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第9章其他传感器简介
气体传感器
湿度传感器
微波传感器
图像传感器
生物传感器
机器人传感器
气体传感器
气体传感器又叫气敏传感器,主要用来监测气体中的特定成分,并将其变成相应的电信号输出。气体传感器的应用很广,在日常生活中,有检测饮酒者呼气中的酒精含量的传感器;测量汽车空燃比的氧气传感器;家庭和工厂用的煤气泄漏传感器;火灾之后检测建筑材料发出的有毒气体传感器;坑内沼气警报器等。
气体传感器的分类
气体传感器可分为半导体气体传感器、固体电解质气体传感器、组合电位型传感器等多种类型,其中最常见的是半导体气体传感器。
气体传感器的类型虽然很多,但对它们有以下几个基本要求:
对被测气体要有高灵敏度;
选择性要好,即对和被测气体共存的其他气体不敏感;
能够长期稳定地工作;
检测和报警要迅速。
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气体传感器
半导体气体传感器
对于半导体气体传感器,按照半导体与气体的相互作用是在其表面还是在其内部,可分为表面控制型和体控制型两种;按照半导体变化的物理性质,又可分为电阻型和非电阻型两种。电阻型半导体气体传感器是利用半导体接触气体时其阻值的改变来检测气体的成分或浓度;而非电阻型半导体气体传感器则是根据对气体的吸附和反应,使半导体的某些特性发生变化对气体进行直接或间接检测。下面简单介绍电阻型半导体气体传感器的基本原理。
半导体气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件组织发生变化而制成的。当半导体器件被加热到稳定状态,在气体接触半导体表面而被吸附时,被吸附的分子首先在物体表面自由扩散,失去运动能量,一部分分子被蒸发掉,另一部分残留分子产生热分解吸附在物体表面。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力,则吸附分子将从器件夺走电子而变成负离子吸附,半导体表面呈现电荷层。
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气体传感器
例如氧气,等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分子将向器件释放出电子,而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有氢气、一氧化碳等,它们被称为还原性气体。
当氧化型气体吸附到N型半导体,还原性气体吸附到P型半导体上时,将使半导体载流子减少,而使电阻增大。当还原型气体吸附到N型半导体上,氧化型气体吸附到P型半导体上时,则载流子增多,半导体阻值下降。
非电阻型气体传感器也是半导体气体传感器之一。它是利用MOS二极管的电容-电压特性的变化以及MOS场效应晶体管的阈值电压变化等特性而制成的气体传感器。由于这类传感器的制造工艺成熟,便于器件集成化,因而其性能稳定价格便宜。利用特定材料还可以使传感器对某些气体特别敏感。
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湿度传感器
湿度传感器是用于感受大气湿度并转换成适当电信号输出的传感器。
湿度传感器的分类
常见的湿度传感器主要有两大类,一类是水分子亲和力型湿度传感器;另一大类是非水分子亲和力型湿度传感器。具体分类如表9-1所示。
水分子亲和力型湿度传感器
1. ***化锂湿度传感器
***化锂湿度传感器是电解质湿度传感器的代表。它是利用电阻值随环境相对湿度变化而变化的机理制成的。***化锂湿度传感器的结构是在条状绝缘基片的两面,用化学沉积或真空蒸镀法做上电极,再浸渍一定比例配置的***化锂-聚乙烯醇混合溶液,经老化处理,便制成了***化锂湿度传感器,其结构如图9-1所示。
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湿度传感器
***化锂湿度传感器的优点是检测滞后小,不受测试环境风速影响,检测精度高。缺点是耐热性差,不能用于露点以下测量。若用作露点检测,***化锂湿度传感器必须3个月左右清洗一次和涂敷(浸渍)***化锂,故维护麻烦。
2. 半导体陶瓷湿度传感器
半导体陶瓷湿度传感器通常用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结成多孔陶瓷,ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等。前三种材料的电阻率随湿度增加而下降,故称为负特性湿度半导瓷;最后一种的电阻率随湿度增加而增大,故称为正特性湿度半导瓷。
3. 高分子电容式湿度传感器
高分子电容式湿度传感器是利用湿度元件的电容值随湿度变化的原理进行湿度测量的。具有感湿的高分子聚合物,例如,乙酸-丁酸纤维素和乙酸-丙酸纤维素等,做成薄膜,它们具有迅速吸湿和脱湿的能力。
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微波传感器
微波的基本知识
微波是波长很短(1m~1mm)、频率很高300MHz~300GHz的电磁波,既具有电磁波的性质,又不同于普通的无线电波和光波。微波具有以下特点:遇到各种障碍物易于反射;绕射能力差;传输特性良好,传输过程中受烟、灰