一、气敏电阻传感器
气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器，它的传感元件是气敏电阻。气敏电阻形式繁多，可以检测各种特定对象的气体，如各种还原性气体。
1．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，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、
氢气等。
【举例】各种可燃性气体传感器
如，酒精传感器、煤气报警器、液化气报警器、一氧化碳传感器、甲烷传感器等。2．二氧化钛氧浓度传感器
半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，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，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。
TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路介绍
【举例】氧浓度传感器可用于汽车尾气测量
气敏半导体的灵敏度较高，它较适用于气体的微量检漏、浓度检测或超限报警。
二、湿敏电阻传感器
湿度包括：绝对湿度和相对湿度，湿度对电子元件的影响很大。
检测湿度的手段很多，如毛发湿度计、干湿球湿度计、石英振动式湿度计、微波湿度计、电容湿度计、电阻湿度计等，本节介绍陶瓷湿敏电阻式湿度传感器。图2－19是陶瓷湿敏电阻传感器的结构、外形及测量转换电路框图，它主要用于测量空气的相对湿度。
新型传感器包括气敏传感器、湿敏传感器、微传感器、光栅传感器、光电式传感器、光纤传感器、集成化智能传感器等。本章分别介绍了这些新型传感器概念、工作原理、性能参数、应用领域等相关问题。
第10章气敏、湿敏传感器
本章主要内容
10.1 气敏传感器
一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类
1. 定义
2. 结构：半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳。
3. 分类：按其制造工艺，分为烧结型、薄膜型和厚膜型；按加热方式不同，可分为直热式和旁热式两种气敏器件。
二. 半导体气敏材料的气敏机理
三. SnO2 系列气敏器件
1. 主要特性
2. 检测电路
四. 气敏传感器的应用
1 简易家用气体报警
2 有害气体鉴别、报警与控制电路
3 防止酒后开车控制器
10.2 湿敏传感器
一．半导体陶瓷湿敏电阻
1. 负特性湿敏半导瓷的导电原理
2 正特性湿敏半导瓷的导电原理
二. 典型半导瓷湿敏元件
三. 湿敏传感器的应用
1 湿度检测器
2 高湿度显示器
本章教学要求及重点、难点
一．教学要求
1.了解气敏、湿敏电阻传感器的结构
2. 掌握气敏、湿敏电阻传感器的工作原理及应用
二. 重点、难点
重点：气敏、湿敏电阻传感器的原理及应用
难点：气敏、湿敏电阻传感器的原理
10.1 气敏传感器
一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类
1. 定义
气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器，它的传感元件是气敏电阻。
气敏电阻形式繁多，可以检测各种特定对象的气体，如各种还原性气体。所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。
2. 结构：半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳。
3. 分类：
按其制造工艺来分，有烧结型、薄膜型和厚膜型三种：
①烧结型：
图5.1(a)所示为烧结型气敏元器件，它是以氧化物半导体(如SnO2) 材料为基体，将铂电极和加热器埋入金属氧化物中，经加热或加压成形后，再用低温(700℃～900℃)制陶工艺烧结制成，因此也被称为半导体陶瓷。
优点：制作方法简单，器件寿命较长。
缺点：由于烧结不充分，器件的机械强度较差，且所用电极材料较贵重，此外，电特性误差较大，所以应用受到一定限制。
②薄膜型
图5.1(b)所示为薄膜型气敏元器件，采用蒸发或溅射方法，在石英基片上形成氧化物半导体薄膜(厚度在100nm以下)。
优点：制作方法也简单，
缺点：由于这种薄膜是物理性附着，所以器件间性能差异较大。
③厚膜型
图5.1(c)、图5.1(d)所示为厚膜型器件，它是将氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，再把厚膜胶印刷到装有电极的绝缘基片上，经烧结制成。
优点：这种工艺制成的元件机械强度高，其特性也相当一致，适合大批量生产。这些器件全部附有加热器，它的作用是使附着在探测部分处的油雾、尘埃等烧掉，加速气体的吸附，从而提高了器件的灵敏度和响应速度。一般加热到200℃～400℃。
按加热方式不同，可分为直热式和旁热式两种气敏器件：
①直热式器件
直热式器件的结构和符号如图5.2所示，器件管芯由SnO2、ZnO等基体材料和加热丝、测量丝三部分组成，加热丝和测量丝都直接埋在基体材料内，工作时加热丝通电，测量丝用于测量器件阻值。
优点：制造工艺简单、成本低、功耗小、可以在高电压回路下使用。缺点：热容量小，易受环境气流的影响，测量回路与加热回路之间没
有隔离，相互影响。
②旁热式器件
旁热式气敏器件的结构和符号如图5.3所示。其管芯增加了一个陶瓷管，管内放加热丝，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂SnO2等材料。
这种结构的器件克服了直热式器件的缺点，其测量极与加热丝分离，加热丝不与气敏材料接触，避免了测量回路与加热回路之间的相互影响，器件热容量大，降低了环境气氛对器件加热温度的影响，所以这类器件的稳定性、可靠性都较直热式器件有所改进。
二. 半导体气敏材料的气敏机理
半导体气敏器件被加热到稳定状态下，当气体接触器件表面而被吸附时，吸附分子首先在表面上自由地扩散(物理吸附)，失去其运动
能量，其间的一部分分子蒸发，残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸附)。这时，如果器件的功函数小于吸附分子的电子亲和力，则吸附分子将从器件夺取电子而变成负离子吸附。具有负离子吸附倾向的气体有O2和NO x，称为氧化型气体或电子接收性气体。如果器件的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而成为正离子吸附。具有这种正离子吸附倾向的气体有H2 、CO、碳氢化合物和酒类等，称为还原型气体或电子供给型气体。
当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，将使载流子减少，而使电阻增大。相反，当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，将使载流子增多，而使电阻下降。
三. SnO2 系列气敏器件
1. 主要特性
吸附性：
图5.4为气体接触到N型半导体时所产生的器件阻值变化。当这种半导体气敏传感器与气体接触时，其阻值发生变化的时间(称响应时间)不到1min。相应的N型材料有SnO2，ZnO，TiO2，W2O3等，P型材料有MoO2，CrO3等。空气中的氧成分大体上是恒定的，因而氧的吸附量也是恒定的，气敏器件的阻值大致保持不变。如果被测气体流入这种气氛中，器件表面将产生吸附作用，器件的阻值将随气体浓度而变化，从浓度与电阻值的变化关系即可得知气体的浓度。
灵敏度特性：
图5.5为SnO2气敏器件的灵敏度特性，它表示不同气体浓度下气敏器件的电阻值。实验证明SnO2中的添加物对其气敏效应有明显影响，如添加Pt(铂)或Pd(钯)可以提高其灵敏度和对气体的选择性。添加剂的成分和含量、器件的烧结温度和工作温度不同，都可以产生不同的气敏效应。例如在同一温度下，含1.5%(重量)Pd的元件，对CO最灵敏，而含0.2%(重量)Pd时，对CH4最灵敏；又如同一含量Pt的元件，在200℃以下，对CO最灵敏，而400℃以检测甲烷最佳。
●温湿度特性
SnO2气敏器件易受环境温度和湿度的影响，其电阻一温湿度特性如图5.6所示。图中RH为相对湿度，所以在使用时，通常需要加温湿度补偿。以提高仪器的检测精度和可靠性。
●初期恢复特性
除上述特性外，SnO2 气敏器件在不通电状态下存放一段时间后，再使用之前必须经过一段电老化时间，因在这段时间内，器件阻值要发生突然变化而后才趋于稳定。经过长时间存放的器件，在标定之前，一般需1～2周的老化时间。
2. 检测电路
SnO2气敏器件所用检测电路如图5.7所示。当所测气体浓度变化时，气敏器件的阻值发生变化，从而使输出发生变化。
四. 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敏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、空气净化器等已用于工厂、矿山、家庭、娱乐场所等。下面给出几个典型实例。
1 简易家用气体报警
图5.8是一种最简单的家用气体报警器电路，采用直热式气敏传感器TGS109，当室内可燃性气体浓度增加时，气敏器件接触到可燃性气体而电阻值降低，这样流经测试回路的电流增加，可直接驱动峰鸣器BZ报警。对于丙烷、丁烷、甲烷等气体，报警浓度一般选定在其爆炸下限的1/10，通过调整电阻来调节。
2 有害气体鉴别、报警与控制电路
图5.9给出的有害气体鉴别、报警与控制电路图，一方面可鉴别实
验中有无有害气体产生，鉴别液体是否有挥发性，另一方面可自动控制排风扇排气，使室内空气清新。MQS2B是旁热式烟雾、有害气体传感器，无有害气体时阻值较高(10kΩ左右)，有有害气体或烟雾进
入时阻值急剧下降，A、B两端电压下降，使得B的电压升高，经电阻R1和R P分压、R2限流加到开关集成电路TWH8778的选通端脚，当脚电压达到预定值时(调节可调电阻R P可改变5脚的电压预定值)，1、2两脚导通。+12V电压加到继电器上使其通电，触点J1-1吸合，合上排风扇电源开关自动排风。同时2脚+12V电压经R4限流和稳压二极管VZ1稳压后供给微音器HTD电压而发出嘀嘀声，而且发光二极管发出红光，实现声光报警的功能。
3 防止酒后开车控制器
图5.10为防止酒后开车控制器原理图。图中QM–J1为酒敏元件。若司机没喝酒，在驾驶室内合上开关S，此时气敏器件的阻值很高，U a为高电平，U1低电平，U3高电平，继电器K2线圈失电，其常闭触点K2-2闭合，发光二极管VD1通，发绿光，能点火启动发动机。
若司机酗酒，气敏器件的阻值急剧下降，使U a为低电平，U1高电平，
U3低电平，继电器K2线圈通电，K2-2常开触头闭合，发光二极管VD2 通，发红光，以示警告，同时常闭触点K2-1断开，无法启动发动机。若司机拔出气敏器件，继电器K1线圈失电，其常开触点K1-1断开，仍然无法启动发动机。常闭触点K1-2的作用是长期加热气敏器件，保证此控制器处于准备工作的状态。5G1555为集成定时器。
10.2 湿敏传感器
湿度的基本概念
湿度是指大气中的水蒸气含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种表示方法。绝对湿度是指在一定温度和压力条件下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，单位为g/m3，一般用符号AH表示；相对湿度是指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿
度之比，一般用符号%RH表示。相对湿度给出大气的潮湿程度，它是一个无量纲的量，在实际使用中多使用相对湿度这一概念。
1.定义
湿敏传感器是能够感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或
化学性质变化，将湿度转化成有用信号的器件。
湿度检测较之其他物理量的检测显得困难，这首先是因为空气中水蒸气含量要比空气少得多；另外，液态水会使一些高分子材料和电解质材料溶解，一部分水分子电离后与溶入水中的空气中的杂质结合成酸或碱，使湿敏材料不同程度地受到腐蚀和老化，从而丧失其原有的性质；再者，湿信息的传递必须靠水对湿敏器件直接接触来完成，因此湿敏器件只能直接暴露于待测环境中，不能密封。通常，对湿敏器件有下列要求：在各种气体环境下稳定性好、响应时间短、寿命长、有互换性、耐污染和受温度影响小等。微型化、集成化及廉价是湿敏器件的发展方向。湿度的检测已广泛应用于工业、农业、国防、科技和生活等各个领域，湿度不仅与工业产品质量有关，而且是环境条件的重要指标。
下面介绍一些现已发展比较成熟的几类湿敏传感器。
2. 半导体陶瓷湿敏电阻
通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷，这些材料有ZnO-LiO2-V2O5 系、Si-Na2O-V2O5 系、
TiO2-MgO-Cr2O3系和Fe3O4等，前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种材料的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷(以下简称半导瓷)。
1) 负特性湿敏半导瓷的导电原理
由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导瓷表面吸附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。如果
该半导瓷是P型半导体，则由于水分子吸附使表面电动势下降，将吸引更多的空穴到达其表面，于是，其表面层的电阻下降。若该半导瓷为N型，则由于水分子的附着使表面电动势下降，如果表面电动势下降较多，不仅使表面层的电子耗尽，同时吸引更多的空穴达到表面层，有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度，出现所谓表面反型层，这些空穴称为反型载流子。它们同样可以在表面迁移而表现出电导特性。因此，由于水分子的吸附，使N型半导瓷材料的表面电阻下降。由此可见，不论是N型还是P型半导瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降。图5.12给出了几种负特性半导瓷阻值与湿度的关系。
2)正特性湿敏半导瓷的导电原理
正特性材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不同。当水分子附着在半导瓷的表面使电动势变负时，导致其表面层电子浓度下降，但这还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度，此时仍以电子导电为主。于是，表面电阻将由于电子浓度下降而加大，这类
半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。如果对某一种半导瓷，它的晶粒间的电阻并不比晶粒内电阻大很多，那么表面层电阻的加大对总电阻并不起多大作用。不过，通常湿敏半导瓷材料都是多孔的，表面电导占比例很大，故表面层电阻的升高必将引起总电阻值的明显升高。但是由于晶体内部低阻支路仍然存在，正特性半导瓷的总电阻值的升高没有负特性材料的阻值下降那么明显。图5.13给出了Fe3O4正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线。从图5.13可以看出，当相对湿度从0%RH变化到100%RH时，负特性材料的阻值均下降3个数量级，而正特性材料的阻值只增大了约1倍。
3. 典型半导瓷湿敏元件
1) MgCr2O4-TiO2湿敏元件氧化镁复合氧化物二氧化钛湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿-电”转换器件，它是负特性半导瓷，MgCr2O4为P 型半导体，它的电阻率低，电阻-湿度特性好，结构如图5.14所示，在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的两面涂覆有多孔金电极，金电极与引出线烧结在一起。为了减少测量误差，在陶瓷片外设置由镍铬丝制成的加热线圈，以便对器件加热清洗，排除恶劣气氛对器件的污染。整个器件安装在陶瓷基片上，电极引线一般采用铂-铱合金。MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器的相对湿度与电阻值之间的关系如图5.15所示。传感器的电阻值既随所处环境的相对湿度的增加而减小，又随周围环境温度的变化而有所变化。
2)ZnO-Cr2O3湿敏元件
ZnO-Cr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料的金电极烧结在多孔陶瓷圆
片的两表面上，并焊上铂引线，然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中，用树脂固定，其结构如图5.16 所示。
4. 湿敏传感器的应用
1 湿度检测器
图5.18所示的是湿度检测器电路。由555时基电路、湿度传感器CH 等组成多谐振荡器，在振荡器的输出端接有电容器C2，它将多谐振荡器输出的方波信号变为三角波。当相对湿度变化时，湿度传感器
C H的电容量将随着改变，它将使多谐振荡器输出的频率及三角波的幅度都发生相应的变化，输出的信号经VD1，VD2整流和C4滤波后，可从电压表上直接读出与相对湿度相应的指数来。R p电位器用于仪器的调零。
2 高湿度显示器
图5.19是高湿度显示器电路。它能在环境相对湿度过高时作出显示，告知人们应采取图5.17 Fe3O4湿敏元件构造排湿措施了。湿度传感器采用SMOL-A型湿敏电阻，当环境的相对湿度在(20%～90%)RH变化时，它的电阻值在几十千欧到几百欧范围内改变。为防止湿敏电阻产生极化现象，采用变压器降压供给检测电路9V交流电压，湿敏电阻RH和电阻R1串联后接在它的两端。当环境湿度增大时，RH阻值减小，电阻R1两端电压会随之升高，这个电压经D1整流后加到由T1和T2组成的施密特电路中，使T1导通，T2截止，T3随之导通，发光二极管D4发光。高湿度显示电路可应用于蔬菜大棚、粮棉仓库、花卉温室、医院等对湿度要求比较严格的场合
气敏传感器是用来检测气体浓度和成分的传感器，它对于环境保护和安全监督方面起着极重要的作用。气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，由于检测现场温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，所以其工作条件较恶劣，而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物，附着在元件表面，往往会使其性能变差。所以对气敏传感器有下列要求：能够检测报警气体的允许浓度和其他标准数
值的气体浓度，能长期稳定工作，重复性好，响应速度快，共存物质所产生的影响小等。由于被测气体的种类繁多，性质各不相同，不可能用一种传感器来检测所有气体，所以气敏传感器的种类也有很多。近年来随着半导体材料和加工技术的迅速发展，实际使用最多的是半导体气敏传感器，这类传感器一般多用于气体的粗略鉴别和定性分析，具有结构简单、使用方便等优点。
半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体(主要是金属氧化物)表面接触时，产生的电导率等物性变化来检测气体。按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控制型。第一类，半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子授受，结果使半导体的电导率等物性发生变化，但内部化学组成不变；第二类，半导体与气体的反应，使半导体内部组成(晶格缺陷浓度)发生变化，而使电导率改变。按照半导体变化的物理特性，又可分电阻型和非电阻型两类。电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度；非电阻型半导体气敏元件是利用其他参数，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测被测气体。表5-1为半导体气敏元件的分类，SnO2(氧化锡)是目前应用最多的一种气敏元件。
湿敏传感器实验 一、实验目的：了解湿敏传感器的原理及特性。 二、基本原理：湿度是指空气中所含有的水蒸气量。空气的潮湿程度，一般多用相对湿度概念，即在一定温度下，空气中实际水蒸气压与饱和水蒸气压的比值(用百分比表示)，称为相对湿度(用RH表示)。其单位为％RH。湿敏传感器种类较多，根据水分子易于吸附在固体表面渗透到固体内部的这种特性（称水分子亲和力），湿敏传感器可以分为水分子亲和力型和非水分子亲和力型，本实验采用的是集成湿度传感器。该传感器的敏感元件采用的属水分子亲和力型中的高分子材料湿敏元件(湿敏电阻)。它的原理是采用具有感湿功能的高分子聚合物(高分子膜)涂敷在带有导电电极的陶瓷衬底上，导电机理为水分子的存在影响高分子膜内部导电离子的迁移率，形成阻抗随相对湿度变化成对数变化的敏感部件。由于湿敏元件阻抗随相对湿度变化成对数变化，一般应用时都经放大转换电路处理将对数变化转换成相应的线性电压信号输出以制成湿度传感器模块形式。湿敏传感器实物、原理框图如下图所示。当传感器的工作电源为+5V±5％时，湿度与传感器输出电压对应曲线如图所示。 湿敏传感器实物、原理框图
湿度—输出电压曲线 三、需用器件与单元：主机箱电压表、+5V直流稳压电源；湿敏传感器、湿敏座、潮湿小棉球(自备)、干燥剂(自备)。 四、实验步骤： 1、按下图示意接线(湿敏座中不放任何东西)，注意传感器的引线号码。 湿敏传器实验接线示意图 2、将电压表量程切换到20V档，检查接线无误后，合上主机箱电源开关，传感器通电先预热5分钟以上，待电压表显示稳定后即为环境湿度所对应的电压值(查湿度—输出电压曲线得环境湿度)。 3、往湿敏座中加入若干量干燥剂(不放干燥剂为环境湿度)，放上传感器，观察电压表显示值的变化。 1、倒出湿敏座中的干燥剂加入潮湿小棉球，放上传感器，等到电压表显示值稳定后记录显示值，查湿度—输出电压曲线得到相应湿度值。实验完毕，关闭所有电源。
2.3 气敏、湿敏电阻传感器 2.3.1气敏电阻 在现代社会的生产和生活中，人们往往会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。 1.气敏电阻的工作原理及其特性 气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变 化这一机理来进行检测的。人们发现某些氧化物半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有气敏效应。 以SnO2气敏元件为例，它是由0.1～10μm的晶体集合而成，这种晶体是作为N型半导 体而工作的。在正常情况下，是处于氧离子缺位的状态。当遇到离解能较小且易于失去电子 的可燃性气体分子时，电子从气体分子向半导体迁移，半导体的载流子浓度增加，因此电导 率增加。而对于P型半导体来说，它的晶格是阳离子缺位 状态，当遇到可燃性气体时其电导率则减小。 气敏电阻的温度特性如图2.26所示，图中纵坐标为 灵敏度，即由于电导率的变化所引起在负载上所得到的值 号电压。由曲线可以看出，SnO2在室温下虽能吸附气体， 但其电导率变化不大。但当温度增加后，电导率就发生较 大的变化，因此气敏元件在使用时需要加温。此外，在气 敏元件的材料中加入微量的铅、铂、金、银等元素以及一 些金属盐类催化剂可以获得低温时的灵敏度，也可增强对 图2.26 气敏电阻灵敏度与温度的关系气体种类的选择性。 2.常用的气敏电阻 气敏电阻根据加热的方式可分为直热式和旁热式两种，直热式消耗功率大，稳定性较差，故应用逐渐减少。旁热式性能稳定，消耗功率小，其结构上往往加有封压双层的不锈钢丝网 防爆，因此安全可靠，其应用面较广。 （1）氧化锌系气敏电阻 ZnO是属于N型金属氧化物半导体，也是一种应用较广泛的气敏器件。通过掺杂而获 得不同气体的选择性，如掺铂可对异丁烷、丙烷、乙烷等气体有较高的灵敏度，而掺钯则对氢、一氧化碳、甲烷，烟雾等有较高的灵敏度。ZnO气敏电阻的结构如图2.27所示。这种 气敏元件的结构特点是：在圆形基板上涂敷ZnO主体成分，当中加以隔膜层与催化剂分成 两层而制成。例如生活环境中的一氧化碳浓度达0.8～1.15 ml/L时，就会出现呼吸急促， 脉搏加快，甚至晕厥等状态，达1.84ml/L时则有在几分钟内死亡的危险，因此对一氧化碳 检测必须快而准。利用SnO2金属氧化物半导体气敏材料，通过对颗粒超微细化和掺杂工艺 制备SnO2纳米颗粒，并以此为基体掺杂一定催化剂，经适当烧结工艺进行表面修饰，制成 旁热式烧结型CO敏感元件，能够探测0.005%～0.5%范围的CO气体。
湿度传感器原理与应用知识 随着时代的发展，科研、农业、暖通、纺织、机房、航空航天、电力等工业部门，越来越需要采用湿度传感器，对产品质量的要求越业越高，对环境温、湿度的控制以及对工业材料水份值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一。湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业。如何使用好湿度传感器，如何判断湿度传感器的性能，这对一般用户来讲，仍是一件较为复杂的技术问题。 一、湿度传感器的分类 湿度传感器，基本形式都为利用湿敏材料对水分子的吸附能力或对水分子产生物理效应的方法测量湿度。有关湿度测量，早在16世纪就有记载。许多古老的测量方法，如干湿球温度计、毛发湿度计和露点计等至今仍被广泛采用。现代工业技术要求高精度、高可靠和连续地测量湿度，因而陆续出现了种类繁多的湿敏元件。 湿敏元件主要分为二大类：水分子亲和力型湿敏元件和非水分子亲和力型湿敏元件。利用水分子有较大的偶极矩，易于附着并渗透入固体表面的特性制成的湿敏元件称为水分子亲和力型湿敏元件。例如，利用水分子附着或浸入某些物质后，其电气性能（电阻值、介电常数等）发生变化的特性可制成电阻式湿敏元件、电容式湿敏元件；利用水分子附着后引起材料长度变化，可制成尺寸变化式湿敏元件，如毛发湿度计。金属氧化物是离子型结合物质，有较强的吸水性能，不仅有物理吸附，而且有化学吸附，可制成金属氧化物湿敏元件。这类元件在应用时附着或浸入被测的水蒸气分子，与材料发生化学反应生成氢氧化物，或一经浸入就有一部分残留在元件上而难以全部脱出，使重复使用时元件的特性不稳定，测量时有较大的滞后误差和较慢的反应速度。目前应用较多的均属于这类湿敏元件。另一类非亲和力型湿敏元件利用其与水分子接触产生的物理效应来测量湿度。例如，利用热力学方法测量的热敏电阻式湿度传感器，利用水蒸气能吸收某波长段的红外线的特性制成的红外线吸收式湿度传感器等。 1、电解质湿敏元件 利用潮解性盐类受潮后电阻发生变化制成的湿敏元件。最常用的是电解质氯化锂（LiCl）。从1938年顿蒙发明这种元件以来，在较长的使用实践
悬赏分：20 - 解决时间：2010-5-25 22:13 湿度传感器原理 提问者：YLQ - 二级 最佳答案 湿度传感器原理 湿度传感器 2009-04-29 20:50:36 阅读991 评论0 字号：大中小 湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。 湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。 湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。 电子式湿敏传感器的准确度可达2-3%RH，这比干湿球测湿精度高。 湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。这方面没有干湿球测湿方法好。下面对各种湿度传感器进行简单的介绍。 1、氯化锂湿度传感器 （1）电阻式氯化锂湿度计 第一个基于电阻-湿度特性原理的氯化锂电湿敏元件是美国标准局的研制出来的。这种元件具有较高的精度，同时结构简单、价廉，适用于常温常湿的测控等一系列优点。 氯化锂元件的测量范围与湿敏层的氯化锂浓度及其它成分有关。单个元件的有效感湿范围一般在20％RH 以内。例如％的浓度对应的感湿范围约为（80～100）％RH ，％的浓度对应范围是（60～80）％RH 等。由此可见，要测量较宽的湿度范围时，必须把不同浓度的元件组合在一起使用。可用于全量程测量的湿度计组合的元件数一般为5个，采用元件组合法的氯化锂湿度计可测范围通常为（15～100）％RH，国外有些产品声称其测量范围可达（2 ～100）%RH 。 （2）露点式氯化锂湿度计 露点式氯化锂湿度计是由美国的 Forboro 公司首先研制出来的，其后我国和许多国家都做了大量的研究工作。这种湿度计和上述电阻式氯化锂湿度计形式相似，但工作原理却完全不同。简而言之，它是利用氯化锂饱和水溶液的饱和水汽压随温度变化而进行工作的。 2、碳湿敏元件 碳湿敏元件是美国的和于1942年首先提出来的，与常用的毛发、肠衣和氯化锂等探空元件相比，碳湿敏元件具有响应速度快、重复性好、无冲蚀效应和滞后环窄等优点，因之令人瞩目。我国气象部门于70年代初开展碳湿敏元件的研制，并取得了积极的成果，其测量不确定度不超过±5％RH ，时间常数在正温时为2～3s，滞差一般在7％左右，比阻稳定性亦较好。 3、氧化铝湿度计
湿敏传感器 一、湿度的表示方法 定义：湿度是指大气中所含的水蒸气量，常用绝对湿度和相对湿度表示。 1、绝对湿度 绝对湿度表示单位体积空气里所含水蒸气的质量。 定义式为 M v V ρ= 式中，M v —待测空气的水蒸气的质量； V —待测空气的体积； ρ—待测空气的绝对湿度，单位为3/g m 或3/mg m 。 2、相对湿度 相对湿度表示空气中所含水蒸气分压和相同温度下的饱和水蒸气分压的百分比，是一个无量纲的值，常用%RH 表示（RH 为相对湿度）。 即 P v =()100%RH P w ?相对湿度 式中，P v —空气温度为t C ?时空气水蒸气分压； P w —空气温度为t C ?时饱和水蒸气分压。 二、湿敏传感器特性参数 湿敏传感器将湿度转换为与其成一定比例关系的电量输出，其特性参数主要有湿度量程、感湿特征量、灵敏度、湿度、温度系数、响应时间、湿滞回差等。 1、湿度量程 在规定的精度内能够测量的最大范围，成为湿度量程。由于各种湿敏传感器的敏感元件所使用的功能材料不同，以及所依据的物理效应或化学反应不同，导致不是所有的敏感元件都能在整个相对湿度范围内（0100%RH ）具有可用的湿度敏感特性。某些湿度敏感元件就只能适用于某一段相对湿度范围，因此有时需要使用多片组合。 2、感湿特性 感湿特性表示湿敏传感器的感湿特征量（电阻）随被测相对湿度变化的规律。一般可从感湿特性曲线上确定湿敏传感器的灵敏度及最佳使用范围。性能良好的市民传感器感湿特曲线，应当在整个相对湿度范围内连续变化，其斜率保持不变， 3、灵敏度 灵敏度是指湿敏传感器输出增量与输入增量之比，它反映被测湿度作单位变化时所引起感湿特征量的变化程度。因此，它对应干事特征曲线的斜率。但是，一般湿敏传感器的特性是非线性的，即在不同的被测湿度下，传感器的灵敏度是不同的。 4、湿度温度系数 湿敏传感器的湿度温度系数是表示感湿特性曲线随环境温度变化而改变的特性参数。在
福建交通职业技术学院(教案)首页 班级： 09计控1、2班日期：2011年4月28日编号：10-1
课程：传感器原理及应用 10～11学年第_2_学期第 10 周 4 月 28日 教学内容备注 复习上节课内容： 一、气敏传感器 1、常见的气敏元件 见P30，表2-4。 气敏传感器是一种能将气体中的特定成分（浓度）检测出来，并将它转换成电信号的器件。气敏传感器一般用于环境监测和工业过程检测， 2、酒精气敏元件MQ-3 反复接通和断开S，分别测量元件A、B之间的电阻值变化；再在S接通的情况下，将内盛酒精的小瓶瓶口靠近传感器，观察电阻值的变化。 无酒精气体时：20MΩ高阻，有酒精气体时：0.5MΩ-1MΩ。 3、天然气报警器
课程：传感器原理及应用 10～11学年第_2_学期第 10 周 4 月 28日 教学内容备注 气敏传感器TGS109在空气中的电阻较大、电流较小、蜂鸣器不发声；当室内天然气浓度约为1%时，它的电阻较低，流经电路的电流较大（此时电流方向如图中箭头所示），可直接驱动蜂鸣器报警。 4、家用煤气报警器 由4部分组成： 稳压电源 煤气检测电路 振荡电路 报警输出电路 二、湿敏传感器 1、湿度的概念 见P35，绝对湿度、相对湿度、露点温度。 传感器一般有两类：电阻式湿敏传感器和电容式湿敏传感器。 2、湿敏电阻 湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。
课程：传感器原理及应用 10～11学年第_2_学期第 10 周 4 月 28日 教学内容备注 3、湿度报警器 功能：将婴儿尿湿报警器放在婴儿尿布下面，当婴儿撒尿时，能从喇叭里传出动听的音乐声，提醒妈妈快给婴儿换尿布。 报警器原理： 电路由三个单元电路所组成: (1)由湿敏传感器SM与VT1组成电子开关电路； (2)由555时基集成电路和阻容元件组成延时电路； (3)IC2为软封装音乐集成电路。 报警器所用元件比较少，制作简单，性能可靠，可用通用印制板进行焊接。外壳可选用成品音乐门铃进行改制，湿敏传感器则需自制，建议制作两个以上，交替使用，增加可靠性。 三极管VT1的基极与电源负极用导线与直径3.5CM的插座相连，将插座固定在音乐门铃外壳上。使用时将湿敏传感器的插头插入孔内即可。
湿敏传感器特点及应用 作者 704 班级 电科1401 学号 c7 在国家经济发展越来越快速的时代中，人们生活质量明显提高，对环境的温度与湿度标准越来越关注与重视。随之，我国相关部门针对温度测量以及湿度测量更进一步研究，并结合多次试验研发出新型的湿度传感器，并已经被广泛应用于各领域中。由于环境湿度参数测量难度较高，要想达到一定的精标准要求，必须要做到合理湿度控制。本文对湿度表示方法进行了一定的概括和总结，指出不同湿度测量方式各自的优缺点。并对电阻式湿敏传感器，陶瓷湿敏传感器，电容式湿敏传感器进行了论述，以说明其各自的特性，让使用者可以更加准确的使用湿敏传感器。 2016年3月，根据Narimani 和Nayeri 在关于传感器和执行机构的文献中描述，基于氧化锌纳米材料的电容式湿度传感器在高温高湿条件下取得较为稳定和快速的湿度检测效果[1]。2016年6月，根据Guo 在关于传感器和材料科学的文献中描述，以石墨烯氧化物为原材料的电容式湿度传感器在恒温密闭仓储环境中取得较为稳定和灵敏的湿度检测效果[2]。本文在上述研究的基础上，针对人体所处的普通室内环境，利用直流电源、可变电阻、湿敏电容和时基电路等器件设计通用小型高精度湿度传感器系统，并在通风环境下（T=25℃），对室内湿度变化进行快速和高精度的检测，从而达到有效调节室内温湿度的控制目的。 章丹等人[3]2017年提出了一种新型柔性电容式湿度传感器。该柔性电容式湿度传感器采用液晶高分子聚合物(LCP )作为衬底,金属铜(Cu )作为叉指电极,聚酰亚胺(PI )作为湿度传感器的湿敏介质。LCP 衬底的应用使得该传感器具有良好的柔性和可弯曲性。该柔性湿度传感器与传统硅基湿度传感器相比较具有成本低廉、结构简单、制作方便等优点。最后说明HS1101湿度传感器[4]在实际生活中的使用方法，并分析它的工作原理，最终绘出工作电路。 1 湿度及其表示 湿度是表示空气中水蒸气的含量的物理量，常用绝对湿度、相对湿度、露点等表示。 1.绝对湿度 所谓绝对湿度就是单位体积空气内所含水蒸气的质量，也就是指空气中水蒸气的密度。一般用一立方米空气中所含水蒸气的克数表示，即为 /V Ha m V (1) 式中，m V 为待测空气中水蒸气质量，V 为待测空气的总体积。单位为g/m 3。
实验三十七湿敏传感器实验 一、实验目的：了解湿敏传感器的原理及特性。 二、基本原理：湿度是指空气中所含有的水蒸气量。空气的潮湿程度，一般多用相对湿度概念，即在一定温度下，空气中实际水蒸气压与饱和水蒸气压的比值(用百分比表示)，称为相对湿度(用RH表示)。其单位为％RH。湿敏传感器种类较多，根据水分子易于吸附在固体表面渗透到固体内部的这种特性（称水分子亲和力），湿敏传感器可以分为水分子亲和力型和非水分子亲和力型，本实验采用的是集成湿度传感器。该传感器的敏感元件采用的属水分子亲和力型中的高分子材料湿敏元件(湿敏电阻)。它的原理是采用具有感湿功能的高分子聚合物(高分子膜)涂敷在带有导电电极的陶瓷衬底上，导电机理为水分子的存在影响高分子膜内部导电离子的迁移率，形成阻抗随相对湿度变化成对数变化的敏感部件。由于湿敏元件阻抗随相对湿度变化成对数变化，一般应用时都经放大转换电路处理将对数变化转换成相应的线性电压信号输出以制成湿度传感器模块形式。湿敏传感器实物、原理框图如图37—1所示。当传感器的工作电源为+5V±5％时，湿度与传感器输出电压对应曲线如图37—2所示。 图37—1湿敏传感器实物、原理框图
图37—2 湿度—输出电压曲线 三、需用器件与单元：主机箱电压表、+5V直流稳压电源；湿敏传感器、湿敏座、潮湿小棉球(自备)、干燥剂(自备)。 四、实验步骤： 1、按图37—3示意接线(湿敏座中不放任何东西)，注意传感器的引线号码。 图37—3 湿敏传器实验接线示意图 2、将电压表量程切换到20V档，检查接线无误后，合上主机箱电源开关，传感器通电先预热5分钟以上，待电压表显示稳定后即为环境湿度所对应的电压值(查湿度—输出电压曲线得环境湿度)。 3、往湿敏座中加入若干量干燥剂(不放干燥剂为环境湿度)，放上传感器，观察电压表显示值的变化。 1、倒出湿敏座中的干燥剂加入潮湿小棉球，放上传感器，等到电压表显示值稳定后记录显示值，查湿度—输出电压曲线得到相应湿度值。实验完毕，关闭所有电源。
实验五气敏传感器实验 实验目的：了解气敏传感器的原理与应用。 所需单元：直流稳压电源、差动放大器、电桥、F/V表、MQ3气敏传感器、主、副电源。 旋钮初始位置：直流稳压电源±4V档、F/V表置2V档、差动放大器增益置最小、电桥单元中的W1逆时针旋到底、主、副电源关闭。 实验步骤：1.仔细阅读后面附上的“使用说明”，差动放大器的输入端(+)、(-) 与地短接，开启主、副电源，将差动放大器输出调零。 2．关闭主、副电源，按图4接线。 图 4 3．开启主、副电源，预热约5分钟，用浸有酒精的棉球靠近传感器，并轻轻吹气使酒精挥发并进入传感器金属网内，同时观察电压表的数值变化，此时电压读数。 它反映了传感器AB两端间的电阻随着发生了变化。说明MQ3检测到了 酒精气体的存在与否，如果电压表变化不够明显，可适当调大“差动放大器”增益。 思考题：如果需做成一个酒精气体报警器，你认为还需采取哪些手段？ 提示：1.需进行浓度标定； 2.在电路上还需增加……。
附：MQ系列气敏元件使用说明 一、特点 1．具有很高的灵敏度和良好的选择性。 2．具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。 二、结构、外形、元件符合 1．MQ系列气敏元件的结构和外形如图4A所示，由微型AL203陶瓷管、SN02敏感层、测量电 极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢网的腔体内，加热器为气敏元件的工作提供了 必要的工作条件。 2．好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个脚用于信号取出，2个脚用于提供加热电流。 图4A 三、性能 1．标准回路：如图4B所示，MQ气敏元件的标准测试问路由两部分组成。其一为加热回路。其二为信号输出回路，它可以准确反映传感器表面电阻的变化。 图4B 2．传感器的表面电阻Rs的变化，是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号Vrl输出而获得的。二者之间的关系表述为RS/RL=(VC-VRL)/VRL3。
湿敏传感器综述 摘要：湿度检测在社会生活与生产中占有重要的地位，湿度传感器已经深入到生产的各个方面，确保工业生产能够顺利进行。本文对湿度表示方法进行了一定的概括和总结，指出不同湿度测量方式各自的优缺点。并对电阻式湿敏传感器，陶瓷湿敏传感器，电容式湿敏传感器进行了论述，以说明其各自的特性，让使用者可以更加准确的使用湿敏传感器。最后说明hs1101湿度传感器在实际生活中的使用方法，并分析它的工作原理，最终绘出工作电路。关键词：湿度；湿敏传感器；湿度检测 引言：湿敏传感器是由湿敏元件和转换电路等组成，利用物质的物理效应和化学效应对气体中的水分进行检测的器件。随着社会对湿度检测和控制的要求不断增加，湿敏传感器在社会工业中占有重要的地位。相对湿度与环境关系也很大，随着人们生活水平的提高，人们对湿度的要求越来越高，所以有必要开发优质的湿度传感器。然而空气中水分子的含量很少，并且与水分子有关的问题无论在化学上还是在物理上都很复杂，所以湿度的测量比较困难。 从湿度传感器的发展史看，由电解质到有机物再到金属及氧化物半导体玻璃陶瓷、高分子化合物。从湿度传感器问世以来，每年都有不同类型的湿度传感器出现，其中主要以电阻式为主，其次是有机高分子材料，近年来半导体二极管及MOSFET式、石英振子式、表面波式光纤式等新型传感器也不断涌现。 1 湿度及其表示 湿度是表示空气中水蒸气的含量的物理量，常用绝对湿度、相对湿度、露点等表示。 1.绝对湿度 所谓绝对湿度就是单位体积空气内所含水蒸气的质量，也就是指空气中水蒸气的密度。一般用一立方米空气中所含水蒸气的克数表示，即为 Ha=m / V V 为待测空气中水蒸气质量，V 为待测空气的总体积。单位为g / m3 。 式中，m V 2.相对湿度 相对湿度是表示空气中实际所含水蒸气的分压（Pw ）和同温度下饱和水蒸气的分压（PN ）的百分比，即 HT=（Pw / PN ) Tx100 % RH 通常，用RH ％表示相对湿度。当温度和压力变化时，因饱和水蒸气变化，所以气体中的水蒸气压即使相同，其相对湿度也发生变化。日常生活中所说的空气湿度，实际上就是指相对湿度而言。目前应用最多的是相对湿度。 3.露点温度 温度高的气体，含水蒸气越多。若将其气体冷却，即使其中所含水蒸气量不变，相对湿度将逐渐增加，增到某一个温度时，相对湿度达100% ，呈饱和状态，再冷却时，蒸气的一部分凝聚生成露，把这个温度称为露点温度。即空气在气压不变下为了使其所含水蒸气达饱和状态时所必须冷却到的温度称为露点温度。气温和露点的差越小，表示空气越接近饱和。 2 湿度的测量方式
一、气敏电阻传感器 气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器，它的传感元件是气敏电阻。气敏电阻形式繁多，可以检测各种特定对象的气体，如各种还原性气体。 1．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，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、 氢气等。 【举例】各种可燃性气体传感器 如，酒精传感器、煤气报警器、液化气报警器、一氧化碳传感器、甲烷传感器等。2．二氧化钛氧浓度传感器 半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，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，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。 TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路介绍 【举例】氧浓度传感器可用于汽车尾气测量 气敏半导体的灵敏度较高，它较适用于气体的微量检漏、浓度检测或超限报警。 二、湿敏电阻传感器 湿度包括：绝对湿度和相对湿度，湿度对电子元件的影响很大。 检测湿度的手段很多，如毛发湿度计、干湿球湿度计、石英振动式湿度计、微波湿度计、电容湿度计、电阻湿度计等，本节介绍陶瓷湿敏电阻式湿度传感器。图2－19是陶瓷湿敏电阻传感器的结构、外形及测量转换电路框图，它主要用于测量空气的相对湿度。 新型传感器包括气敏传感器、湿敏传感器、微传感器、光栅传感器、光电式传感器、光纤传感器、集成化智能传感器等。本章分别介绍了这些新型传感器概念、工作原理、性能参数、应用领域等相关问题。
第10章气敏、湿敏传感器 本章主要内容 10.1 气敏传感器 一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类 1. 定义 2. 结构：半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳。 3. 分类：按其制造工艺，分为烧结型、薄膜型和厚膜型；按加热方式不同，可分为直热式和旁热式两种气敏器件。 二. 半导体气敏材料的气敏机理 三. SnO2 系列气敏器件 1. 主要特性 2. 检测电路 四. 气敏传感器的应用 1 简易家用气体报警 2 有害气体鉴别、报警与控制电路 3 防止酒后开车控制器 10.2 湿敏传感器 一．半导体陶瓷湿敏电阻 1. 负特性湿敏半导瓷的导电原理 2 正特性湿敏半导瓷的导电原理 二. 典型半导瓷湿敏元件
2.3 气敏、湿敏电阻传感器 2.3.1 气敏电阻 在现代社会的生产和生活中， 人们往往会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。 1.气敏电阻的工作原理及其特性 气敏电阻是一种半导体敏感器件， 它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变 化这一机理来进行检测的。人们发现某些氧化物半导体材料如 SnO 2、ZnO 、Fe 2O 3、MgO 、 NiO 、 BaTiO 3等都具有气敏效应。 以 SnO 2 气敏元件为例， 它是由 0.1 ～10μ m 的晶体集合而成， 这种晶体是作为 N 型半导 体而工作的。 在正常情况下， 是处于氧离子缺位的状态。 的可 燃性气体分子时， 电子从气体分子向半导体迁移， 率增加。而对于 P 型半导体来说，它的晶格是阳离子缺位 状 态，当遇到可燃性气体时其电导率则减小。 气敏电阻的温度特性如图 2.26 所示，图中纵坐标为 灵敏度， 即由于电导率的变化所引起在负载上所得到的值 号电压。由曲线可以 看出， SnO 2 在室温下虽能吸附气体， 但其电导率变化不大。但当温 度增加后，电导率就发生较 大的变化，因此气敏元件在使用时需要加 温。此外，在气 敏元件的材料中加入微量的铅、铂、金、银等元素以 及一 些金属盐类催化剂可以获得低温时的灵敏度， 也可增强对 气体 种类的选择性。 2.常用的气敏电阻 气敏电阻根据加热的方式可分为直热式和旁热式两种， 直热式消耗功率大， 稳定性较差， 故应用逐渐 减少。 旁热式性能稳定， 消耗功率小， 其结构上往往加有封压双层的不锈钢丝网 防爆，因此安全可靠，其应用面较广。 （ 1）氧化锌系气敏电阻 ZnO 是属于 N 型金属氧化物半导体，也是一种应用较广泛的气敏器件。通过掺杂而获 得不同气体的选 择性，如掺铂可对异丁烷、丙烷、 乙烷等气体有较高的灵敏度，而掺钯则对 氢、一氧化碳、甲烷，烟雾等有较高的灵敏度。 ZnO 气敏电阻的结构如图 2.27 所示。这种 气敏元件的结构特点是：在圆形基板上涂敷 ZnO 主体成分，当中加以隔膜层与催化剂分成 两层而制成。例如生活环境中的一氧化碳浓度达 0.8 ～1.15 ml/L 时，就会出现呼吸急促， 脉搏加快，甚至晕厥等状态，达 1.84ml/L 时则有在几分钟内死亡的危险，因此对一氧化碳 检测必须快而 准。 利用 SnO 2 金属氧化物半导体气敏材料， 通过对颗粒超微细化和掺杂工艺 制备 SnO 2 纳米颗粒，并以此为基体掺杂一定催化剂，经适当烧结工艺进行表面修饰，制成 旁热式烧结型 CO 敏感元件，能够探测 0.005%～ 0.5%范围的 CO 气体。 当遇到离解能较小且易于失去电子 半导体的载流子浓度增加， 因此电导 图 2.26 气敏电阻灵敏度与温度的关 系
第七章 光电式传感器 10. 解：线阵CCD 器件的像素间距为 28.672 mm / 2048 = 14 μm 工件直径是 M np D =14 μm × 924/3 = 4312 μm=4.312 mm
第八章热电及红外辐射传感器 7． 解：由题意，温度为t1=30℃时热电偶输出为 E(t, t1)=25 mV 根据中间温度定律，以参考温度t0=0℃为基础时的热电偶输出为 E(t,t0)= E(t, t1)+ E(t1,t0)= 25+30× 0.04=26.2 mV 所以，热电偶的热端温度，即炉子的实际温度是 t=26.2/0.04= 655 ℃ 9. 答：热电阻采用三线制或四线制，主要是为了消除引线误差，即补偿导线电阻。三线制组成桥式电路可以较好地消除引线电阻影响；四线制中两线为热电阻提供恒流源，另两线测试未知电阻压降。在电压表输入阻抗足够高的条件下，电流几乎不流过电压表，即可十分精确地测量未知电阻上的压降，再计算得到电阻值。 10. 答：测量标准铂电阻温度计的电阻值时，不论采用什么方法，都会有电流通过温度计。该电流将在热电阻和引线上产生焦耳热，此热效应将使热电阻自身的温度升高，引起测量误差。为使这种现象对测量的影响不超过一定的限度和规范，规定其工作电流为1mA。
第九章 数字式传感器 8. 解：1）栅线密度为1/0.02=50线/mm 2）条纹间距B=W/θ=0.02/0.01=2mm 3）设光栅移动速度为v ，当移动一条栅线的时间≥光敏二极管的响应时间10-6 s 时，能保证二极管能正常反应采样，所以最大允许速度为 =2×104 mm/s=20 m/s 9． 解： α=360?/N=360?/210=0.35? 10． 解： Δα=α·n=360?/N ·n=360?/5000?200=14.4? s mm v 61050 1-=
《传感器技术》习题答案 目录 第一章传感器的基本概念及一般特性 (1) 第二章电阻式传感器 (3) 第三章电容式传感器 (5) 第四章电感式传感器 (6) 第五章磁电式传感器 (8) 第六章压电式传感器 (9) 第七章光电式传感器 (12) 第八章热电及红外辐射传感器 (13) 第九章数字式传感器 (14) 第十章气敏和湿敏传感器 (15) 第十三章传感器的标定与校准 (19)
第一章 传感器的基本概念及一般特性 4. 解：对于一阶传感器，其幅频特性为 2 1j ) ()()(ωτωω+= =k H A 要求幅值误差不超过5%，即 a (j )115% H X k ω=- =≤ 因为ω=2πf=200π，带入解得0≤τ≤5.23×10-4 s = 523 μs 5. 解：一阶传感器，其微分方程为 )()() (t x b t y a dt t dy a 001 =+ 对照题目所给微分方程可见：a 1=1，a 0=3，b 0=0.15。 静态灵敏度00a b k =；时间常数01a a =τ。于是可求得 ∴ τ=a 1/a 0=1/3=0.33 （s ） k=b 0/a 0=0.15/3=0.05 (mV/ o C ) 6. / （）/
由()k ω= ()k k ω= 令00 f x f ωωτω= == （1） 当 () 0.97k k ω=时 421.960.0630x x --= 解得，2 3 1.99x =（舍去负值），即 3 1.41x =（舍去负值） 301.4128.28f f kHz ∴== （2） 当 () 1.03k k ω=时， 42 1.960.05740x x -+= 解得，211.39()0.172x x ==舍去负值， （舍去负值） 110 3.44f x f kHz ∴== 22027.8f x f kHz == 所以，工作频率为0~3.44kHz ，27.8~28.28kHz 。但由于27.8~28.28kHz 距离0f 太近，易引起共振，工程上一般不予采用，故最终的工作频率范围为0~3.44kHz 。