電阻式傳感器第2章

第3章電阻式傳感器本章內(nèi)容

2.1應(yīng)變式傳感器

2.2氣敏傳感器

2.3濕敏傳感器

學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解應(yīng)變效應(yīng)的原理，了解應(yīng)變片的類型、結(jié)構(gòu)及其測(cè)量轉(zhuǎn)換電路，掌握電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用。了解氣敏電阻的分類、典型應(yīng)用。了解濕敏電阻的分類、典型應(yīng)用。

2.1應(yīng)變式傳感器

2.1.1工作原理導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。

當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí)，將伸長(zhǎng)l，橫截面積相應(yīng)減小A，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了d，從而引起電阻值相對(duì)變化量為圖2-1金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)

dl

/

l為長(zhǎng)度相對(duì)變化量即應(yīng)變

軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為

式中：——電阻絲材料的泊松比，負(fù)號(hào)表示應(yīng)變方向相反。

通常，把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱為電阻絲的靈敏系數(shù)。其表達(dá)式為

靈敏系數(shù)K受兩個(gè)因素影響：應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化，1+2；應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化，即（d

/）/。對(duì)金屬材料來(lái)說(shuō)，電阻絲靈敏度系數(shù)表達(dá)式中1+2的值要比（d

/）/大得多，而半導(dǎo)體材料的（d

/）/項(xiàng)的值比1+2大得多。

半導(dǎo)體材料，當(dāng)某一軸向受外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。

d

/為半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率相對(duì)變化量，其值與半導(dǎo)體敏感元件在軸向所受的應(yīng)變力有關(guān)，其關(guān)系為

上式中：——半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)；——半導(dǎo)體材料的所受應(yīng)變力；E——半導(dǎo)體材料的彈性模量；——半導(dǎo)體材料的應(yīng)變。半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為

半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬絲式高50～80倍，但半導(dǎo)體材料的溫度系數(shù)大，應(yīng)變時(shí)非線性比較嚴(yán)重，使它的應(yīng)用范圍受到一定的限制。

用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，在外力作用下，被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生微小機(jī)械變形，應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化，同時(shí)應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測(cè)得應(yīng)變片電阻值變化量為R時(shí)，便可得到被測(cè)對(duì)象的應(yīng)變值，應(yīng)力值為

由此可知，應(yīng)力值正比于應(yīng)變，而試件應(yīng)變正比于電阻值的變化，所以應(yīng)力正比于電阻值的變化，這就是利用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的基本原理。

2.1.2應(yīng)變片的種類、材料及粘貼

1.金屬電阻應(yīng)變片的種類

金屬電阻應(yīng)變片組成敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分組成。

圖2-2金屬應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)1—引線；2—覆蓋層；3—基片；4—敏感柵

2.金屬電阻應(yīng)變片的材料電阻絲材料應(yīng)有如下要求：（1）靈敏系數(shù)大，且在相當(dāng)大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)；（2）值大，即在同樣長(zhǎng)度、同樣橫截面積的電阻絲中具有較大的電阻值；（3）電阻溫度系數(shù)小，否則因環(huán)境溫度變化也會(huì)改變其阻值；（4）與銅線的焊接性能好，與其他金屬的接觸電勢(shì)?。唬?）機(jī)械強(qiáng)度高，具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能。

3.金屬電阻應(yīng)變片的粘貼應(yīng)變片是用粘結(jié)劑粘貼到被測(cè)件上的。常用的粘結(jié)劑類型有硝化纖維素型、氰基丙烯酸型、聚酯樹脂型、環(huán)氧樹脂型和酚醛樹脂型等。

應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償1)應(yīng)變片的溫度誤差（1）電阻溫度系數(shù)的影響。敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關(guān)系可表示為

當(dāng)溫度變化t時(shí)，電阻絲電阻的變化值為

（2）試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響。當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生附加變形。當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時(shí)，由于環(huán)境溫度的變化，電阻絲會(huì)產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻變化。

2)電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法（1）線路補(bǔ)償法。電橋補(bǔ)償是最常用且效果較好的線路補(bǔ)償。測(cè)量應(yīng)變時(shí)，工作應(yīng)變片R1粘貼在被測(cè)試件表面上，補(bǔ)償應(yīng)變片RB粘貼在與被測(cè)試件材料完全相同的補(bǔ)償塊上，且僅工作應(yīng)變片承受應(yīng)變，如圖2-4（b）所示。

當(dāng)被測(cè)試件不承受應(yīng)變時(shí)，R1和RB又處于同一環(huán)境溫度為的溫度場(chǎng)中，調(diào)整電橋參數(shù)使之達(dá)到平衡，此時(shí)有

Uo=A(R1R4?RBR3)=0

圖2-4電橋補(bǔ)償法

一般按R1=RB=R3=R4選取橋臂電阻。當(dāng)溫度升高或降低t=t?t0時(shí)，兩個(gè)應(yīng)變片因溫度相同而引起的電阻變化量相等，電橋仍處于平衡狀態(tài)，即

若此時(shí)被測(cè)試件有應(yīng)變的作用，則工作應(yīng)變片電阻R1有新的增量R1=R1K，而補(bǔ)償片因不承受應(yīng)變，故不產(chǎn)生新的增量，此時(shí)電橋輸出電壓為

Uo=AR1R4K

（2）應(yīng)變片的自補(bǔ)償法。這種溫度補(bǔ)償法是利用自身具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片（稱之為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片）來(lái)補(bǔ)償?shù)摹?/p>

2.1.3電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路直流電橋1)直流電橋平衡條件電橋電路如圖2-5所示，圖中E為電源電壓，R1、R2、R3及R4為橋臂電阻，RL為負(fù)載電阻。圖2-5直流電橋

當(dāng)電橋平衡時(shí)，Uo=0，則這說(shuō)明欲使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等，或相對(duì)兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。

2)電壓靈敏度

設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于R1<<

R1，分母中R1

/R1可忽略，并考慮到平衡條件R2

/R1=R4

/R3，則

電橋電壓靈敏度定義為

分析上式可得：（1）電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，供電電壓越高。（2）電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù)，恰當(dāng)?shù)剡x擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。

當(dāng)n=1時(shí)，KU為最大值。R1=R2=R3=R4，電橋電壓靈敏度最高，此時(shí)單臂電橋有：

3)非線性誤差及其補(bǔ)償方法與R1/R1的關(guān)系是非線性的，非線性誤差為

為了減小和克服非線性誤差，常采用差動(dòng)電轎如下圖2-6所示，在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，一個(gè)受拉應(yīng)變，一個(gè)受壓應(yīng)變，構(gòu)成半橋電路，如圖2-6（a）所示。該電橋輸出電壓為

（a）（b）圖2-6差動(dòng)電橋（a）半橋；（b）全橋

若R1=

R2，R1=R2，R3=R4，則得半橋輸出電壓為

（2-40）由式（2-40）可知，Uo與R1/R1成線性關(guān)系，差動(dòng)電路無(wú)非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度KU=E/2，是單臂工作時(shí)的兩倍，同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償作用。

若將電橋四臂接入4片應(yīng)變片，如圖2-6（b）所示，即兩個(gè)受拉應(yīng)變，兩個(gè)受壓應(yīng)變，將兩個(gè)應(yīng)變符號(hào)相同的接入相對(duì)橋臂上，構(gòu)成全橋差動(dòng)電路。若R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，則全橋輸出電壓為： （2-41）

KU=E

（2-42）

此時(shí)全橋差動(dòng)電路不僅沒有非線性誤差，而且電壓靈敏度為單片工作時(shí)的4倍，同時(shí)仍具有溫度補(bǔ)償作用。

2.交流電橋根據(jù)直流電橋分析可知，由于應(yīng)變電橋輸出電壓很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于產(chǎn)生零漂，因此應(yīng)變電橋多采用交流電橋，引線分布電容使得二橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性。

圖2-7交流電橋（a）半橋差動(dòng)交流電橋；（b）半橋差動(dòng)交流電橋引線分布電容

由交流電路分析可得要滿足電橋平衡條件，即Uo=0，則

Z1Z4=Z2Z3

對(duì)這種交流電容電橋，除要滿足電阻平衡條件外，還必須滿足電容平衡條件。

圖2-8交流電橋平衡調(diào)節(jié)（a）、（b）電阻平衡調(diào)節(jié)；（c）、（d）電容平衡調(diào)節(jié)當(dāng)被測(cè)應(yīng)力變化引起Z1=Z10+Z，Z2=Z20?Z變化時(shí)（且Z10=Z20=Z0），則電橋輸出為

2.1.4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

1.柱（筒）式力傳感器

被測(cè)物理量為荷重或力的應(yīng)變式傳感器時(shí)，統(tǒng)稱為應(yīng)變式力傳感器。其主要用途是作為各種電子稱與材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力元件、發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測(cè)試、水壩壩體承載狀況監(jiān)測(cè)等。

圖2-9（a）、（b）所示分別為柱式、筒式力傳感器，應(yīng)變片粘貼在彈性體外壁應(yīng)力分布均勻的中間部分，對(duì)稱地粘貼多片，電橋連線時(shí)考慮盡量減小載荷偏心和彎矩影響。貼片在圓柱面上的展開位置及其在橋路中的連接如圖2-9（c）、（d）所示，R1和R3串接，R2和R4串接，并置于橋路對(duì)臂上，以減小彎矩影響，橫向貼片R5和R7串接，R6和R8串接，作溫度補(bǔ)償時(shí)，接于另兩個(gè)橋臂上。

圖2-9圓柱（筒）式力傳感器（a）柱式；（b）筒式；（c）圓柱面展開圖；（d）橋路連接圖

2.應(yīng)變式壓力傳感器

應(yīng)變式壓力傳感器主要用來(lái)測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)壓力，如動(dòng)力管道設(shè)備的進(jìn)出口氣體或液體的壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的壓力、槍管及炮管內(nèi)部的壓力、內(nèi)燃機(jī)管道的壓力等。應(yīng)變片壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。

圖2-10膜片式壓力傳感器（a）結(jié)構(gòu)圖；（b）應(yīng)力分布圖；（c）應(yīng)變片粘貼圖

3.應(yīng)變式容器內(nèi)液體重量傳感器圖2-11所示為插入式測(cè)量容器內(nèi)液體重量的傳感器示意圖。該傳感器有一根傳壓桿，上端安裝微壓傳感器安裝了兩只。下端安裝感壓膜，感壓膜感受上面液體的壓力。

當(dāng)容器中溶液增多時(shí)，感壓膜感受的壓力就增大。將其上兩個(gè)傳感器Rt的電橋接成正向串接的雙電橋電路，此時(shí)輸出電壓為

（2-52）

式中：K1，K2——傳感器傳輸系數(shù)。由于hg表征著感壓膜上面液體的重量，對(duì)于等截面的柱式容器，則

（2-53）

式中：Q——容器內(nèi)感壓膜上面溶液的重量；A——柱形容器的截面積。將上兩式聯(lián)立，得到容器內(nèi)感壓膜上面溶液重量與電橋輸出電壓之間的關(guān)系式為

（a）結(jié)構(gòu)原理圖（b）橋路連接圖圖2-11應(yīng)變片容器內(nèi)液體重量傳感器1—感壓膜；2—傳壓桿；3—電阻應(yīng)變敏感元件；4—微壓傳感器

上式表明，電橋輸出電壓與柱式容器內(nèi)感壓膜上面溶液的重量成線性關(guān)系，因此用此種方法可以測(cè)量容器內(nèi)儲(chǔ)存的溶液重量。

4.應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器主要用于物體加速度的測(cè)量。圖2-12所示是應(yīng)變片式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1是等強(qiáng)度梁，自由端安裝質(zhì)量塊2，另一端固定在殼體3上。等強(qiáng)度梁上粘貼4個(gè)電阻應(yīng)變敏感元件4。為了調(diào)節(jié)振動(dòng)系統(tǒng)阻尼系數(shù)，在殼體內(nèi)充滿硅油。

圖2-12電阻應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖1—質(zhì)量塊；2—等強(qiáng)度梁；3—電阻應(yīng)變敏感元件；4—?dú)んw

測(cè)量時(shí)，將傳感器殼體與被測(cè)對(duì)象剛性連接，當(dāng)被測(cè)物體以加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到一個(gè)與加速度方向相反的慣性力作用，使懸臂梁變形，該變形被粘貼在懸臂梁上的應(yīng)變片感受到并隨之產(chǎn)生應(yīng)變，從而使應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化。電阻的變化產(chǎn)生輸出電壓，即可得出加速度值的大小。應(yīng)變片加速度傳感器不適用于頻率較高的振動(dòng)和沖擊場(chǎng)合，一般適用頻率為10～60Hz范圍。

5.半導(dǎo)體力敏應(yīng)變片在電子皮帶秤上的應(yīng)用荷重傳感器是皮帶秤的關(guān)鍵組成部件，采用半導(dǎo)體力敏應(yīng)變片作為敏感元件，這種傳感器靈敏度可達(dá)7～10mV/kg，額定壓力為5kg的荷重傳感器可輸出50mV左右。電子皮帶秤工作原理如圖2-13所示。

圖2-13電子皮帶秤工作原理示意圖1—料倉(cāng)；2—電磁振動(dòng)給料機(jī)；3—秤架；4—力敏荷重傳感器（包括放大器）；5—環(huán)行皮帶；6—支點(diǎn)；7—減速電機(jī)；8—物料

當(dāng)未給料時(shí)，整個(gè)皮帶秤重量通過(guò)調(diào)節(jié)秤架上的平衡錘使之自重基本作用在支點(diǎn)6上，僅留很小一部分壓力作為傳感器預(yù)壓力。當(dāng)電磁振動(dòng)機(jī)開始給料時(shí)，通過(guò)皮帶運(yùn)動(dòng)，使物料平鋪在皮帶上。此時(shí)皮帶上物料重量一部分通過(guò)支點(diǎn)傳到基座，另一部分作用于傳感器上。

設(shè)每米物料重量為P，則傳感器受力為F，F(xiàn)=CP（C為系數(shù)，取決于傳感器距支點(diǎn)的距離）。當(dāng)傳感器受力后，傳感器中的彈性元件將產(chǎn)生變形，因此，粘貼于彈性元件上的力敏應(yīng)變電橋就有電壓信號(hào)U輸出，其值為

式中：U——應(yīng)變電橋的電源電壓；R/R——應(yīng)變片的相對(duì)變化。當(dāng)U和R恒定時(shí)，U與受力成正比。因此U與P成正比。在皮帶速度V不變時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)皮帶上物料流量為Q=PV，即Q與P成正比。所以測(cè)量U的大小就間接地測(cè)量Q的大小。2.2氣敏傳感器

2.2.1分類、原理

用來(lái)檢測(cè)氣體類別、濃度和成分。主要用于工業(yè)上的天然氣、煤氣、石油化工等部門的易燃、易爆、有毒等有害氣體的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和自動(dòng)控制。按構(gòu)成氣敏傳感器材料可分為半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類。半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用待測(cè)氣體與半導(dǎo)體表面接觸時(shí)，產(chǎn)生的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)變化來(lái)檢測(cè)氣體的。

1.半導(dǎo)體氣敏傳感器

按其制造工藝來(lái)分有燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型3類。燒結(jié)型氣敏器件以SnO2半導(dǎo)體材料為基體，將鉑電極和加熱絲埋入SnO2材料中，用加熱、加壓、溫度為700℃～900℃的制陶工藝燒結(jié)成形。因此，被稱為半導(dǎo)體陶瓷。

（a）（b）圖2-14直熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號(hào)（a）結(jié)構(gòu)；（b）符號(hào)1—SnO2燒結(jié)體；2—Ir-Pd合金絲（加熱器兼電極）

（a）（b）圖2-15旁熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號(hào)（a）結(jié)構(gòu)；（b）符號(hào)1—加熱器；2—電極；3—SnO2燒結(jié)體；4—瓷絕緣管

薄膜型器件它采用蒸發(fā)或?yàn)R射工藝，在石英基片上形成氧化物半導(dǎo)體薄膜（其厚度約在100nm以下）制作方法也很簡(jiǎn)單。厚膜型器件這種器件是將氧化物半導(dǎo)體材料與硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠，再把厚膜膠印刷到裝有電極的絕緣基片上，經(jīng)燒結(jié)制成的，適合大批量生產(chǎn)。

圖2-16薄膜型氣敏器件的結(jié)構(gòu) 圖2-17厚膜型氣敏器件的結(jié)構(gòu)

1—氧化物半導(dǎo)體；2—電極； 1—電極；2—氧化物半導(dǎo)體；

3—引線；4—基片；5—加熱器 3—基片；4—加熱器（印刷厚膜電阻）

這些器件全部附有加熱器，它的作用是將附著在敏感元件表面上的塵埃、油霧等燒掉，加速氣體的吸附。加熱器的溫度一般控制在200～400℃左右。

2．接觸燃燒式氣體傳感器1）接觸燃燒式氣體傳感器檢測(cè)原理當(dāng)可燃性氣體如H2、CO、CH4等與空氣中的氧接觸，發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生無(wú)焰接觸燃燒熱，使得傳感器中的鉑絲溫度升高，電阻值相應(yīng)增大。因此，只要測(cè)定作為敏感件的鉑絲的電阻變化值（ΔR），就可檢測(cè)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(cè)元件，其壽命較短，所以，實(shí)際應(yīng)用的檢測(cè)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(zhǎng)其使用壽命，又可以提高檢測(cè)元件的響應(yīng)特性。

2）接觸燃燒式氣敏元件的結(jié)構(gòu)圖2-18為接觸燃燒式氣敏元件結(jié)構(gòu)示意圖，用高純的鉑絲，繞制成線圈，為了使線圈具有適當(dāng)?shù)淖柚担?～2），一般應(yīng)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(jié)成球狀多孔體。將燒結(jié)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(guò)高溫?zé)崽幚?，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。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。（a）（b）圖2-18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；（b）敏感元件外形圖1—觸媒；2—氧化鋁載體；3—鉑絲；4—元件3）氧化鋯氧氣傳感器在二氧化鋯中添加氧化鈣、三氧化二釔等添加物后，其離子電導(dǎo)都將發(fā)生改變。尤其是在氧化鈣添加量為15%mol左右時(shí)，離子電導(dǎo)出現(xiàn)極大值。但是，由于二氧化鋯一氧化鈣固溶體的離子活性較低，要在高溫下，氣敏元件才有足夠的靈敏度。

2.2.2氣敏傳感器的主要要求選配氣敏傳感器時(shí)主要考慮氣敏傳感器的主要性能：對(duì)被測(cè)氣體具有較高的靈敏度。對(duì)被測(cè)氣體以外的共存氣體或物質(zhì)不敏感。性能穩(wěn)定，重復(fù)性好。動(dòng)態(tài)特性好，對(duì)檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)迅速。使用壽命長(zhǎng)。制造成本低，使用與維護(hù)方便等。

2.2.3氣敏傳感器應(yīng)用

1．礦井瓦斯超限報(bào)警器

1）電路組成及作用

QM-N5為旁熱式氣敏傳感器，它和R1、RP組成瓦斯氣體檢測(cè)電路；晶體管VS作為無(wú)觸點(diǎn)電子開關(guān)。

LC179型三模擬聲報(bào)警專用集成電路，它采用雙列8腳直插塑料硬封裝，內(nèi)部集成了功率放大器，可直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲，可產(chǎn)生3種不同的模擬報(bào)警聲響，LC179的第1、2腳為外接振蕩電阻器端，可改變發(fā)聲音調(diào)；第3腳為負(fù)電源端；第4腳為音頻輸出端；第5腳為正電源端；第6、7腳為空腳端；第8腳為選聲端，當(dāng)它“懸空”時(shí)，可產(chǎn)生模擬警車電笛聲；當(dāng)它接電源正端時(shí)，可產(chǎn)生模擬消防車電笛聲；當(dāng)它接電源負(fù)端時(shí)，可產(chǎn)生模擬救護(hù)車電笛聲。LC179的主要電參數(shù)：工作電壓范圍3V～4.5V，工作電流＜150μA，最大輸出電流可達(dá)150mA，工作溫度范圍－10℃～60℃。

圖2-19礦井瓦斯超限報(bào)警器

2）工作原理當(dāng)無(wú)瓦斯或瓦斯?jié)舛群艿蜁r(shí)，QM-N5的A-B極間電阻很大，電位器RP滑動(dòng)觸點(diǎn)電壓小于0.7V，VS不被觸發(fā)，警笛聲電路無(wú)電源不發(fā)聲；當(dāng)瓦斯氣體超過(guò)安全標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，A-B極間電阻迅速減小，當(dāng)RP滑動(dòng)觸點(diǎn)電壓大于0.7V，VS被觸發(fā)導(dǎo)通，警笛電路得電，發(fā)出報(bào)警聲。

2．有害氣體報(bào)警電路電路中晶體管VT采用U850，它是一種高增益的達(dá)林頓晶體管。在純潔的空氣中，氣敏傳感器的A-B間內(nèi)阻較大，此時(shí)B點(diǎn)為低電位，VT不導(dǎo)通，因此，KD9561無(wú)工作電流而不報(bào)警。

當(dāng)傳感器接觸到有害可燃?xì)怏w后，A-B間電阻變小，B點(diǎn)電位升高并向C2充電，當(dāng)充電電位達(dá)到U850導(dǎo)通電位（約1.4V），VT導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)報(bào)警器KD9561報(bào)警。一旦有害氣體濃度降低，使B電位低于1.4V時(shí)，VT截止，報(bào)警解除。若將本電路的負(fù)載改為繼電器，如圖2-20（b）所示，即可成為自動(dòng)排氣控制裝置。

圖2-20有害氣體報(bào)警電路

3．實(shí)用酒精測(cè)試儀圖2-21所示為實(shí)用酒精測(cè)試儀的電路。該測(cè)試儀只要被試者向傳感器吹一口氣，便可顯示出醉酒的程度，確定被試者是否適宜駕駛車輛。氣體傳感器選用二氧化錫氣敏元件。當(dāng)氣體傳感器探測(cè)不到酒精時(shí)，加在A的第5腳電平為低電平；當(dāng)氣體傳感器探測(cè)到酒精時(shí)，其內(nèi)阻變低，從而使A的第5腳電平變高。

A為顯示推動(dòng)器，它共有10個(gè)輸出端，每個(gè)輸出端可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)發(fā)光二極管，顯示推動(dòng)器A根據(jù)第5腳電壓高低來(lái)確定依次點(diǎn)亮發(fā)光二極管的級(jí)數(shù)，酒精含量越高則點(diǎn)亮二極管的級(jí)數(shù)越大。上面5個(gè)發(fā)光二極管為紅色，表示超過(guò)安全水平，酒精含量不超過(guò)0.05%。

圖2-21酒精測(cè)試儀電路

4．防酒后駕車控制器

圖中QM-J1為旁熱式氣敏傳感器元件，若司機(jī)沒有喝酒，或酒精濃度較低時(shí)，在駕駛室內(nèi)合上開關(guān)S，此時(shí)氣敏器件間電阻很高，Ua為高電平，則U1為低電平，555定時(shí)器截止，U3為高電平，K2線圈失電，其常閉觸點(diǎn)K2-2閉合，綠燈VD1亮，常閉觸點(diǎn)K2-1閉合，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)。

圖2-22防止酒后駕車控制器原理圖

若司機(jī)酗酒，氣敏器件阻值急劇下降，使Ua為低電平，則U1為高電平，555定時(shí)器導(dǎo)通，U3為低電平，繼電器K2帶電吸合，K2-2常閉觸點(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)閉合，紅燈VD2亮，以示警告，常閉觸點(diǎn)K2-1斷開，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法啟動(dòng)。若司機(jī)拔出器敏器件，則繼電器K1失電，其常開觸點(diǎn)K1-1斷開，仍然無(wú)法啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。常閉觸點(diǎn)K1-2的作用是長(zhǎng)期加熱氣敏器件，保證控制器處于準(zhǔn)備工作的狀態(tài)。

2.3

濕敏傳感器

濕度是指大氣中的水蒸氣含量，通常采用絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度兩種表示方法。絕對(duì)濕度是指在一定溫度和壓力條件下，每單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量，單位為g/m3，一般用符號(hào)AH表示。相對(duì)濕度是指氣體的絕對(duì)濕度與同一溫度下達(dá)到飽和狀態(tài)的絕對(duì)濕度之比，一般用符號(hào)%RH表示。濕度的檢測(cè)已廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、科技、生活等各個(gè)領(lǐng)域，濕度不僅與工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量有關(guān)，而且是環(huán)境條件的重要指標(biāo)。

濕敏傳感器是能夠感受外界濕度變化，并通過(guò)器件材料的物理或化學(xué)性質(zhì)變化，將濕度轉(zhuǎn)化成有用信號(hào)的器件。濕敏器件只能直接暴露于待測(cè)環(huán)境中，不能密封。通常，對(duì)濕敏器件有下列要求：在各種氣體環(huán)境下穩(wěn)定性好，響應(yīng)時(shí)間短，壽命長(zhǎng)，有互換性，耐污染和受溫度影響小等。微型化、集成化及廉價(jià)是濕敏器件的發(fā)展方向。

2.3.1氯化鋰濕敏電阻

氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解，離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的測(cè)濕元件。它由引線、基片、感濕層與電極組成。

在氯化鋰（LiCl）溶液中，Li和Cl均以正負(fù)離子的形式存在，而Li+對(duì)水分子的吸引力強(qiáng)，離子水合程度高，其溶液中的離子導(dǎo)電能力與濃度成正比。當(dāng)溶液置于一定溫濕場(chǎng)中，溶液將吸收水分，使?jié)舛冉档?，因此，其溶液電阻率增高。反之，環(huán)境相對(duì)濕度變低時(shí)，則溶液濃度升高，其電阻率下降，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的測(cè)量。但其耐熱性差，不能用于露點(diǎn)以下測(cè)量，器件性能重復(fù)性不理想，使用壽命短。

圖2-23濕敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖 圖2-24氯化鋰濕度—電阻特性曲線

1—引線；2—基片；3—感濕層；4—金電極

2.3.2半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻

兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)而成為多孔陶瓷。這些材料有ZnO—LiO2—V2O5系、Si—Na2O—V2O5系、TiO2—MgO—Cr2O3系、Fe3O4等，前3種材料的電阻率隨濕度增加而下降，故稱為負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷，最后一種的電阻率隨濕度增加而增大，故稱為正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷。

1．負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理由于水分子中的氫原子具有很強(qiáng)的正電場(chǎng)，當(dāng)水在半導(dǎo)瓷表面吸附時(shí)，就有可能從半導(dǎo)瓷表面俘獲電子，使半導(dǎo)瓷表面帶負(fù)電。如果該半導(dǎo)瓷是P型半導(dǎo)體，則由于水分子吸附使表面電勢(shì)下降，將吸引更多的空穴到達(dá)其表面，于是，其表面層的電阻下降。

若該半導(dǎo)瓷為N型，則由于水分子的附著使表面電勢(shì)下降，如果表面電勢(shì)下降較多，不僅使表面層的電子耗盡，同時(shí)吸引更多的空穴達(dá)到表面層，這些空穴稱為反型載流子。它們同樣可以在表面遷移而表現(xiàn)出電導(dǎo)特性。因此，由于水分子的吸附，使N型半導(dǎo)瓷材料的表面電阻下降。由此可見，不論是N型還是P型半導(dǎo)瓷，其電阻率都隨濕度的增加而下降。

2．正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理

當(dāng)水分子附著半導(dǎo)瓷的表面使電勢(shì)變負(fù)時(shí)，導(dǎo)致其表面層電子濃度下降，但這還不足以使表面層的空穴濃度增加到出現(xiàn)反型程度，此時(shí)仍以電子導(dǎo)電為主。

于是，表面電阻將由于電子濃度下降而加大，這類半導(dǎo)瓷材料的表面電阻將隨濕度的增加而加大。如果對(duì)某一種半導(dǎo)瓷，它的晶粒間的電阻并不比晶粒內(nèi)電阻大很多，那么表面層電阻的加大對(duì)總電阻并不起多大作用。

圖2-25幾種半導(dǎo)瓷濕敏負(fù)特牲 圖2-26Fe3O4半導(dǎo)瓷的正濕敏特牲

1—ZnO-LiO2-V2O5；2—Si-Na2O-V2O5；

3—TiO2-MgO-Cr2O3

3．典型半導(dǎo)瓷濕敏元件1）MgCr2O4—TiO2濕敏元件氧化鎂復(fù)合氧化物—二氧化鈦濕敏材料通常制成多孔陶瓷型“濕—電”轉(zhuǎn)換器件，它是負(fù)特牲半導(dǎo)瓷，MgCr2O4為P型半導(dǎo)體，它的電阻率低，阻值溫度特性好，兩面涂覆有多孔金電極。

金電極與引出線燒結(jié)在起，為了減少測(cè)量誤差、在陶瓷片外設(shè)置由鎳鉻絲制成的加熱線圈，以便對(duì)器件加熱清洗，排除惡劣氣氛對(duì)器件的污染。整個(gè)器件安裝在陶瓷基片上，電極引線一般采用鉑—銥合金。

圖2-27MgCr2O4—TiO2陶瓷濕度傳感器的結(jié)構(gòu) 圖2-28MgCr2O4—TiO2陶瓷濕度傳感器

1—加熱線圈；2—濕敏陶瓷片；3—電極； 相對(duì)濕度與電阻的關(guān)系

4—引線圈電極；5—底板；6—引線

2）ZnO—Cr2O3陶瓷濕敏元件

ZnO—Cr2O3濕敏元件的結(jié)構(gòu)是將多孔材料的金電極燒結(jié)在多孔陶瓷圓片的兩表面上，并焊上鉑引線，然后將敏感元件裝入有網(wǎng)眼過(guò)濾的方形塑料盒中用樹脂固定。

ZnO—Cr2O3傳感器能連續(xù)穩(wěn)定地測(cè)量濕度，而無(wú)須加熱除污裝置，因此功耗低于0.5W，體積小，成本低，是一種常用測(cè)濕傳感器。

圖2-29ZnO—Cr2O3陶瓷濕敏傳感器結(jié)構(gòu) 圖2-30Fe3O4濕敏元件構(gòu)造

1—外殼；2—燒結(jié)元件；3—電極；1—滑石板；2—金電極；

4—樹脂固封；5—引線；6—濾網(wǎng) 3—Fe3O4膠粒；4—引線

（3）四氧化三鐵（Fe3O4）濕敏器件四氧化三鐵濕敏器件由基片、電極和感濕膜組成。基片上制作一對(duì)梭狀金電極，然后將預(yù)先配制好的Fe3O4膠體液涂覆在梭狀金電極的表面，進(jìn)行熱處理和老化。

Fe3O4膠體之間的接觸呈凹狀，粒子間的空隙使薄膜具有多孔性，當(dāng)空氣相對(duì)濕度增大時(shí)，F(xiàn)e3O4膠膜吸濕，由于水分子的附著，降低粒間的電阻和增加更多的導(dǎo)流通路，所以元件阻值減小。當(dāng)處于干燥環(huán)境中，膠膜脫濕，粒間接觸面減小，元件阻值增大。當(dāng)環(huán)境溫度不同時(shí)，涂覆膜上所吸附的水分也隨之變化，使梭狀金電極之間的電阻產(chǎn)生變化。

Fe3O4濕敏器件在常溫、常濕下性能比較穩(wěn)定，有較強(qiáng)的抗結(jié)露能力，測(cè)濕范圍廣，有較為一致的濕敏特性和較好的溫度—濕度特性，但器件有較明顯的濕滯現(xiàn)象，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，吸濕過(guò)程（60%RH98%RH）需要2min，脫濕過(guò)程（98%RH12%RH）需5～7min。

2.2.3濕敏傳感器的應(yīng)用1．直讀式濕度計(jì)其中RH為氯化鋰濕度傳感器。由VT1、VT2、T1等組成測(cè)濕電橋的電源，其振蕩頻率為250～1000Hz。電橋輸出經(jīng)變壓器T2、C3耦合到VT3、經(jīng)VT3放大后的信號(hào)，由VD1～VD4橋式整流后，輸入給微安表，指示出由于相對(duì)濕度的變化引起電流的改變，經(jīng)標(biāo)定并把濕度刻劃在微安表盤上，就成為一個(gè)簡(jiǎn)單而實(shí)用的直讀式濕度計(jì)了。

圖2-31直讀式濕度計(jì)電路圖

2．自動(dòng)噴灌控制器電路工作原理

電源電路由電源變壓器T、整流橋UR、隔離二極管VD2、穩(wěn)壓二極管VS和濾波電容器C1、C2等組成。交流220V電壓經(jīng)T降壓、UR整流后，在濾波電容器C2兩端產(chǎn)生直流6V電壓。該電壓一路供給微型水泵的直流電動(dòng)機(jī)（采用交流電動(dòng)機(jī)的大、中型水泵使用交流220V電源供電，見圖中虛線所示）；另一路經(jīng)VD2降壓、VS穩(wěn)壓和C1濾波后，產(chǎn)生+5.6V電壓，供給VT1～VT3和繼電器K。

圖2-32自動(dòng)噴灌控制電路

濕度傳感器插在土壤中，對(duì)土壤濕度進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)土壤濕度較高時(shí)，濕度傳感器兩電極之間的電阻值較小，使VT1、VT2導(dǎo)通，VT3截止，繼電器K不吸合，水泵電動(dòng)機(jī)M不工作。當(dāng)土壤濕度變小，使?jié)穸葌鞲衅鲀呻姌O之間的電阻值增大至一定值時(shí)，VT1和VT2將截止，使VT3導(dǎo)通，繼電器K吸合，其常開觸頭K接通，使水泵電動(dòng)機(jī)M通電，噴水設(shè)施開始工作。

當(dāng)土壤中的水分增加到一定程度，濕度傳感器兩電極間的電阻值減小至一定值時(shí)，VT1和VT2又導(dǎo)通，使VT3截止，繼電器K釋放，水泵電動(dòng)機(jī)M停轉(zhuǎn)。當(dāng)土壤水分減少至一定程度時(shí)，將重復(fù)進(jìn)行上述過(guò)程，從而使土壤保持較恒定的濕度。

3．磚坯水分檢測(cè)器電路工作原理

組成：濕度檢測(cè)探頭、穩(wěn)壓基準(zhǔn)電源、比較器、開關(guān)電路和聲光報(bào)警電路組成。穩(wěn)壓基準(zhǔn)電源電路由電阻器R1和集成穩(wěn)壓器IC1組成，IC1選用TL431集成穩(wěn)壓器。比較器電路由集成電路IC2和電阻器R2、R3、電位器RP1、RP2等組成，IC2選用LM393集成電路。

開關(guān)電路由開關(guān)管VT1、二極管VD1、VD2和電阻器R4等組成。聲光報(bào)警電路由發(fā)光二極管VL1、VL2、電阻器R6、R7、音樂(lè)集成電路IC3、音頻放大管VT2和揚(yáng)聲器BL等組成。IC3選用KD9561或LC179音效集成電路。

工作原理:

將濕度檢測(cè)探頭插入磚坯中，兩支檢測(cè)探頭之間的電阻值將隨著磚坯含水量的高低而變化。當(dāng)磚坯的含水量在工藝允許范圍內(nèi)，IC2a和IC2b均輸出高電平，使VD1、VD2和VT1均截止，揚(yáng)聲器BL不響，發(fā)光二極管VL1和VL2均不亮。

當(dāng)磚坯水分含量低于工藝允許值的下限時(shí)，兩檢測(cè)探頭之間的阻值較正常時(shí)偏大，使IC2a反相輸入端的電位增高，其輸出端變?yōu)榈碗娖?，使VD1和VTl均導(dǎo)通，綠色發(fā)光二極管VL1點(diǎn)亮，同時(shí)IC3和V2工作，揚(yáng)聲器BL發(fā)出報(bào)警聲，提醒檢驗(yàn)員磚坯的濕度不夠。

當(dāng)磚坯水分含量高于工藝上限時(shí)，兩檢測(cè)探頭之間的阻值較正常時(shí)偏小，使IC2b的同相輸入端電位變低，其輸出端變?yōu)榈碗娖?，使VD2和VT1均導(dǎo)通，紅色發(fā)光二極管VL2點(diǎn)亮，IC3和VT2工作，揚(yáng)聲器BL發(fā)出報(bào)警聲，提醒檢驗(yàn)員磚坯的含水量過(guò)高。

圖2-33磚坯水分檢測(cè)器電路

4．汽車擋風(fēng)玻璃自動(dòng)去濕電路

圖中RS為嵌入玻璃的加熱電阻絲，H為結(jié)露感濕器件；晶體管VT1和VT2接成施密持觸發(fā)電路，VT2的集電極負(fù)載為繼電器K的線圈繞組。

VT1基極電阻為R1，R2和濕敏器件H的等效電阻RP并聯(lián)。使在常溫、常濕下VT1導(dǎo)通，VT2截止。一旦由于陰雨使?jié)穸仍龃?，濕敏器件H的等效電阻RP值下降到某一特定值，R2與RP并聯(lián)的電阻值減小，VT1截止，VT2導(dǎo)通，VT2的集電極負(fù)載一繼電器K線圈通電，它的常開觸點(diǎn)Ⅱ接通電源Ec，小燈泡L點(diǎn)亮，電阻絲Rs通電，擋風(fēng)玻璃被加熱，驅(qū)散濕氣。

當(dāng)濕度減少到一定程度，施密特觸發(fā)電路又翻轉(zhuǎn)到初始狀態(tài)，小燈泡L熄滅，電阻絲Rs斷電，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)防濕控制。

圖2-34汽車擋風(fēng)玻璃自動(dòng)去濕電路（a）擋風(fēng)玻璃示意圖；（b）電路原理圖

5．濕度控制儀由兩個(gè)與非門H1和H2組成RC振蕩器，振蕩頻率為2.5kHz，輸出電壓為4V，經(jīng)RP1、Rs分壓，VD1整流，再經(jīng)R3、RP2分壓后送至VT3。Rs