【正文】 0 ZrO2系固體電解質(zhì)的離子電導(dǎo)與溫度關(guān)系 5 600 800 1000 1200 101 102 103 104 1 2 3 4 6 7 t /℃ 離 子 電 導(dǎo)/Ω 1 cm1 1 添加 8%molYb2O3 ； 2 3 ZrO2 ； 4 添加 10%molY2O3 ； 5 添加 13%molCaO 6 添加 15%molY2O3 ； 7 添加 10%molCeO 51 四 、 氣體傳感器的應(yīng)用 分為檢測(cè) 、 報(bào)警 、 監(jiān)控等幾種類型 。 在 1100℃ 下 ， 為正方晶系 ，2500℃ 下 ， 為立方晶系 ， 2700℃ 下熔融 ， 在熔融二氧化鋯中添加氧化鈣 、 三氧化二釔 、 氧化鎂等雜質(zhì)后 ， 成為穩(wěn)定的正方晶型 ， 具有瑩石結(jié)構(gòu) ， 稱為穩(wěn)定化二氧化鋯 。 47 （ 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(jié)構(gòu)及符號(hào) SnO2燒結(jié)體 1 2 3 4 5 6 （ a）結(jié)構(gòu) （ b）符號(hào) 7 100目不銹鋼網(wǎng) 216。在一般條件下 ,氣敏元件存放兩周以后 ,其初期穩(wěn)定時(shí)間即可達(dá)最大值。一般在 (～ )W范圍 。 通常 ， C1＞ C2。 半導(dǎo)體氣敏元件的特性參數(shù) （ 1） 氣敏元件的電阻值 將電阻型氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值 ， 稱為氣敏元件 (電阻型 )的固有電阻值 ， 表示為 Ｒ ａ 。 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 。 38 ρ ， C和 α的數(shù)值與檢測(cè)元件的材料 、 形狀 、 結(jié)構(gòu) 、 表面處理方法等因素有關(guān) 。 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 。當(dāng)光纖固定時(shí) ,輸出光斑花 光源 頻譜 分析記錄 探測(cè)器 1 2 3 4 5 1 夾具 2 密封膠 3 液體流管 4 光纖 5 張力載荷 33 （ 2） 光纖多普勒流速計(jì) 下圖 為 利用光纖多普勒計(jì)來測(cè)量流體流速的原理 。當(dāng)光纖振動(dòng)時(shí) ,輸出光斑亦發(fā)生移動(dòng)。 這種旋渦將會(huì)在該非流線體的兩邊交替地離開 。 同樣 ， 若在不同的高度安裝多個(gè)探頭 ， 則能連續(xù)監(jiān)視液位的變化 。 28 （ 2） 斜端面光纖液位傳感器 下圖為反射式斜端面光纖液位傳感器的兩種結(jié)構(gòu) 。 1％ ， 理論上分辨力可達(dá) 。 利用光彈性效應(yīng)測(cè)量壓力的原理及傳感器結(jié)構(gòu)如圖 。 當(dāng)膜片受壓變形后 ,使得處于里面一圈的光纖束 ,接收到的反射光強(qiáng)減小 ,而處于外面一圈的光纖束 2接到的反射光強(qiáng)增大 ,形成差動(dòng)輸出 。 對(duì)于周邊固定的膜片 ，在小撓度 (y＜ ， t為膜片厚度 )的條件下 ， 膜片的中心撓度 y為 ? ? pEtRy3421613 ???R—膜片有效半徑； t—膜片厚度； p—外加壓力； E－膜片材料的彈性模量； μ —為膜片的泊松比。 下圖為簡(jiǎn)單的利用Y形光纖束的膜片反射型光纖壓力傳感器 。 不同種類的半導(dǎo)體材料具 有 不 同 的 本 征 吸 收 波 長(zhǎng) ， 圖 為 在 室 溫 (20℃ )時(shí) ,120μ m厚的 GaAs材料的透射率曲線 。 當(dāng)溫度升高時(shí) ， 雙金屬片的變形量增大 ， 帶動(dòng)遮光板在垂直方向產(chǎn)生位移從而使輸出光強(qiáng)發(fā)生變化 。有利用運(yùn)動(dòng)物體反射光和散射光的 多普勒效應(yīng) 的光纖速度、流速、振動(dòng)、壓力、加速度傳感器；利用物質(zhì)受強(qiáng)光照射時(shí)的 喇曼散射 構(gòu)成的測(cè)量氣體濃度或監(jiān)測(cè)大氣污染的氣體傳感器；以及利用 光致發(fā)光 的溫度傳感器等。 1） 強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器 是一種利用被測(cè)對(duì)象的變化引起敏感元件的 折射率 、吸收 或 反射 等參數(shù)的變化 ， 而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來實(shí)現(xiàn)敏感測(cè)量的傳感器 。 由于光纖連續(xù) ， 增加其長(zhǎng)度 ，可提高靈敏度 。 光是一種電磁波 ， 其波長(zhǎng)從極遠(yuǎn)紅外的 lmm到極遠(yuǎn)紫外線的 10nm。時(shí)，光線發(fā)生全反射，則 sinθi0=NA θi0=arcsin NA θiθi0=arcsin NA 8 二 、 光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理及分類 光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理 以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器是一種把測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的電信號(hào)的裝置 。 則 n0sinθi=n1sinθj n1sinθ k=n2sinθ r sinθi=(n1/n0)sinθ j sinθ k=(n2/n1)sinθ r 因 θ j=90186。＝ 1 n1 n2 θr θ i (c)光全反射示意圖 n1 n2 θ r θ i (b)臨界狀態(tài)示意圖 當(dāng) θ r=90186。 然而根據(jù)光學(xué)理論指出：在尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)而折射率變化緩慢的空間 ,可以用 “ 光線 ” 即 幾何光學(xué) 的方法來分析光波的傳播現(xiàn)象 ,這對(duì)于光纖中的 多模光纖 是完全適用的 。光纖傳感器 用光作為敏感信息的載體 ，用光纖作為 傳遞敏感信息的媒質(zhì) 。 ② 抗電磁干擾能力強(qiáng) 。s Law） 當(dāng)光由光密物質(zhì) (折射率大 )入射至光疏物質(zhì)時(shí)發(fā)生折射，如圖 (a)，其折射角大于入射角，即 n1＞ n2時(shí)， θ r＞ θ i。 這時(shí)有 5 光纖結(jié)構(gòu) 分析光纖導(dǎo)光原理 ， 除了應(yīng)用斯乃爾定理外還須結(jié)合光纖結(jié)構(gòu)來說明 。由于 n1與 n2相差較小 ， 即 n1+n2≈ 2n1,故又可因式分解為 ri nn ?? 22221 s i ns i n ??22210s in nni ????? 2s in 10 ni?Δ =(n1n2)/n1稱為相對(duì)折射率差 當(dāng) θr=90186。 由光發(fā)送器 、 敏感元件 (光纖或非光纖的 )、 光接收器 、 信號(hào)處理系統(tǒng)以及光纖構(gòu)成 ， 見圖 (b)。 可見 ， 只要使光的 強(qiáng)度 、 偏振態(tài) (矢量 A的方向 )、 頻率和 相位 等參量之一隨被測(cè)量狀態(tài)的變化而變化 ， 或受被測(cè)量調(diào)制 ， 那么 ， 通過對(duì)光的強(qiáng)度調(diào)制 、 偏振調(diào)制 、 頻率調(diào)制或相位調(diào)制等進(jìn)行解調(diào) ， 獲得所需要的被測(cè)量的信息 。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低。 缺點(diǎn) ：受光源強(qiáng)度波動(dòng)和連接器損耗變化等影響較大 。這類傳感器的靈敏度很高 。 它的缺點(diǎn)是輸出光強(qiáng)受殼體振動(dòng)的影響 ， 且響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng) ， 一般需幾分鐘 。 反映在半導(dǎo)體的透光特性上 ， 即當(dāng)溫度升高時(shí) ， 其透射率曲線將向長(zhǎng)波方向移動(dòng) 。但金屬材料的彈性模量有一定的溫度系數(shù) ， 因此要考慮溫度補(bǔ)償 。 這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、 體積小 、 使用方便 ， 但如果 光源不穩(wěn)定 或長(zhǎng)期使用后膜片的 反射率下降 ， 影響其精度 。 因此 ，若將 I I2檢出后分別經(jīng)對(duì)數(shù)放大后 ， 再通過減法器即可得到線性的輸出 。的壓力作用于晶體時(shí) ， 使晶體呈雙折射從而使出射光成為橢圓偏振光 ，由檢偏器檢測(cè)出與入射光偏振方向相垂直方向上的光強(qiáng) ，即可測(cè)出壓力的變化 。 反射光強(qiáng)的大小取決于被測(cè)介質(zhì)的折射率 。 斜面反射式光纖液位傳感器 (a) 1 2 3 (b) 2 光纖 3 棱鏡 29 （ 3） 單光纖液位傳感器 單光纖液位傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 ， 將光纖的端部拋光成 45186。將光纖端部的尖頂略微 磨平 ， 并鍍上反射膜 。 若物體具有彈性 ， 它便會(huì)產(chǎn)生振動(dòng) ， 振動(dòng)頻率近似地與流速成正比 。根據(jù)上式或?qū)嶒?yàn)標(biāo)定得到流速值 ,在管徑尺寸已知的情況下，即可計(jì)算出流量。 光纖多譜勒流量計(jì)結(jié)構(gòu) 探測(cè)器 頻譜 分析儀 HeNe激光器 1 2 3 4 5 6 7 8 3—— 分束器； 2 ——反射鏡； 4—— 透鏡； 5 ——流體管道； 6 ——窗口； 8 ——光纖 34 第二節(jié) 氣敏傳感器 ?接觸燃燒式氣敏元件 ?金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏元件 ?氧化鋯氣敏元件 工作原理、主要類型及應(yīng)用 35 一 、 接觸燃燒式氣體傳感器 檢測(cè)原理 可燃性氣體 (H CO、 CH4等 )與空氣中的氧接觸 ，發(fā)生氧化反應(yīng) ， 產(chǎn)生反應(yīng)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(yīng)增大 。 工作時(shí) ， 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(cè)元件 F1上發(fā)生氧化反應(yīng)(接觸燃燒 )所需要的熱量 。 則 ?????? ?? CQb ??A、 B間的電位差 E， 并由此求得空氣中可燃性氣體的濃度 。 另外 ， 作為補(bǔ)償元件的鉑線圈 ,其尺寸 、 阻值均應(yīng)與檢測(cè)元件相同 。由于經(jīng)濟(jì)地理環(huán)境的差異 ， 各地區(qū)空氣中含有的氣體成分差別較大 ， 即使對(duì)于同一氣敏元件 ， 在溫度相同的條件下 ， 在不同地區(qū)進(jìn)行測(cè)定 ， 其固有電阻值也都將出現(xiàn)差別 。 agiaggigVVVVVVS?????? （ 3）氣敏元件的分辨率 表示氣敏元件對(duì)被測(cè)氣體的識(shí)別（選擇）以及對(duì)干擾氣體的抑制能力。因此 ,使氣敏元件恢復(fù)正常工作狀態(tài) ,需要一定的時(shí)間 ,稱為氣敏元件的初期穩(wěn)定時(shí)間。 其敏感體用粒徑很小 (平均粒徑 ≤ １ μ m)的 SnO2粉體為基本材料，根據(jù)需要添加不同的添加劑，混合均勻作為原料。 氣敏元件外形和引出線分布 48 三 、 氧化鋯氧氣傳感器 固體電解質(zhì)是具有離子導(dǎo)電性能的固體物質(zhì) 。 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 。 輔助電路 由于氣敏元件自身的特性 (溫度系數(shù)、濕度系數(shù)、初期穩(wěn)定性等 )，在設(shè)計(jì)、制作應(yīng)用電路時(shí)，應(yīng)予以考慮。 隨著環(huán)境中可燃性氣體濃度的增加 ， 氣敏元件的阻值下降到一定值后 ， 流入蜂鳴器的電流 ， 足以推動(dòng)其工作而發(fā)出報(bào)警信號(hào) 。 氯化鋰極易潮解 ， 并產(chǎn)生離子導(dǎo)電 ， 隨濕度升高而電阻減小 。 57 一 、 濕度表示法 空氣中含有水蒸氣的量稱為濕度 ， 含有水蒸氣的空氣是一種混合氣體 。 59 露 （ 霜 ） 點(diǎn) 水的飽和蒸氣壓隨溫度的降低而逐漸下降。 60 二 、 濕度傳感器的主要參數(shù) 濕度量程 指濕度傳感器技術(shù)規(guī)范中所規(guī)定的感濕范圍 。 其定義是在某一相對(duì)濕度范圍內(nèi) ， 相對(duì)濕度改變 1％ RH時(shí) ， 濕度傳感器電參量的變化值或百分率 。 它表示在兩個(gè)規(guī)定的溫度下 ， 濕度傳感器的電阻值(或電容值 )達(dá)到相等時(shí) ， 其對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度之差與兩個(gè)規(guī)定的溫度變化量之比 ， 稱為感濕溫度系數(shù) 。響應(yīng)時(shí)間又分為 吸濕響應(yīng)時(shí)間 和 脫濕響應(yīng)時(shí)間 。在高濕時(shí)，頻率對(duì)阻值的影響很小，當(dāng)?shù)蜐窀哳l時(shí)，隨著頻率的增加，阻值下降。具有許多優(yōu)點(diǎn)：測(cè)濕范圍寬，可實(shí)現(xiàn)全濕范圍內(nèi)的濕度測(cè)量；工作溫度高，常溫濕度傳感器的工作溫度在 150℃ 以下，而高溫濕度傳感器的工作溫度可達(dá) 800℃ ，響應(yīng)時(shí)間較短，精度高，抗污染能力強(qiáng)，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。粒間氣孔與顆粒大小無關(guān) , 相當(dāng)于一種開口毛細(xì)管 ,容易吸附水分。 20 40 60 80 100 103 104 105 106 107 108 相對(duì)濕度 /% 20℃ 40℃ 60℃ 80℃ R/Ω MgCr2O4TiO2系濕度傳感器的電阻 — 溫度特性 73 MgCr2O4TiO2系濕度傳感器的時(shí)間響應(yīng)特性 20 40 60 80 100 0 10 20 30 94%RH 50%RH 1%RH 50%RH t /s %RH （ 3） 響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)時(shí)間特性如圖。感濕高分子材料的介電常數(shù)并不大 ，當(dāng)水分子被高分子薄膜吸附時(shí) ， 介電常數(shù)發(fā)生變化 。 引線端 感濕膜 聚苯乙烯磺酸鋰濕度傳感器的結(jié)構(gòu) 梳狀電極 基片 79 主要特性 （ 1） 電阻 — 濕度特性 當(dāng)環(huán)境濕度變化時(shí) ， 傳感器在吸濕和脫濕兩種情況的感濕特性曲線 ， 如圖 。 這種濕度傳感器具有良好的穩(wěn)定性 。 83 2． 溫度補(bǔ)償 濕度傳感器具有正或負(fù)的溫度系數(shù) ， 其溫度系數(shù)大小不一 ， 工作溫區(qū)有寬有窄 。 電橋的一臂為濕度傳感器 ，由于濕度變化使?jié)穸葌鞲衅鞯淖柚蛋l(fā)生變化 ， 于是電橋失去平衡 ， 產(chǎn)生信號(hào)輸出 ， 放大器可把不平衡信號(hào)加以放大 ， 整流器將交流信號(hào)變成直流信號(hào) ， 由直流毫安表顯示 。 該電路的濕度電壓特性及溫度特性表明：在 (30％ ～ 90％ )RH、 15℃ ～ 35℃ 范圍內(nèi) ， 輸出電壓表示的濕