其他工程量的检测方法优化

（1）温度检测

温度是检测机电一体化系统工作状态的一项重要指标，温度检测对于检测机电系统的热平衡、防止系统过热、避免故障和事故均具有重要作用。

温度检测的手段有很多，其中，最为常见的是基于一些半导体材料（多为金属氧化物如NiO、MnO₂、CuO、TiO₂等）的电阻与温度之间的关系而制成热敏电阻，它具有负的电阻温度系数，阻值随温度的上升而下降。随着半导体技术的发展，近年来集成温度传感器得到了广泛应用，该传感器将辅助电路与传感器同时集成在一块芯片上，使其自身具有校准、补偿、自诊断和网络通信功能，使用十分简单方便，具体内容可查阅相关芯片手册。

根据半导体理论，热敏电阻在温度T时的电阻温度系数为：

式中：b为常数，其值由电阻材质决定。

半导体热敏电阻与常用的金属电阻的区别在于：

1）半导体热敏电阻的灵敏度很高，可测0.001～0.005℃的微小温度变化。

2）半导体热敏电阻元件可制成片状、柱状等，体积小，热惯性小，响应速度快，时间常数可达到毫秒级。

3）半导体热敏电阻元件本身的阻值范围很大，一般在3～700kΩ之间，导线电阻在远距离测量时可以忽略不计。

4）在工程常用的温度范围（-50～350℃）内具有较好的稳定性。

半导体热敏电阻的缺点是线性较差，易受环境温度影响。图4-20所示为热敏电阻元件及其温度特性，曲线上所标的是其室温下的电阻值。

（2）气体检测

气体种类繁多，性质不同，因此，气体的检测需要同时使用多种传感器或者针对特定的气体使用一种传感器。常见的气体检测传感器有：

1）固态电解质气敏传感器。主要检测无机气体，如CO₂、H₂、Cl₂、NO₂、SO₂等。

2）声表面波气敏传感器。主要检测有机气体，如卤化物，苯乙烯，有机磷化物等。(www.xing528.com)

图4-20 热敏电阻元件及其温度特性

a）温度特性 b）热敏电阻元件

3）氧化物半导体气敏传感器。主要检测各种还原性气体，如CO₂、H₂、乙醇和甲醇等。氧化物气敏半导体材料吸附被测气体时，会发生化学反应，放出热量，从而使元件温度相应提高，电阻阻值发生变化。利用这种特性，将气体的浓度和成分信息变换成电信号，进行气体检测。这种气敏传感器多用于众多工业部门，对危险气体进行监测和报警，以保证生产安全。如图4-21所示为典型气敏电阻的阻值-浓度关系曲线。

（3）湿度检测

图4-21 气敏电阻的阻值-浓度关系曲线

湿度传感器常用于测定相对湿度、绝对湿度和露点。湿度传感器的敏感元件主要为一些半导体材料和高分子材料。

1）半导体材料湿度传感器

一些半导体材料，如氧化铁（Fe₃O₄）、氧化铝（Al₂O₃）、氧化钒（V₂O₅）等，具有吸湿特性，其电阻值随湿气的吸咐和脱附过程而变化，利用这一性质可以制成检测湿度的湿敏元件。如图4-22a所示的是一种Fe₃O₄湿敏元件的结构，在绝缘基板上用丝网印刷工艺制成一对梳背状金质电极，其上涂覆一层厚约30μm的固体Fe₃O₄薄膜，经低温烘干，从金质电极引出端线而制成元件。如图4-22b所示为Fe₃O₄湿敏元件的电阻-湿度特性曲线。

图4-22 Fe₃O₄湿敏元件

a）结构 b）特性曲线

2）高分子材料湿度传感器

高分子材料湿度传感器具有精度高、响应速度快、滞后小、可靠性高、重复性好、制造容易等特点。这类湿度传感器一般是由高分子感湿材料放在上下电极之间制成的。高分子材料湿度传感器根据其工作原理可分为电阻型高分子电解质湿度传感器、电容型高分子介质湿度传感器、膨胀型高分子薄膜湿度传感器和涂敷吸湿性高分子材料湿度传感器。