传感器原理和应用课程讲稿

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1、传感器原理与应用课程讲稿授课题目（教学章、节或主题）：第十章新型传感器授课方式（请打√）理论课R讨论课□实验课□习题课□其他□课时安排2教学要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：了解气敏传感器、湿度传感器工作原理。教学重点、难点及关键知识点：重点：气敏传感器、湿度传感器基本类型。难点：气敏传感器、湿度传感器工作原理。方法及手段板书与多媒体相结合教学基本内容（教学过程）改进设想第10章新型传感器第一节气敏传感器一、接触燃烧式气体传感器1、检测原理可燃性气体(H2、CO、CH4等)与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热(无焰接触燃烧热)，使得作为敏感材料的铂丝

2、温度升高，电阻值相应增大。可燃性气体燃烧，其发热量与可燃性气体的浓度有关。空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应(燃烧)产生的反应热量(燃烧热)愈多，铂丝的温度变化(增高)愈大，其电阻值增加的就越多。因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值(ΔR)，就可检测空气中可燃性气体的浓度。AF2F1MR1R2CBDW2W1E0F1是检测元件；F2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、电源电压变化等因素所引起的偏差。工作时，要求在F1和F2上保持100mA～200mA的电流通过，以供可燃性气体在检测元件F1上发生氧化反应(接触燃烧)所需要的热量。当检

3、测元件F1与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用(燃烧)，释放出热量，使得检测元件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不再平衡，在A、B间产生电位差E。2、接触燃烧式气敏元件的结构传感器原理与应用课程讲稿触媒Al2O3载体Pt丝元件(0.8-2)mm二、半导体气体传感器气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率)发生变化。目前流行的定性模型是：原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。烧结型SnO2气敏元件SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型应用最广泛性。其敏感体用

4、粒径很小(平均粒径≤１μm)的SnO2粉体为基本材料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为原料。主要用于检测可燃的还原性气体，其工作温度约300℃。根据加热方式，分为直接加热式和旁热式两种。（1）直接加热式SnO2气敏元件(直热式气敏元件)由芯片(敏感体和加热器)，基座和金属防爆网罩三部分组成。因其热容量小、稳定性差，测量电路与加热电路间易相互干扰，加热器与SnO2基体间由于热膨胀系数的差异而导致接触不良，造成元件的失效，现已很少使用。（2）旁热式SnO2气敏元件加热丝放置在陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量电极，在金属电极上涂有SnO2等材料。三、氧化锆氧

5、气传感器在固体电解质中，作为载流子传导电流的主要是离子。二氧化锆（ZrO2）在高温下(但尚远未达到熔融的温度)具有氧离子传导性。纯净的二氧化锆在常温下属于单斜晶系，随着温度的升高，发生相转变。在1100℃下，为正方晶系，2500℃下，为立方晶系，2700℃下熔融，在熔融二氧化锆中添加氧化钙、三氧化二钇、氧化镁等杂质后，成为稳定的正方晶型，具有莹石结构，称为稳定化二氧化锆。并且由于杂质的加入，在二氧化锆晶格中产生氧空位，其浓度随杂质的种类和添加量而改变，其离子电导性也随杂质的种类和数量而变化。四、气体传感器应用传感器原理与应用课程讲稿第二节湿敏传感器湿度传感器

6、依据使用材料分类：电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小。陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极,通过浸渍或涂覆,使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜。有机高分子的材料种类也很多,工作原理也各不相同。单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成。制成二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。一、电解质湿度传感器电

7、解质是以离子形式导电的物质，分为固体电解质和液体电解质。若物质溶于水中，在极性水分子作用下，能全部或部分地离解为自由移动的正、负离子，称为液体电解质。电解质溶液的电导率与溶液的浓度有关，而溶液的浓度，在一定的温度下又是环境相对湿度的函数。电解质导电机理：电阻值随环境湿度变化而变化。二、陶瓷湿度传感器典型产品是烧结型陶瓷湿敏元件是MgCr2O4－TiO2系。此外，还有TiO2-V2O5系、ZnO－Li2O－V2O5系、ZnCr2O4系、ZrO2－MgO传感器原理与应用课程讲稿系、Fe3O4系、Ta2O5系等。这类湿度传感器的感湿特征量大多数为电阻。除Fe3O4

8、外，都为负特性湿度传感器，即随着环境相对湿度的增加，