东东瓜
室内空气质量检测与传感器的应用 [摘要]室内空气品质对人的影响至关重要，利用传感器检测空气质量是当今流行的一种方法，本文介绍了传感器在空气质量检测方面的原理应用，分析了当前气体传感器的优点和不足，以及气体传感器的发展趋势和前景。 [关键词]空气质量 气体传感器 室内环境污染 一、空气对于人的重要性 人们每时每刻都离不开氧，并通过吸入空气而获得氧。一个成年人每天需要吸入空气达6500升以获得足够的氧气，因此，被污染了的空气对人体健康有直接的影响。人的一生中有90%以上时间在室内度过，可见，室内空气品质对人的影响更是至关重要。 二、室内环境污染背景 当今，人类正面临“煤烟污染”、“光化学烟雾污染”之后，又出现了“室内空气污染”为主的第三次环境污染。美国专家检测发现，在室内空气中存在500多种挥发性有机物，其中致癌物质就有 20多种，致病病毒 200多种。危害较大的主要有:氡、甲醛、苯、氨以及酯、三氯乙烯等。大量触目惊心的事实证实，室内空气污染已成为危害人类健康的“隐形杀手”，也成为全世界各国共同关注的问题。据统计，全球近一半的人处于室内空气污染中，室内环境污染已经引起7%的呼吸道疾病，22%的慢性肺病和15%的气管炎、支气管炎和肺癌。 三、关于开展室内空气质量服务的几点设想 着手调查国内家庭和办公室内空气质量的基本情况。 了解并着手引进室内空气质量检测设备。 进行规模较大的宣传活动，首先应由气象主管部门与环保主管部门联合建立室内空气质量问题的管理机制。 对国际环保部门有关室内空气质量的法规、技术标准、室内污染测定方法及对测定仪器等问题进行专门的调查和研究。 四、空气检测仪的强力武器——传感器 检测技术是人们认识和改造世界的一种必不可少的重要技术手段。而传感器是科学实验和工业生产等活动中对信息资源的开发获取、传输与处理的一种重要工具。下面将介绍六种在空气质量检测方面发挥重要作用的传感器。 金属氧化物半导体式传感器。金属氧化物半导体式传感器利用被测气体的吸附作用，改变半导体的电导率，通过电流变化的比较，激发报警电路。由于半导体式传感器测量时受环境影响较大，输出线形不稳定。金属氧化物半导体式传感器，因其反应十分灵敏，故目前广泛使用的领域为测量气体的微漏现象。 催化燃烧式传感器。催化燃烧式传感器原理是目前最广泛使用的检测可燃气体的原理之一，具有输出信号线形好、指数可靠、价格便宜、无与其他非可燃气体的交叉干扰等特点。催化燃烧式传感器采用惠斯通电桥原理，感应电阻与环境中的可燃气体发生无焰燃烧，是温度使感应电阻的阻值发生变化，打破电桥平衡，使之输出稳定的电流信号，再经过后期电路的放大、稳定和处理最终显示可靠的数值。 定电位电解式传感器。定电位电解式传感器是目前测毒类现场最广泛使用的一种技术，在此方面国外技术领先，因此此类传感器大都依赖进口。定电位电解式气体传感器的结构:在一个塑料制成的筒状池体内，安装工作电极、对电极和参比电极，在电极之间充满电解液，由多孔四氟乙烯做成的隔膜，在顶部封装。前置放大器与传感器电极的连接，在电极之间施加了一定的电位，使传感器处于工作状态。气体与的电解质内的工作电极发生氧化或还原反应，在对电极发生还原或氧化反应，电极的平衡电位发生变化，变化值与气体浓度成正比。 迦伐尼电池式氧气传感器。迦伐尼电池式氧气传感器的结构:在塑料容器的一面装有对氧气透过性良好的、厚10-30μm的聚四氟乙烯透气膜，在其容器内侧紧粘着贵金属(铂、黄金、银等)阴电极，在容器的另一面内侧或容器的空余部分形成阳极(用铅、镉等离子化倾向大的金属)。用氢氧化钾。氧气在通过电解质时在阴阳极发生氧化还原反应，使阳极金属离子化，释放出电子，电流的大小与氧气的多少成正比，由于整个反应中阳极金属有消耗，所以传感器需要定期更换。目前国内技术已日趋成熟，完全可以国产化此类传感器 红外式传感器。红外式传感器利用各种元素对某个特定波长的吸收原理，具有抗中毒性好，反应灵敏，对大多数碳氢化合物都有反应。但结构复杂，成本高。 PID光离子化气体传感器。PID由紫外灯光源和离子室等主要部分构成，在离子室有正负电极，形成电场，待测气体在紫外灯的照射下，离子化，生成正负离子，在电极间形成电流，经放大输出信号。PID具有灵敏度高，无中毒问题，安全可靠等优点。 五、气体检测仪器仪表产业发展现状深度分析 近年来，随着中国经济的高速发展，仪器仪表产业也得到了快速发展，自2004年产销首次突破千亿元大关，行业发展进入了快车道，2006年行业总产值突破两千亿元;2007年仪器仪表行业总产值达3078亿元，增长率高达5%;据仪器仪表行业协会统计，08年上半年仪器仪表行业总产值实现 9亿元，同比增长8%，其中分析仪器、环境监测仪器仪表增长率高达32%。 科学技术的进步为气体检测仪器仪表行业的发展提供了条件，市场和政府政策的推动、人们安全意识的提高、相关法规法律的完善是气体检测行业发展的核心动力，这些推动使气体检测仪器仪表行业处于产业高速增长期。 从技术发展的角度看，根据使用传感器原理的不同，常见的气体检测仪器仪表各自有适用气体及应用领域，新技术新产品正在成为未来气体检测仪器仪表的主流。 六、对未来空气质量检测的展望 随着人们生活水平的不断提高和对环保的日益重视，对各种有毒、有害气体的探测，对大气污染、工业废气的监测以及对食品和居住环境质量的检测都对气体传感器提出了更高的要求。纳米、薄膜技术等新材料研制技术的成功应用为气体传感器集成化和智能化提供了很好的前提条件。气体传感器将在充分利用微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、传感技术、故障诊断技术、智能技术等多学科综合技术的基础上得到发展。研制能够同时监测多种气体的全自动数字式的智能气体传感器将是该领域的重要研究方向。 参考文献: [1]陈艾敏感材料与传感器[M]北京:高等教育出版社 [2]高晓蓉传感器技术[M]成都:西安交通大学出版社 [3]彭军传感器与检测技术[M]北京:高等教育出版社 [4]王元庆新型传感器原理及应用[M]北京:机械工业出版社 [5]赵茂泰智能仪器原理及应用[M]北京:电子工业出版社 
一、填空（30分，每空5分）1、有一温度计，它的量程范围为0∽200℃，精度等级为5级。该表可能出现的最大误差为 ，当测量100℃ 时的示值相对误差为 。2、在选购线性仪表时，必须考虑应尽量使选购的仪表量程为欲测量的 倍左右为宜。3、传感器由 、 、 三部分组成。 4、利用热敏电阻对电动机实施过热保护，应选择 型热敏电阻。5、已知某铜热电阻在0℃时的阻值为50Ω，则其分度号是 ，对于镍铬-镍硅热电偶其正极是 。6、霍尔元件采用恒流源激励是为了 。7、用水银温度计测量水温，如从测量的具体手段来看它属于 测量。二、选择题(30分，每题2分)1、在以下几种传感器当中 属于自发电型传感器。 A、电容式 B、电阻式 C、压电式 D、电感式2、 的数值越大，热电偶的输出热电势就越大。A、热端直径 B、热端和冷端的温度C、热端和冷端的温差 D、热电极的电导率3、将超声波（机械振动波）转换成电信号是利用压电材料的 。A、应变效应 B、电涡流效应 C、压电效应 D、逆压电效应4、在电容传感器中，若采用调频法测量转换电路，则电路中 。A、电容和电感均为变量 B、电容是变量，电感保持不变C、电感是变量，电容保持不变 D、电容和电感均保持不变5、在两片间隙为1mm的两块平行极板的间隙中插入 ，可测得最大的容量。A、塑料薄膜 B、干的纸 C、湿的纸 D、玻璃薄片6、热电阻测量转换电路采用三线制是为了 A、提高测量灵敏度 B、减小非线性误差 C、提高电磁兼容性 D、减小引线电阻的影响7、当石英晶体受压时，电荷产生在 。A、Z面上 B、X面上 C、Y面上 D、X、Y、Z面上8、汽车衡所用的测力弹性敏感元件是 。 A、悬臂梁 B、弹簧管 C、实心轴 D、圆环9、在热电偶测温回路中经常使用补偿导线的最主要的目的是 。A、补偿热电偶冷端热电势的损失 B、起冷端温度补偿作用C、将热电偶冷端延长到远离高温区的地方 D、提高灵敏度10、减小霍尔元件的输出不等位电势的办法是 。A、减小激励电流 B、减小磁感应强度 C、使用电桥调零电位器11、测得某检测仪表的输入信号中，有用信号为20毫伏，干扰电压也为20毫伏， 则此时的信噪比为 。A、20dB B、1 dB C、0 dB12、发现某检测仪表机箱有麻电感，必须采取 措施。A、接地保护环 B、将机箱接大地 C、抗电磁干扰13、在仿型机床当中利用电感式传感器来检测工件尺寸，该加工检测装置是采了 测量方法。A、微差式 B、零位式 C、偏差式15、在实验室中测量金属的熔点时，冷端温度补偿采用 。A、计算修正法 B、仪表机械零点调整法 C、冰浴法三、证明热电偶的参考电极定律：EAB（t，t0）= EAC（t，t0）- EBC（t，t0），并画出原理图（本题10分）四、有一额定荷重为20×103N的等截面空心圆柱式荷重传感器，其灵敏度KF为2mV/V。激励源电压为12V，求：1、在额定荷重时的输出电压Uom，2、当承载为5×103N时的输出电压Uo。(本题10分）六、已知待测拉力约为70N左右，现有两只测力仪表，一只为5级，测量范围为0∽500N；另一只为0级，测量范围为0∽100N。问选用哪一只测力仪表较好?为什么?(写出计算过程)(本题10分）参考答案一、填空题：1、±1℃，±1% 2、1．5倍 3、敏感元件、传感元件、测量转换电路4、NTC突变 5、CU50，镍铬 6、减小温漂 7、偏位式 8、干扰源，干扰途径，敏感接收器 9、屏蔽，浮置，接地，滤波，光电隔离 10、X面二、选择题1、C 2、C 3、C 4、B 5、D 6、D 7、B 8、C 9、C 10、C11、C 12、B 13、B 14、C 15、C四、24 mV，6 mV五、K拨至1位，反复调节R0，使仪表指示为0，K拨至3位，反复调节RF，使仪表指示为满偏，K拨至2位，进行测量。六、选用0级，测量范围为0∽100N的测力仪表。一、填空（本题共39分，每空5分）1、传感器由 、 、 三部分组成。2、在选购线性仪表时，必须考虑应尽量使选购的仪表量程为欲测量的 倍左右为宜。3、有一温度计，它的量程范围为0∽200℃，精度等级为5级。该表可能出现的最大误差为 ，当测量100℃ 时的示值相对误差为 。 4、利用热敏电阻对电动机实施过热保护，应选择 型热敏电阻。5、在压电晶片的机械轴上施加力，其电荷产生在 。6、霍尔元件采用恒流源激励是为了 。7、用水银温度计测量水温，如从测量的具体手段来看它属于 测量。8、已知某铜热电阻在0℃时的阻值为50Ω，则其分度号是 ，对于镍铬-镍硅热电偶其正极是 。9、压电材料在使用中一般是两片以上，在以电荷作为输出的地方一般是把压电元件 起来，而当以电压作为输出的时候则一般是把压电元件 起来。10、热电阻主要是利用电阻随温度升高而 这一特性来测量温度的。12、金属电阻的 是金属电阻应变片工作的物理基础。14、在动圈式表头中的动圈回路中串入由NTC组成的电阻补偿网络，其目的是为了 。二、选择题（本题共30分，每题2分）3、在电容传感器中，若采用调频法测量转换电路，则电路中 。A、电容和电感均为变量 B、电容是变量，电感保持不变C、电感是变量，电容保持不变 D、电容和电感均保持不变4、在仿型机床当中利用电感式传感器来检测工件尺寸，该加工检测装置是采用了 测量方法。A、微差式 B、零位式 C、偏差式5、热电阻测量转换电路采用三线制是为了 A、提高测量灵敏度 B、减小引线电阻的影响 C、减小非线性误差 D、提高电磁兼容性10、在实验室中测量金属的熔点时，冷端温度补偿采用 。A、冰浴法 B、仪表机械零点调整法 C、计算修正法11、自感传感器或差动变压器采用相敏检波电路最重要的目的是为了 。A、提高灵敏度 B、将输出的交流信号转换为直流信号C、使检波后的直流电压能反映检波前交流信号的幅度和相位12、要测量微小的气体压力之差，最好选用 变换压力的敏感元件。 A、悬臂梁 B、平膜片 C、弹簧管 D、膜盒13、以下四种传感器中，属于四端元件的是 。A、霍尔元件 B、压电晶体 C、应变片 D、热敏电阻 14、下列 不能用做加速度检测传感器。 A、电容式 B、压电式 C、电感式 D、热电偶15、将超声波（机械振动波）转换成电信号是利用压电材料的 。A、应变效应 B、电涡流效应 C、压电效应 D、逆压电效应三、我国的模拟仪表有哪些精度等级？现欲测量240V左右的电压，要求测量示值相对误差的绝对值不大于6%，问：若选用量程为250V的电压表，其精度应选哪一级？若选用量程为500V的电压表，其精度又应选哪一级？（本题10分）四、热电偶参考电极定律有何实际意义？以知在某特定条件下材料A与铂配对的热电动势为967mv， 材料B与铂配对的热电动势为345mv，求出在此特定条件下材料A与B配对后的热电动势？此时哪种材料为正极？（本题10分）五、根据你所学的传感器相关知识，请分别列出下列物理量可以使用什么传感器来测量？（本题11分） 1、加速度：2、温度： 3、工件尺寸： 4、压力：参考答案一、填空题：1、敏感元件、传感元件、测量转换电路 2、1．5倍 3、±1℃，±1%4、NTC突变 5、X面 6、减小温漂 7、偏位式 8、CU50，镍铬9、并联，串联 10、增大 11、屏蔽，浮置，接地，滤波，光电隔离12、应变效应 13、干扰源，干扰途径，敏感接收器 14、温度补偿二、选择题1、C 2、D 3、B 4、B 5、B 6、A 7、C 8、C 9、A 10、C11、D 12、A 13、D 14、C 15、C三、0．1 0．2 0．5 1．0 1．5 2．5 5．0选用量程为250V的电压表，其精度应选0．5级，选用量程为500V的电压表，其精度应选0．2级四、大大简化了热电偶的选配工作，5．622 mv，A为正极五、1、电阻应变片，电容等2、热电偶，热电阻等3、电感，电容等4、压电，霍尔等二、如图所示电路是电阻应变仪中所用的不平衡电桥的简化电路，图中R2=R3=R是固定电阻，R1与R4是电阻应变片，工作时R1受拉，R4受压，ΔR=0，桥路处于平衡状态，当应变片受力发生应变时，桥路失去平衡，这时，就用桥路输出电压Ucd表示应变片变后电阻值的变化量。试证明：Ucd=-（E/2）(ΔR/R)。（10分）证明： 略去 的二次项，即可得
