第十章常用傳感器的應用

可燃性氣體報警壓力測量液位測量流量測量溫度測量氣體成分分析2/4/20231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），它直接響應被測工藝變量，并輸出一個對應關系的信號。對于檢測儀表來說，檢測、變送與顯示是三個獨立部分，也可以只用其中兩個部分。當然檢測、變送與顯示也可以有機地結合為一體。對檢測儀表有以下三條基本要求：1、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；2、在環(huán)境條件下能長期工作，保證測量值的可靠性；3、測量值必須迅速反映被控變量的變化，即動態(tài)響應比較迅速。2/4/20232第一節(jié)可燃性氣體報警器可燃性氣體報警器由傳感器和報警器二部分組成。傳感器是連續(xù)測定設備四周空氣中可燃性氣體額體積百分含量，轉換成電信號，傳送到報警器發(fā)出報警信號。可燃性氣體傳感器有兩種形式：一種是半導體氣敏傳感器，另一種是催化反應熱式傳感器。2/4/20233

半導體氣敏傳感器由于具有靈敏度高、響應時間和恢復時間快、使用壽命長以及成本低等優(yōu)點，從而得到了廣泛的應用。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給出了半導體氣敏傳感器的應用舉例。

2/4/20234表10-1氣敏傳感器主要檢測對象及應用場所2/4/20235報警器的顯示值是采用國際標準，以％LEL為計量單位。其意義是以可燃氣體的爆炸下限濃度為100％，儀器檢測出來的可燃氣體濃度值折算成％LEL顯示出來。例如，丙稀氣體，它的爆炸下限濃度為2.4％，則顯示值100％LEL表示空氣中含有丙稀的濃度為2.4％，達到爆炸下限濃度，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％。一般情況下，預警設定點應設置在20％LEL或40％LEL處，也可以根據(jù)情況自行設定，但不得大于60％LEL。2/4/20236

氣體敏感元件，大多是以金屬氧化物半導體為基礎材料。當被測氣體在該半導體表面吸附后，引起其電學特性(例如電導率)發(fā)生變化。氣敏傳感器氣敏元件的工作原理十分復雜，有不同的解釋模型。目前流行的定性模型是：原子價控制模型、表面電荷層模型、晶粒間界勢壘模型。一、半導體氣體傳感器2/4/20237（一）工作原理半導體氣敏傳感器的結構如右圖所示。一組為工作電極，另一組為加熱電極兼工作電極。2/4/20238

半導體氣敏傳感器是利用氣體在半導體表面的氧化和還原反應導致敏感元件阻值變化而制成的。當半導體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導體表面而被吸附時，被吸附的分子首先在表面物性自由擴散，失去運動能量，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（化學吸附）。2/4/20239

當半導體的功函數(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離子吸附，半導體表面呈現(xiàn)電荷層。例如氧氣等具有負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。具有正離子吸附傾向的氣體有H2、CO、碳氫化合物和醇類，它們被稱為還原型氣體或電子供給性氣體。

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當氧化型氣體吸附到N型半導體上，還原型氣體吸附到P型半導體上時，將使半導體載流子減少，而使電阻值增大。當還原型氣體吸附到N型半導體上，氧化型氣體吸附到P型半導體上時，則載流子增多，使半導體電阻值下降。圖10-3表示了氣體接觸N型半導體時所產(chǎn)生的器件阻值變化情況。2/4/202311圖10-3N型半導體吸附氣體時器件阻值變化圖2/4/202312

由于空氣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。半導體氣敏時間(響應時間)一般不超過1min。N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。2/4/202313氣敏元件工作時必須加熱，其目的是：加速被測氣體的吸附、脫出過程；燒去氣敏元件的油垢或污垢物，起清洗作用；控制不同的加熱溫度能對不同的被測氣體具有選擇作用。加熱溫度與元件輸出的靈敏度有關。如右圖所示。2/4/202314氣敏元件一般工作在200～400℃的高溫。為氣敏元件提供必要工作溫度的加熱電路的電阻(指加熱器的電阻值)稱為加熱電阻，用RH表示。直熱式的加熱電阻值一般小于5Ω；旁熱式的加熱電阻大于20Ω。氣敏元件正常工作所需的加熱電路功率，稱為加熱功率，用ＰＨ表示。一般在(0.5～2.0)W范圍。2/4/202315（二）應用1、自動排風扇控制器2/4/202316

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構及符號如下圖所示。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型和日本費加羅TGS＃109型氣敏傳感器均屬此類結構。2/4/202317直熱式氣敏器件結構及符號1234SnO2燒結體加熱極兼電極(a)結構4321(b)符號2/4/202318

旁熱式氣敏器件的結構及符號如下圖所示，它的特點是將加熱絲放置在一個陶瓷管內，管外涂梳狀金電極作測量極，在金電極外涂上SnO2等材料。旁熱式結構的氣敏傳感器克服了直熱式結構的缺點，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，所以這類結構器件的穩(wěn)定性、可靠性都較直熱式器件好，國產(chǎn)QM-N5型和日本費加羅TGS＃812、813型等氣敏傳感器都采用這種結構。

2/4/202319（2）旁熱式SnO2氣敏元件加熱器電阻值一般為30Ω～40Ω電極加熱器瓷絕緣管旁熱式氣敏器件結構及符號SnO2燒結體123456（a）結構（b）符號7100目不銹鋼網(wǎng)?18.4?123123456745°45°氣敏元件外形和引出線分布2/4/202320傳感器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。傳感器負載電阻由R2及R3組成（更換R3大小，可調節(jié)控制信號與待測氣體的濃度的關系）。R4、VD6、C2及IC1組成開機延時電路，調整使其延時為60s左右（防止初始穩(wěn)定狀態(tài)誤動作）。2/4/202321當達到報警濃度時，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導通或截止交替出現(xiàn)，則LED（紅色）產(chǎn)生閃光報警信號。LED（綠色）為工作指示燈。2/4/2023222、簡易酒精測試儀右圖為簡易酒精測試儀。其加熱及工作電壓都是5V，加熱電流約125mA。傳感器的負載電阻為R1及R2，其輸出直接結LED顯示驅動器LM3914。當無酒精蒸氣，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。2/4/2023233、化學實驗室有害氣體鑒別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（10kΩ左右）。當有煙霧或有害氣體進入時，阻值急劇下降。2/4/202324

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的電壓升高，經(jīng)電阻R1和RP分壓、R2限流加到開關集成電路TWH8778的⑤端。當⑤端電壓達到預定值時，①、②兩端導通。2/4/202325調節(jié)可調電阻RP可改變⑤端的電壓預定值，從而調節(jié)其靈敏度，使①、②兩端導通。＋12V電壓加至繼電器，使繼電器得電，觸點J1-1吸合，從而控制排風扇電源的開關，使排風扇自動排風。同時②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，實現(xiàn)生光顯示。2/4/202326

1、接觸燃燒式氣敏元件的結構用高純的鉑絲,繞制成線圈,為了使線圈具有適當?shù)淖柚?1Ω～2Ω),一般應繞10圈以上。在線圈外面涂以氧化鋁或氧化鋁和氧化硅組成的膏狀涂覆層,干燥后在一定溫度下燒結成球狀多孔體。將燒結后的小球,放在貴金屬鉑、鈀等的鹽溶液中,充分浸漬后取出烘干。然后經(jīng)過高溫熱處理,使在氧化鋁(氧化鋁一氧化硅)載體上形成貴金屬觸媒層,最后組裝成氣體敏感元件。二、接觸燃燒氣敏傳感器2/4/202327

除此之外,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成膏狀,涂覆在鉑絲繞成的線圈上,直接燒成后備用。另外，作為補償元件的鉑線圈,其尺寸、阻值均應與檢測元件相同。并且,也應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金屬觸媒粉體,形成觸媒層而已。

2/4/202328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構示意圖(a)元件的內部示意圖2/4/2023292、檢測原理對鉑絲線圈通以電流，使其保持高溫（300～400℃）。可燃性氣體(H2、CO、CH4等)與空氣中的氧接觸，發(fā)生氧化反應，產(chǎn)生反應熱(無焰接觸燃燒熱)，使得作為敏感材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應增大。一般情況下，空氣中可燃性氣體的濃度都不太高(低于10％)，可燃性氣體可以完全燃燒，其發(fā)熱量與可燃性氣體的濃度有關。2/4/202330空氣中可燃性氣體濃度愈大，氧化反應(燃燒)產(chǎn)生的反應熱量(燃燒熱)愈多，鉑絲的溫度變化(增高)愈大，其電阻值增加的就越多。因此，只要測定作為敏感件的鉑絲的電阻變化值(ΔR)，就可檢測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，其壽命較短，所以，實際應用的檢測元件，都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，又可以提高檢測元件的響應特性。2/4/202331接觸燃燒式氣體敏感元件的橋式電路如圖。圖中F1是檢測元件；F2是補償元件，其作用是補償可燃性氣體接觸燃燒以外的環(huán)境溫度、電源電壓變化等因素所引起的偏差。工作時，要求在F1和F2上保持100mA～200mA的電流通過，以供可燃性氣體在檢測元件F1AF2F1MR1R2CBDW2W1E0上發(fā)生氧化反應(接觸燃燒)所需要的熱量。當檢測元件F1與可燃性氣體接觸時，由于劇烈的氧化作用(燃燒)，釋放出熱量，使得檢測元件的溫度上升，電阻值相應增大，橋式電路不再平衡，在A、B間產(chǎn)生電位差E。

2/4/202332就可以測得A、B間的電位差E，并由此求得空氣中可燃性氣體的濃度。若與相應的電路配合，就能在空氣中當可燃性氣體達到一定濃度時，自動發(fā)出報警信號，其感應特性曲線如圖。1.0接觸燃燒式氣敏元件的感應特性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兩點間的電位差與可燃性氣體的濃度m成比例。如果在A、B兩點間連接電流計或電壓計，2/4/202333三、溫差火災報警傳感器下圖為溫差火災報警傳感器，它由兩個溫度傳感器組成。一個溫度傳感器安裝在金屬板上，利用金屬板來檢測異常溫度。另一個溫度傳感器安裝在塑料殼內，它檢測正常室溫。在無火情時，兩溫度傳感器的溫度相同，