现代新型传感器简介

传感器简介

9.1 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。

9.1.1 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和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：

(1) 对被测气体要有高的灵敏度；

(2) 选择性要好，即对和被测气体共存的其他气体不敏感；

(3) 能够长期稳定地工作；

(4) 检测和报警要迅速。

9.1.2 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。

9.2 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。具体分类见表9-1。

表9-1 湿度传感器分类

9.2.2 水分子亲和力型湿度传感器

9.2.2.1 氯化锂湿度传感器

氯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。氯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氯化锂-聚乙烯醇混合溶液，经老化处理，便制成了氯化锂湿度传感器，其结构如图9-1所示。

氯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，氯化锂湿度传感器必须3个月左右清洗一次和涂敷(浸渍)氯化锂，故维护麻烦。

9.2.2.2 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系和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。

9.2.2.3 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。薄膜覆盖在叉指形金电极上(下电极)，然后在感湿薄膜表面上再蒸镀一层多孔金属膜(上电极)，如此就构成一个平行板电容器。结构如图9-2所示。

当环境中的水分子沿着上电极的毛细微孔进入感湿膜而被吸附时，湿度元件的电容值与相对湿度之间具有正比关系。

9.2.2.4 石英振动式湿度传感器

在石英晶片的表面涂敷聚胺脂高分子膜，当膜吸湿时，由于膜的重量发生变化而使石英晶片振荡频率发生变化，不同的频率就代表不同的湿度。

9.2.3 非水分子亲和力型湿度传感器

水分子亲和力型湿度传感器，因为响应速度低，可靠性差，不能很好地满足人们使用的要求。随着其他技术的发展，现在人们正在开发非水分子亲和力型的湿度传感器。例如，利用微波在含水蒸气的空气中传播，水蒸气吸收微波使其产生一定损耗而制成的微波型湿度传感器；利用水蒸气能吸收特定波长的红外线这一现象构成的红外湿度传感器等。它们都能克服水分子亲和力型湿度传感器的缺点。因此，开发非水分子亲和力型湿度传感器是湿度传感器重要的研究方向。

9.3 微波传感器

9.3.1 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、灰尘和强光等的影响很小；介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强。

9.3.2 微波传感器的结构和工作原理

微波振荡器和微波天线是微波传感器的重要组成部分。微波振荡器是产生微波的装置。由于微波波长很短，频率很高，要求振荡回路非常小的电感和电容，因此，不能用普通晶体管构成微波振荡器。构成微波振荡器的器件有速调管、磁控管或某些固体元件。小型微波振荡器也可以采用场效应管。

由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管，波长在10cm以上可用同轴线传输，并通过天线发射出去，为了使发射的微波信号具有一致的方向性，天线应具有特殊的结构和形状。常用的天线有喇叭形天线和抛物面天线等。如图9-3所示为几种形式的微波天线。

图9-3 微波天线

由发射天线发出的微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使其功率发生变化。若利用接收天线接收透过被测物或由被测物反射回来的微波，并将它转换成电信号，再由测量电路处理，就实现了微波检测。

9.3.3 微波传感器的分类

1.反射式传感器

这种传感器通过检测被测物反射回来的微波功率或经过时间间隔来表达被测物的位置和厚度等参数。

2.遮断式传感器

这种传感器通过检测接收天线接收到的微波功率的大小，来判断发射天线与接收天线间有无被测物或被测物的位置等。

9.3.4 微波传感器的应用

9.3.4.1 微波液位计

如图9-4所示为微波液位计检测示意图，相距为S的发射天线和接收天线间构成一定的角度。波长为的微波从被测液位反射后进入接收天线。接收天线接收到的功率将随被测液面的高低不同而异。接收天线接收的功率，可表示为

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