【正文】 ， 其感應(yīng)特性曲線如圖 。 并且 ,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金屬觸媒粉體 ,形成觸媒層而已 。 因此 ， 必須在潔凈的空氣環(huán)境中進(jìn)行測量 。氣敏元件分辨率 S表示為 Va—氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負(fù)載電阻上的輸出電壓；Vg—氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時，負(fù)載電阻上的電壓 Vgi—氣敏元件在 i種氣體濃度為規(guī)定值中工作時，負(fù)載電阻的電壓 44 （ 5） 氣敏元件的加熱電阻和加熱功率 氣敏元件一般工作在 200℃ 以上高溫 。一般電阻型氣敏元件 ,在剛通電的瞬間 ,其電阻值將下降 ,然后再上升 ,最后達(dá)到穩(wěn)定。主要用于檢測 可燃的還原性 氣體，其工作溫度約300℃ 。 一般認(rèn)為 ， 固體物質(zhì) (金屬或半導(dǎo)體 )中 ， 作為載流子傳導(dǎo)電流的是正 、 負(fù)離子 。 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 。如采用溫度補償電路，減少氣敏元件的溫度系數(shù)引起的誤差；設(shè)置延時電路，防止通電初期，因氣敏元件阻值大幅度變化造成誤報；使用加熱器失效通知電路，防止加熱器失效導(dǎo)致漏報現(xiàn)象。 ~220V BZ 氖管 家用可燃性氣體報警器電路 氣敏傳感器 蜂鳴器 B R 54 下圖是差分式可燃性氣體檢測儀電路原理圖 。 陶瓷型 ：一般以金屬氧化物為原料 ， 通過陶瓷工藝 ， 制成一種多孔陶瓷 。 主要有質(zhì)量百分比和體積百分比 、 相對濕度和絕對濕度 、 露點 （ 霜點 ） 等表示法 。在同樣的空氣水蒸氣壓下，溫度越低，則空氣的 水蒸氣壓 與同溫度下水的 飽和蒸氣壓 差值越小。 全濕度范圍用相對濕度 (0～ 100)％ RH表示 ， 它是濕度傳感器工作性能的一項重要指標(biāo) 。 各種不同的濕度傳感器，對靈敏度的要求各不相同，對于低濕型或高濕型的濕度傳感器，它們的量程較窄，要求靈敏度要很高。 或環(huán)境溫度每變化 1℃ 時 ， 所引起的濕度傳感器的濕度誤差 。大多數(shù)濕度傳感器都是脫濕響應(yīng)時間大于吸濕響應(yīng)時間，一般以脫濕響應(yīng)時間作為濕度傳感器的響應(yīng)時間。對這種濕度傳感器，在各種濕度下，當(dāng)測試頻率小于 103Hz時，阻值不隨使用頻率而變化，故該濕度傳感器使用頻率的上限為 103Hz。 典型產(chǎn)品是燒結(jié)型陶瓷濕敏元件是 MgCr2O4－ TiO2系 。材料的主晶相是MgCr2O4相 ,此外 ,還有 TiO2相 等 ,感濕體是一個多晶多相的混合物。根據(jù)響應(yīng)時間的規(guī)定，從圖中可知，響應(yīng)時間小于 10s。 隨著環(huán)境濕度的提高 ，高分子薄膜吸附的水分子增多 ， 因而濕度傳感器的電容量增加 ． 所以根據(jù)電容量的變化可測得相對濕度 。 在整個濕度范圍內(nèi) ， 傳感器均有感濕特性 ， 其阻值與相對濕度的關(guān)系在單對數(shù)坐標(biāo)紙上近似為一直線 。 存儲一年后 ， 其最大變化不超過 2％ RH， 完全可以滿足器件穩(wěn)定性的要求 。 所以要考慮溫度補償問題 。 振蕩器和放大器都由 9V直流電源供給 。 下圖為濕度測量電路中 Rt是熱敏電阻器 (20kΩ，B=4100K)； RH為 H204C濕度傳感器 ， 運算放大器型號為 LM2904。 A2 A1 A3 A4 A5 A6 + + _ _ 濕敏元件 R1 R2 R3 R4 R5 R6 RT USC C1 C2 C3 W 濕度傳感器測量電路原理框圖 D1 振蕩器 放大電路 傳感器 驅(qū)動電路 整流電路 對數(shù) 溫補電路 85 （ 二 ） 典型電路 電阻式濕度傳感器 ， 其測量電路主要有兩種形式 : 1． 電橋電路 振蕩器對電路提供交流電源 。另外，濕敏膜在高頻下也會產(chǎn)生集膚效應(yīng)，阻值發(fā)生變化，影響到測濕靈敏度和準(zhǔn)確性。 濕滯比較小 ， 在 (1％ ～ 2％ )RH之間 。 78 （ 二 ） 電阻式高分子膜濕度傳感器 結(jié)構(gòu) 聚苯乙烯磺酸鋰濕度傳感器的結(jié)構(gòu)。 高分子薄膜 上部電極 下部電極 76 感濕機理與性能 電容式高分子濕度傳感器 ， 其上部多孔質(zhì)的金電極可使水分子透過 ， 水的介電系數(shù)比較大 ， 室溫時約為 79。如果要求精確的濕度測量，需要對濕度傳感器進(jìn)行溫度補償。這種多孔陶瓷的氣孔大部分為粒間氣孔 ,氣孔直徑隨 TiO2添加量的增加而增大。 氯化鋰濕度傳感器的結(jié)構(gòu) A B B 鈀絲 A 涂有聚苯乙烯薄膜的圓筒 電解質(zhì)氯化鋰濕度傳感器最為典型 0 30 60 90 1 10 R/108Ω 相對濕度 /% ① ② ③ ④ ⑤ ④ % LiCl ⑤ %LiCl ③ % LiCl ② % LiCl ① PVAC 氯化鋰濕度傳感器的阻 — 濕特性 組合式氯化鋰的阻 — 濕特性 0 30 60 90 1 10 相對濕度 /% R/108Ω 把不同感濕范圍的單片濕度傳感器組合起來 ,可制成相對濕度工作量程為 20％～ 90％ RH的濕度傳感器 69 四 、 陶瓷濕度傳感器 利用半導(dǎo)體陶瓷材料制成的陶瓷濕度傳感器。 Lg R /Ω 0 1 2 3 4 5 6 5 7 8 4 20℃ 100Hz 11% RH 33% RH 75% RH 100% RH U/V 67 電阻－頻率特性 20℃ 5V 11% RH 33% RH 100% RH Lg f / Hz 0 1 2 3 4 5 6 5 7 8 4 75% RH Lg R /Ω 頻率特性 濕度傳感器的阻值與外加測試電壓頻率的關(guān)系，如圖。也有規(guī)定從起始到終止 90％的相對濕度變化作為響應(yīng)時間的。 電容溫度系數(shù) (%/℃ )= 電阻溫度系數(shù) (%/℃ )= 63 感濕溫度系數(shù) 反映濕度傳感器溫度特性的一個比較直觀 、 實用的物理量 。 61 感濕靈敏度 簡稱靈敏度 ， 又叫濕度系數(shù) 。空氣中水蒸氣壓越小，露點越低，因而可用露點表示空氣中的濕度。 如果把待測空氣看作是由水蒸氣和干燥空氣組成的二元理想混合氣體 ， 根據(jù)道爾頓分壓定律和理想氣體狀態(tài)方程 ， 可得出： RTpM?? P：空氣中水蒸氣分壓； M：水蒸氣的摩爾質(zhì)量 R：理想氣體常數(shù)； T：空氣的絕對溫度。其特點是易于和半導(dǎo)體電路集成在一起。 濕度傳感器依據(jù)使用材料分類： 電解質(zhì)型 ：以氯化鋰為例 ， 它在絕緣基板上制作一對電極 ， 涂上氯化鋰鹽膠膜 。 下圖是設(shè)有串聯(lián)蜂鳴器的應(yīng)用電路 。否則，將導(dǎo)致加熱器的溫度變化幅度過大，使氣敏元件的工作點漂移，影響檢測準(zhǔn)確性。 49 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 。 45176。 燒結(jié)型應(yīng)用最廣泛性 。 45 （ 7） 初期穩(wěn)定時間 長期在非工作狀態(tài)下存放的氣敏元件 ,因表面吸附空氣中的水分或者其他氣體 ,導(dǎo)致其表面狀態(tài)的變化，在加上電負(fù)荷后 ,隨著元件溫度的升高 ,發(fā)生解吸現(xiàn)象。一般從氣敏元件與一定濃度的被測氣體接觸時開始計時 ，直到氣敏元件的阻值達(dá)到在此濃度下的穩(wěn)定電阻值的 63％ 時為止 ， 所需時間稱為氣敏元件在此濃度下的被測氣體中的響應(yīng)時間 ， 通常用符號 tr表示 。 測定固有電阻值 Ｒ ａ 時 , 要求必須在潔凈空氣環(huán)境中進(jìn)行 。 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 。因而 ， 在一定條件下 ， 都是確定的常數(shù) 。 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 。 特點：非接觸測量 ， 不影響待測物體的流動狀態(tài) 。利用頻譜分析 ,即可測出光纖的振動頻率。 這樣 ， 周期產(chǎn)生的旋渦將使物體受到一個周期的壓力 。為了克服這個缺點 ， 可將探頭的結(jié)構(gòu)作一些改變 ， 如圖 。 這種形式的探頭在空氣中和水中時 ， 反射光強度差約在 20dB以上 。 輸出 前置 放大 前置 放大 I2－ I1 I2+I1 驅(qū)動 1 2 3 4 5 6 I1 I2 PD1 PD2 光彈性式光纖壓力傳感器的另一種結(jié)構(gòu) 1 光纖 2 起偏器 3 光彈性元件 4 1/4波長板 5 偏振分光鏡 6 反射鏡 p 27 （ 三 ） 液位 、 流量 、 流速的檢測 液位的檢測技術(shù) （ 1） 球面光纖液位傳感器 1 2 (a)探頭結(jié)構(gòu) (b) )檢測原理 空氣 液體 LED PD 光由光纖的一端導(dǎo)入 ,在球狀對折端部一部分光透射出去 ,而另一部分光反射回來 ,由光纖的另一端導(dǎo)向探測器 。 當(dāng)有與入射光偏振方向呈 45186。 將上式兩邊取對數(shù)且滿足 (Ap)2≤ 1時 ,等式右邊展開后取第一項 ， 得到 這表明待測壓力與輸出光強比的 對數(shù)呈線性 關(guān)系 。 若利用 Y形光纖束檢測位移特性的線性區(qū) ，則傳感器的輸出光功率亦與待測壓力呈線性關(guān)系 。 膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖 光源 接收 1 2 1 Y形光纖束 2 殼片 3 膜片 3 P 22 彈性膜片材料是恒彈性金屬 ， 如殷鋼 、 鈹青銅等 。 850 800 900 950 1000 0 10 20 30 40 t=20℃ 波長 λ /nm GaAs的光譜透射率曲線 透射率(%) ? ? eVE g 5 2 ?對于 GaAs材料，由實驗得到 α = 104eV/K β=300K 20 由此可見 ， 半導(dǎo)體材料的 Eg隨溫度上升而減小 ， 亦即其本征吸收波長 λ g隨溫度上升而增大 。 檢測精度約為℃ 。 通常有利用光彈效應(yīng)的聲 、 壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流 、 磁場傳感器；利用電致伸縮的電場 、 電壓傳感器以及利用光纖賽格納克 （ Sagnac） 效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器 （ 光纖陀螺 ） 等 。 優(yōu)點 ：結(jié)構(gòu)簡單 、 容易實現(xiàn) ， 成本低 。光纖不連續(xù)。 因此 ， 討論光的敏感測量必須考慮光的電矢量 E的振動 ， 即 A——電場 E的振幅矢量； ω——光波的振動頻率； φ——光相位； t——光的傳播時間 。 光纖傳感器則是一種把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置 。當(dāng) n０ =1時 7 上式 sinθi0為 “ 數(shù)值孔徑 ” NA(Numerical Aperture)。 此時 ，出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D （ b） ，稱為臨界狀態(tài) 。 斯乃爾定理 （ Snell39。 ① 電絕緣性能好 。因此，它同時具有光纖及光學(xué)測量的特點。 為此 , 采用幾何光學(xué)的方法來分析 。時 ， θ i仍＜ 90186。－ θ k 所以 θ j θi θ k θ r A B C D E F G K O O n0 n2 n1 光纖導(dǎo)光示意圖 KKki nnnnnn ???? 2010101 s i n1c o s)90s i n (s i n ??????rri nnnnnnn ??? 22221021201 s i n1s i n1s i n ????????????n0為入射光線 AB所在空間的折射率，一般為空氣，故 n０ ≈ 1， nl為纖芯折射率， n2為包層折射率。 它的電源 、 敏感元件 、 信號接收和處理系統(tǒng)以及信息傳輸均用金屬導(dǎo)線連接 ， 見圖 (a)。 它的 物理作用 和 生物化學(xué)作用 主要因其中的電場而引起 。 信號處理 光受信器 光纖敏感元件 光發(fā)送器 12 2） 非功能型 （ 或稱傳光型 ） 光纖傳感器 光纖僅起導(dǎo)光作用，只 “ 傳 ” 不 “ 感 ” ，對外界信息的“ 感覺 ” 功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成。 有利用光纖的 微彎損耗 ；各物質(zhì)的 吸收特性 ；振動膜或液晶的 反射光強度 的變化；物質(zhì)因各種粒子射線或化學(xué) 、 機械的激勵而發(fā)光的現(xiàn)象；以及物質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等來構(gòu)成壓力 、 振動 、 溫度 、位移 、 氣體等各種強度調(diào)制型光纖傳感器 。 15 4） 相位調(diào)制傳感器 其基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用 ， 使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化 ， 而導(dǎo)致光的相位變化 ， 使兩