇）；組成排氣扇延遲電路，使IC4出現(xiàn)低電平后10s才使J釋放；另外，IC4輸出高電平使IC2、IC3組成的壓控振蕩器起振，其輸出使VT1導(dǎo)通或截止交替出現(xiàn)，則LED（紅色）產(chǎn)生閃光

12、報警信號。 LED（綠色）為工作指示燈。2022-2-1523l右圖為簡易酒精測試儀。l其加熱及工作電壓都是5V，加熱電流約125mA。傳感器的負(fù)載電阻為R1及R2，其輸出直接結(jié)LED顯示驅(qū)動器LM3914。當(dāng)無酒精蒸氣，其上的輸出電壓很低，隨著酒精蒸氣的濃度增加，輸出電壓也上升，則LM3912的LED（共10個）亮的數(shù)目也增加。2022-2-1524l 下圖所示為有害氣體鑒別器的電路。MQS2B是煙霧、有害氣體傳感器，平時阻值較高（10k左右）。當(dāng)有煙霧或有害氣體進(jìn)入時，阻值急劇下降。2022-2-1525l MQS2B的A、B兩端電壓下降時，12V電壓經(jīng)MQS2B的壓降減少，使得B的電壓升

13、高，經(jīng)電阻R1和RP分壓、R2限流加到開關(guān)集成電路TWH8778的端。當(dāng)端電壓達(dá)到預(yù)定值時，、兩端導(dǎo)通。2022-2-1526l調(diào)節(jié)可調(diào)電阻RP可改變端的電壓預(yù)定值，從而調(diào)節(jié)其靈敏度，使、兩端導(dǎo)通。12V電壓加至繼電器，使繼電器得電，觸點(diǎn)J1-1吸合，從而控制排風(fēng)扇電源的開關(guān)，使排風(fēng)扇自動排風(fēng)。同時端輸出的12V電壓經(jīng)R4限流和穩(wěn)壓二極管VD3（5V）穩(wěn)壓后提供微音器HTD電源電壓，此微音器是有源的（自帶音源），此時便會發(fā)出嘀嘀聲，由此可知是否有有害氣體產(chǎn)生。同時，發(fā)光二極管發(fā)出紅光，實(shí)現(xiàn)生光顯示。2022-2-1527 1 1、接觸燃燒式氣敏元件的結(jié)構(gòu)、接觸燃燒式氣敏元件的結(jié)構(gòu) 用高純的鉑絲

14、用高純的鉑絲, ,繞制成線圈繞制成線圈, ,為了使線圈具為了使線圈具有適當(dāng)?shù)淖柚涤羞m當(dāng)?shù)淖柚? (12),),一般應(yīng)繞一般應(yīng)繞10圈以上。圈以上。在線圈外面涂以氧化鋁或氧化鋁和氧化硅組成在線圈外面涂以氧化鋁或氧化鋁和氧化硅組成的膏狀的膏狀涂涂覆層覆層, ,干燥后在一定溫度下燒結(jié)成球狀干燥后在一定溫度下燒結(jié)成球狀多孔體。將燒結(jié)后的小球多孔體。將燒結(jié)后的小球, ,放在貴金屬鉑、鈀等放在貴金屬鉑、鈀等的鹽溶液中的鹽溶液中, ,充分浸漬后取出烘干。然后經(jīng)過高充分浸漬后取出烘干。然后經(jīng)過高溫?zé)崽幚頊責(zé)崽幚? ,使在氧化鋁使在氧化鋁( (氧化鋁一氧化硅氧化鋁一氧化硅) )載體上載體上形成貴金屬觸媒層形成貴

15、金屬觸媒層, ,最后組裝成氣體敏感元件。最后組裝成氣體敏感元件。2022-2-1528 除此之外除此之外, ,也可以將貴金屬觸媒粉體也可以將貴金屬觸媒粉體與氧化鋁、氧化硅等載體充分混合后配與氧化鋁、氧化硅等載體充分混合后配成膏狀成膏狀, ,涂覆在鉑絲繞成的線圈上涂覆在鉑絲繞成的線圈上, ,直接直接燒成后備用。另外，作為補(bǔ)償元件的鉑燒成后備用。另外，作為補(bǔ)償元件的鉑線圈線圈, ,其尺寸、阻值均應(yīng)與檢測元件相同。其尺寸、阻值均應(yīng)與檢測元件相同。并且并且, ,也應(yīng)涂覆氧化鋁或者氧化硅載體層也應(yīng)涂覆氧化鋁或者氧化硅載體層, ,只是無須浸漬貴金屬鹽溶液或者混入貴只是無須浸漬貴金屬鹽溶液或者混入貴金屬觸媒

16、粉體金屬觸媒粉體, ,形成觸媒層而已。形成觸媒層而已。 2022-2-1529觸媒Al2O3載體Pt絲元件(0.8-2)mm(b)敏感元件外形圖接觸燃燒式氣敏元件結(jié)構(gòu)示意圖(a)元件的內(nèi)部示意圖 2022-2-1530l2、檢測原理、檢測原理 l 對鉑絲線圈通以電流，使其保持高溫對鉑絲線圈通以電流，使其保持高溫（300400）?？扇夹詺怏w）?？扇夹詺怏w(H2、CO、CH4等等)與空氣中的氧接觸，發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生與空氣中的氧接觸，發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生反應(yīng)熱反應(yīng)熱(無焰接觸燃燒熱無焰接觸燃燒熱)，使得作為敏感材料，使得作為敏感材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應(yīng)增大。一般情況的鉑絲溫度升高，電阻值相應(yīng)增

17、大。一般情況下，空氣中可燃性氣體的濃度都不太高下，空氣中可燃性氣體的濃度都不太高(低于低于10)，可燃性氣體可以完全燃燒，可燃性氣體可以完全燃燒，其發(fā)熱量其發(fā)熱量與可燃性氣體的濃度有關(guān)與可燃性氣體的濃度有關(guān)。2022-2-1531l 空氣中可燃性氣體濃度愈大，氧化空氣中可燃性氣體濃度愈大，氧化反應(yīng)反應(yīng)(燃燒燃燒)產(chǎn)生的反應(yīng)熱量產(chǎn)生的反應(yīng)熱量(燃燒熱燃燒熱)愈多，愈多，鉑絲的溫度變化鉑絲的溫度變化(增高增高)愈大，其電阻值增愈大，其電阻值增加的就越多。因此，只要測定作為敏感加的就越多。因此，只要測定作為敏感件的鉑絲的電阻變化值件的鉑絲的電阻變化值(R)，就可檢測，就可檢測空氣中可燃性氣體的濃度。

18、但是，使用空氣中可燃性氣體的濃度。但是，使用單純的鉑絲線圈作為檢測元件，其壽命單純的鉑絲線圈作為檢測元件，其壽命較短，所以，實(shí)際應(yīng)用的檢測元件，都較短，所以，實(shí)際應(yīng)用的檢測元件，都是在鉑絲圈外面涂覆一層氧化物觸媒。是在鉑絲圈外面涂覆一層氧化物觸媒。這樣既可以延長其使用壽命，又可以提這樣既可以延長其使用壽命，又可以提高檢測元件的響應(yīng)特性。高檢測元件的響應(yīng)特性。2022-2-1532 接觸燃燒式氣體敏感元件接觸燃燒式氣體敏感元件的橋式電路如圖。圖中的橋式電路如圖。圖中F1是檢是檢測元件；測元件；F2是補(bǔ)償元件，其作是補(bǔ)償元件，其作用是補(bǔ)償可燃性氣體接觸燃燒用是補(bǔ)償可燃性氣體接觸燃燒以外的環(huán)境溫度、

19、電源電壓變以外的環(huán)境溫度、電源電壓變化等因素所引起的偏差。工作化等因素所引起的偏差。工作時 ， 要 求 在時 ， 要 求 在 F1和和 F2上 保 持上 保 持100mA200mA的電流通過，的電流通過，以供可燃性氣體在檢測元件以供可燃性氣體在檢測元件F1AF2F1MR1R2CBDW2W1E0上發(fā)生氧化反應(yīng)上發(fā)生氧化反應(yīng)( (接觸燃燒接觸燃燒) )所需要的熱量。當(dāng)檢測元所需要的熱量。當(dāng)檢測元件件F1與可燃性氣體接觸時，由于劇烈的氧化作用與可燃性氣體接觸時，由于劇烈的氧化作用( (燃燃燒燒) )，釋放出熱量，使得檢測元件的溫度上升，電阻，釋放出熱量，使得檢測元件的溫度上升，電阻值相應(yīng)增大，橋式電

20、路不再平衡，在值相應(yīng)增大，橋式電路不再平衡，在A、B間產(chǎn)生電間產(chǎn)生電位差位差E。 2022-2-1533就可以就可以測得測得A、B間的電間的電位差位差E，并由此求得空氣，并由此求得空氣中可燃性氣體的濃度。中可燃性氣體的濃度。若與相應(yīng)的電路配合，若與相應(yīng)的電路配合，就能在空氣中當(dāng)可燃性就能在空氣中當(dāng)可燃性氣體達(dá)到一定濃度時，氣體達(dá)到一定濃度時，自動發(fā)出報警信號，其自動發(fā)出報警信號，其感應(yīng)特性曲線如圖。感應(yīng)特性曲線如圖。1.0接觸燃燒式氣敏元件的感應(yīng)特性00.20.40.60.850100150輸出電壓/mV丙烷乙醇異丁烷丙酮環(huán)己烷氣體濃度(XLEL) A、B兩點(diǎn)間的電位差與可燃性氣體的濃度兩點(diǎn)間的電位差與可燃性氣體的濃度m成成比例。如果在比例。如果在A、B兩點(diǎn)間連接電流計(jì)