气敏传感器.docx
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气敏传感器
课程
传感器基础知识
课题
气敏传感器
课型
一体化
教具
多媒体课件、实物投影仪、
传感器实训台
课时
12
教室场地
D305
学生基础
初中起点
学生人数
20
知识目标
1．掌握学习气敏、湿敏电阻应变片的概念、工作原理。
2．了解基本的气敏传感器的结构组成、电路配置。
3．掌握湿敏电阻传感器的基本概念、工作原理及测量电路。
。
能
力
目
标
专业能力
掌握光气敏传感器的类型及应用
方法能力
1．由知识的理性认识到感性认识，并亲自动手验证，从而体会理论-实验-验证的辨证唯物主义的认识过程。
2．通过学生分组训练培养学生动手能力，增强安全意识养成文明操作习惯。
3．培养学生探究问题，分析问题，解决问题的能力。
社会能力
1．培养学生在实践中团结协作能力，语言表达能力。
2．在完成任务中的自我学习和持续发展的能力。
3．培养学生严谨认真的职业工作态度。
4．激发学生学习技术的热情。
教学重点
教材中几个基本电路的工作原理
教学难点
1．光敏电阻的基本特性和主要参数。
教学方法
任务驱动法、示范演示法、问题探究法、行为引导法、小组合作法、讨论法等
教法分析
本节课在实训室进行，根据任务为主线、教师为主导、学生为主体的原则采用讲、演、训相结合等方式进行教学，有利于突出重点，突破难点。
使学生容易接受新知识，并能提高分析问题解决问题的能力。
一体化教学基本流程
理论
依据
为了使理论与实践更好的衔接，将理论与实习（实践）教学融为一体，使每块内容都能内讲授、示范、训练同步进行，增强了直观性。
内涵主要是打破传统的学科体系和教学模式，依据职业教育培养目标的要求来重新整合教学资源，体现能力本位的特点。
从而实现了从以课堂为中心向以实验室、实习车间为中心的转变，培养出素质优良、技术过硬、单项技能拔尖的技术型人才。
教学环节
教学内容及过程
教师活动
学生活动
组织教学
回顾旧知
大声诵读7S内涵：
整理、整顿、清洁、清扫、安全、节约、素养
集合、点名、填写教学日志、分组，
检查学生劳防用品穿戴情况，讲解实训安全操作规
电阻式传感器。
调整情绪集中学生注意力
通过提问的形式，引导学生系统回顾以前学过的知识点
集中
注意力
思考
回答问题
任务1
实施
任务2
实施
第二节 气敏与湿敏电阻传感器
一、气敏电阻传感器
1．气敏电阻传感器的基本概念
气敏电阻传感器是利用半导体气敏元件与被测气体接触后，造成半导体性质发生变化并引起阻值等发生变化，从而以此来检测待定气体的成分或浓度的传感器的总称。
气敏传感器的传感元件是气敏电阻。
2．工作原理
下面仅以半导体气敏电阻传感器为例，简要介绍它的工作原理。
半导体气敏电阻传感器有表面型和体型两大类。
此外还有电阻式和非电阻式的区别。
（1）表面型
SnO2和ZnO等比较难还原的金属氧化物所制成的半导体，接触气体时在比较低的温度时就会产生吸附效应，从而改变半导体表面的电位、电导率等。
（2）体型
—Fe2O3这一类较容易还原的氧化物半导体在接触到低温下的气体时，半导体材料内的晶格缺陷浓度将发生变化，从而使半导体的电导率发生改变。
（3）电阻式
当半导体接触到气体时，半导体的电阻值将发生变化，利用传感器输出端阻值的变化来测定或控制气体的有关参数，这种型式的传感器称为电阻式半导体气敏传感器。
（4）非电阻式
当MOS场效应管在接触到气体时，场效应管的电压将随周围气体状态的不同而发生变化，利用这种原理制成的传感器被称为非电阻式半导体气敏传感器。
3．分类
气敏电阻传感器的分类及有关说明列于下表中。
分类
主要物理特性
传感器举例
工作温度
被测气体
电
阻
式
电
阻
表面型
氧化锡，氧化锌
室温~450℃
可燃性气体
体型
−Fe2O3、氧化钛、氧化钴、氧化镁、氧化锡
300℃~450℃、
700℃以上
酒精、可燃性气体、氧气等
非
电
阻
式
表面电位
氧化银
室温
乙醇
二极管整流特性
铂/硫化镉、铂/氧化钛
室温~200℃
氢气、一氧化碳、酒精
晶体管特性
铂栅MOS场效应管
150℃
氢气、硫化氢
4．组成结构
（1）表面型半导体气敏传感器
这是一种利用半导体表面在吸附气体时半导体元件电阻值发生变化的特性制成的传感器件。
其结构组成如图3-8所示。
图3-9为该器件的外形结构及测量电路。
图3-8半导体敏感元件结构示意图
（a）烧结元件（b）薄膜元件（c）厚膜元件（d）多层结构元件
图3-9QN型气敏电阻传感器
（a）外形结构（b）测量电路
（2）非电阻式半导体气体传感器
以钯、铟等金属薄膜形成的MOS二极管传感器及钯/硫化隔二极管传感器，均可以用来检测氢气的浓度，是目前对氢气成分、浓度等参量进行检查的有效器件。
图3-10，图3-11分别介绍了钯-MOS二极管敏感元件及应用光电动势作用的钯-MOS二极管敏感元件结构示意图。
图3-10钯-MOS二极管敏感元件图3-11 应用光电动势作用的
钯–MOS二极管敏感元件
5．应用及电路配置
（1）可燃气体检测器
对于可燃气体的检测目前比较适用的方法就是用QN型气敏半导体传感器进行测量。
其测量电路如图3-9（b）所示。
除此以外，还有一种P型气敏半导体检测仪，可用于对多种气体的泄漏进行测量，在浓度测量及超限量报警等方面精度也比较高。
（2）气体泄漏报警器及其自动通风电路
当SiO2半导体表面上吸附了被测气体（特别是有毒气体）时，其电导率将发生变化。
该气体泄漏报警装置，可很快地检测出一氧化碳、氨气及各种溶剂蒸气等有毒气体。
与此同时还可以自动接通排气扇电路，达到净化空气的目的。
其控制电路如图3-12所示。
图3-12 报警器及通风装置电路图 图3-13 气体浓度变化及排气扇工作状态图
电路说明：
当污染气体浓度达到一定程度时，传感器的电阻因受污染气体作用而减小，导致晶体管T1接通，继电器工作，启动风扇通风。
另如图3-13所示，当污染气体的浓度超过了由RP2所设定的Cs值时，风扇即自动工作，将污染气体排出。
并且在气体浓度低于给定值Cs后，风扇仍继续工作，只有当浓度降至Cd点时，风扇才停止工作。
二、湿敏电阻传感器
1．基本概念
湿敏电阻传感器是一种用于检测空气湿度的传感器件。
它是利用材料的电气性能或机械性能随湿度而变化的原理研制而成的，其传感元件为湿敏电阻。
2．工作原理
在电绝缘物中浸渍吸湿性物质，或者通过蒸发、涂敷等工艺，在表面上制备一层金属、半导体、高分子薄膜和粉状颗粒，形成湿敏电阻器件。
在吸湿元件的吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的H＋离子传导状态发生变化，从而使湿敏电阻值发生变化。
3．分类
（1）利用水分子对元件材料表面具有较强的吸附和渗透性制成的水分子亲和力型；
（2）水分子吸附和渗透能力差的非水分子亲和型。
4．测量电路及使用要求
目前使用的大部分湿度传感器不仅对湿度变化很敏感，而且对温度的变化也比较敏感，因此必须对元件进行温度补偿，同时还必须采用线性化测量线路进行处理。
（1）陶瓷湿度测量用传感器的检测电路
如图3-15所示。
这种电路把交流电压加到传感器上，由振荡电路、缓冲器、整流电路、温度补偿差分放大电路、湿度输出放大电路、温度检测电路和温度输出放大电路等构成。
该电路电源电压为+12V，振荡电路的振荡频率为1kHz，传感器特性的线性补偿由R1，R2，R3完成。
传感器的温度系数为0.7%RH/℃，常用热敏电阻器构成温度补偿电路，A5用于温度检测，它能和同级的温度放大电路A6同时取出温度的输出信号；而A4则可将湿度传感器取出的信号经A2放大并与T·H热敏电阻的温度信号经A3合成后输出一个湿度信号。
采用这种电路能检测（35~85）%RH的湿度值，精度大约为+4%RH左右。
图3-15相对湿度检测电路图
（2）低湿度传感器检测电路
图3–16是一个典型的低湿度传感器检测电路图。
它采用的是一种由运算放大器和高电阻组成的低湿度检测电路。
图中的运算放大器A1，A2，A3，为传感器信号的初级放大和差分放大电路。
A4，A5，A6则是该传感器的线性修正电路和采用热敏电阻做温度补偿的电路。
如果湿度传感器的B常数与热敏电阻上的B常数一致时（即60%RH时为4200），就可直接取出与温度无关的信号。
这种传感检测系统的温度-湿度特性曲线如图3-17所示。
这也是镍铁氧体温度传感器的电阻-湿度关系曲线。
图3-17温度-湿度特性曲线
5．应用
湿度传感器在产品质量管理，环境监测与控制等方面都起着重要的作用。
小结
1．气敏电阻传感器是利用半导体气敏元件与被测气体接触后，造成半导体性质发生变化并引起阻值等发生变化，从而以此来检测待定气体的成分或浓度的传感器的总称。
2．湿敏电阻传感器是一种用于检测空气湿度的传感器件。
它是利用材料的电气性能或机械性能随湿度而变化的原理研制而成的。
3．湿敏电传感器分类：
水分子亲和力型、非水分子亲和型。
通过实例引出本节课的主课题，以调动学生学习的积极性，激发学生的探索激情。
（讲解）
（注意区别）
（简单介绍）
（参考教材中的国产QN型气敏半导体器件的主要特性）
（讲解）
（参考图片讲解）了解
（讲解）
（参考教材中的分类表）
（讲解电路原理）了解
（讲解电路各部分作用）
（简单介绍）
。
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课题名称
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其它
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传感器基础知识
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活动评价表
项目
评价内容
评价等级
（学生自评）
A
B
C
关键能力考核项目
遵守纪律、遵守学习场所管理规定，服从安排
安全意识、责任意识，7S管理意识，注重节约、节能与环保
学习态度积极主动，能参加实习安排的活动
团队合作意识，注重沟通，能自主学习及相互协作
仪容仪表符合活动要求
专业能力考核项目
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工具、设备选择得当，使用符合技术要求
操作规范，符合要求
学习准备充分、齐全
注重工作效率与工作质量
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操作能力考核表（操作技能考点、能完成的打勾、尽量不要以分数进行界定【如可能，可导入企业评价】）本活动考核采用的是过程化考核方式
注：
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