气敏传感器

-1-传感器技术气体传感器任务一可燃气体检测气敏传感器的定义：–是能够感知环境中某种气体及其浓度的一种敏感器件，它将气体种类及其浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息。气敏传感器可分为半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等气敏传感器外形酒精传感器半导体气敏传感器应用最多。它的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。瓦斯是古代植物在堆积成煤的初期，纤维素和有机质经厌氧菌的作用分解而成。在高温、高压的环境中，在成煤的同时，由于物理和化学作用，继续生成瓦斯。瓦斯是无色、无味的气体，但有时可以闻到类似苹果的香味，这是由于芳香族的碳氢气体同瓦斯同时涌出的缘故。瓦斯对空气的相对密度是0.554，在标准状态下瓦斯的密度为0.716kg/m³，瓦斯的渗透能力是空气的1.6倍，难溶于水，不助燃也不能维持呼吸，达到一定浓度时，能使人因缺氧而窒息，并能发生燃烧或爆炸。瓦斯在煤体或围岩中是以游离状态和吸着状态存在的。在标准状况下，甲烷至丁烷以气体状态存在，戊烷以上为液体。如遇明火，即可燃烧，发生“瓦斯”爆炸，直接威胁着矿工的生命安全。因此，矿井工作对“瓦斯”十分重视，除去采取一些必要的安全措施外，有的矿工会提着一个装有金丝雀的鸟笼下到矿井，把鸟笼挂在工作区内。原来，金丝雀对“瓦斯”或其他毒气特别敏感，只要有非常淡薄的“瓦斯”产生，对人体还远不能有致命作用时，金丝雀就已经失去知觉而昏倒。矿工们察觉到这种情景后，可立即撤出矿井，避免伤亡事故的发生半导体式气敏传感器的结构及工作原理（P42）半导体式气敏传感器：–利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质发生变化的原理来检测特定气体的成分或者浓度半导体式气敏传感器可分为电阻式和非电阻式(电阻式和非电阻式的原理需了解)半导体式气敏传感器电阻式烧结型薄膜型厚膜型二极管气敏传感器MOS二极管气敏传感器Pd（铂）—MOSFET气敏传感器非电阻式参考书上图片理解SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型应用最广泛性。其敏感体用粒径很小(平均粒径≤１μm)的SnO2粉体为基本材料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为原料。主要用于检测可燃的还原性气体，其工作温度约300℃。根据加热方式，分为直接加热式和旁热式两种。（1）直接加热式SnO2气敏元件(直热式气敏元件)直热式气敏器件结构及符号1234SnO2烧结体加热极兼电极(a)结构4321(b)符号由芯片(敏感体和加热器)，基座和金属防爆网罩三部分组成。因其热容量小、稳定性差，测量电路与加热电路间易相互干扰，加热器与SnO2基体间由于热膨胀系数的差异而导致接触不良，造成元件的失效，现已很少使用。2、电阻式气敏传感器的结构（2）旁热式SnO2气敏元件加热器电阻值一般为30Ω～40Ω电极加热器瓷绝缘管旁热式气敏器件结构及符号SnO2烧结体123456（a）结构（b）符号–是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。举个例子–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表面物性自由扩散，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而固定在吸附处（化学吸附）。当氧化型气体吸附到N型半导体（SnO2,ZnO)上，还原型气体吸附到P型半导体(CrO3)上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。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，使半导体电阻值下降。3、基本原理H2+CuO==H2O+CuN型半导体吸附气体时器件阻值变化图100550加热开关大气中2min4min吸气时还原型氧化型稳定状态器件加热响应时间约1min以内器件电阻/kP型半导体吸附气体时器件阻值变化图规则总结：氧化型气体＋N型半导体：载流子数下降，电阻增加还原型气体＋N型半导体：载流子数增加，电阻减小氧化型气体＋P型半导体：载流子数增加，电阻减小还原型气体＋P型半导体：载流子数下降，电阻增加N型半导体，又称电子型半导体；P型半导体又称空穴型半导体。气敏电阻式传感器基本测量电路如下图所示。测量电路包括加热回路和测试回路两部分。(a)QM－N5测量电路；(b)TGS812测量电路；(c)TGS109测量电路4、基本测量电路家庭用煤气报警器家庭用液化气报警器一氧化碳传感器NH3传感器甲烷传感器举例：二氧化钛氧浓度传感器的连接以及调测二氧化钛氧浓度传感器的工作原理：半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。可燃气体传感器的检测原理应用电子学院《传感器技术》3.气敏传感器的连接及调测举例：二氧化钛氧浓度传感器的连接以及调测TiO2氧浓度传感器结构TiO2氧浓度传感器测量转换电路1－外壳（接地）2－安装螺栓3－搭铁线4－保护管5—补偿电阻6－陶瓷片7－TiO2氧敏电阻8－进气口9－引脚一、可燃气体传感器的检测原理应用电子学院《传感器技术》3.气敏传感器的连接及调测举例：二氧化钛氧浓度传感器的连接以及调测氧浓度传感器结构图中，二氧化钛气敏电阻与补偿热敏电阻同处于陶瓷绝缘体的末端。当氧气含量减小时，RTiO2的阻值减小，Uo增大。在测量转换电路中，与TiO2气敏电阻串联的热敏电阻Rt起温度补偿作用。当环境温度升高时，TiO2气敏电阻的阻值会逐渐减小，只要Rt也以同样的比例减小，根据分压比定律，Uo不受温度影响，减小了测量误差。一、可燃气体传感器的检测原理应用电子学院《传感器技术》3.气敏传感器的连接及调测举例：二氧化钛氧浓度传感器的连接以及调测二氧化钛氧浓度传感器可用于汽车或燃烧炉排放气体中的氧浓度测量。汽车尾气分析一、可燃气体传感器的检测原理应用电子学院《传感器技术》气敏半导体的灵敏度特性曲线观察右图看说明非线性特性对浓度超限报警是否有利？4.气体检测系统的组成思考题：请同学们根据已介绍的气体传感器的基本检测电路和电子线路设计知识，设计一个完整的气体检测系统。一、可燃气体传感器的检测原理应用电子学院《传感器技术》5.气体检测使用注意事项1）气敏电阻使用时一定要加热一般由变压器二次绕组交流输出或直流电压提供低电压加热。加热温度对气敏电阻的特性影响很大，因此加热器的加热电压必须恒定。如前所述，MQN型气敏传感器使用时气敏电阻工作时必须加热到200300℃，其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁作用）。一、可燃气体传感器的检测原理应用电子学院《传感器技术》5.气体检测使用注意事项2）温度补偿半导体气敏电阻在气体中的电阻值与温度和湿度有关。当温度和湿度较低时，电阻值较大；温度和湿度较高时，电阻值较小。因此，即使气体浓度相同，电阻值也会不同，需要进行温度补偿。如前所述，TiO2氧浓度传感器的测量转换电路中，与TiO2气敏电阻串联的热敏电阻Rt起温度补偿作用。一、可燃气体传感器的检测原理应用电子学院《传感器技术》温度补偿中实用的热敏电阻工作原理半导体热敏电阻简称热敏电阻，是一种新型的半导测温元件。热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度的变化而显著变化的特性实现测温的。半导体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其灵敏度比热电阻高得多。而且体积可以做得很小，故动态特性好，特别适于在-100℃～300℃之间测温。应用电子学院《传感器技术》MF12型NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻二、油烟检测原理应用电子学院《传感器技术》玻璃封装NTC热敏电阻大功率PTC热敏电阻二、油烟检测原理应用电子学院《传感器技术》贴片式NTC热敏电阻非标热敏电阻二、油烟检测原理应用电子学院《传感器技术》MQ-2可燃气体、烟雾MQ-4天然气、甲烷MQ-5液化气、甲烷、煤制气MQ-6液化气、异丁烷、丙烷MQ-8氢气、煤制气MQ-7一氧化碳COMQ-9一氧化碳、可燃气体MQ-3酒精（乙醇）MQ213酒精MP-4天然气MP-6液化气MP-7一氧化碳MP-8氢气三、可燃气体及油烟检测的实现1.可燃气体检测的实现MQ-2型气敏元件对不同种类、不同浓度的气体有不同的电阻值，请根据已学的气体传感器和电子线路的有关知识对如下图所示煤气检测电路进行分析：煤气检测电路应用电子学院《传感器技术》2.油烟蒸汽检测的实现对油烟蒸气的检测选用热敏电阻，本设计选用NTC负温度系数热敏电阻NTCMF5A，请根据已学的温度传感器和电子线路的有关知识对如右图所示煤气检测电路进行分析。油烟检测电路三、可燃气体及油烟检测的实现应用电子学院《传感器技术》简易酒精测试器采用TGS812型酒精传感器，对酒精有较高的灵敏度（对一氧化碳也敏感）.其加热及工作电压都是5V，加热电流约125mA。传感器的负载电阻为R1及R2，其输出直接接LED显示驱动器LM3914。当无酒精蒸汽时，R1及R2上的输出电压很低，随着酒精蒸汽的浓度增加，输出电压也上升，则LM3914的LED（共10个）亮的数目也增加。此测试器只要向传感器呼一口气，根据LED亮的数可知是否喝酒，并可大致了解饮酒多少。TGS-8系列的气敏传感器LM3914是10位发光二极管驱动器，它可以把输入模拟量转换为数字量输出驱动10位发光二极管来进行点显示或柱显示。可燃气体泄漏报警器采用载体催化型MQ系列气敏传感器，作为检测探头。报警灵敏度从0.2%连续可调.当空气中可燃气体浓度达到0.2%时，报警器发出声光报警提醒用户及时处理，同时可以通过继电器控制排风扇向外抽排有害气体。