电阻式传感器的工作原理及应用

电阻式传感器的工作原理及应用————气敏传感器气敏传感器是气敏电阻利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化的效应而制成的传感器。按其结构可以分为烧结型、薄膜型、厚膜型三种。工作原理气敏电阻按其电阻变化的机理可分为表面控制型和体控制型，前者是通过使半导体载流子增多和减少来引起半导体电阻率变化的；后者则是通过使半导体体内晶格发生变化而引起电阻变化的。常见的气敏电阻大都属于表面控制型。以半导体材料2nSO为例说明表面控制型气敏电阻的工作原理。半导体材料2nSO属于N型半导体，这类半导体气敏电阻工作时通常都需要加热。元件在加热开始时阻值急剧的下降，然后上升，一般经过2~10分钟才达到稳定，称之为初始稳定状态。元件只有在达到初始稳定状态后才可用于气体检测。因为元件在“清洁大气”中吸附的氧气量固定不变（空气中的氧分压几乎固定不变），所以其阻值保持一定。一旦某种浓度的被测气体流过元件，则在元件表面产生吸附，此时元件的阻值将随气体浓度变化而变化。如果被测气体是氧化性气体（如2O和xNO），则被吸附气体分子会从气敏元件夺取电子，使N型半导体元件中的载流子电子减少，从而使电阻值增大。如果你被测气体是还原性气体（如2H、CO、酒精等），则气体分子会向气敏元件释放电子，使元件中的载流子电子增多，从而使电阻值下降。气敏电阻对不同气体的灵敏度差别很大，如对乙醚、乙醇、氢气等具有较高的灵敏度，而对甲烷和CO的灵敏度则较低。在材料中掺入某些金属氯化物或贵金属化合物，可提高元件的吸附活性，并显著提高元件的灵敏度和扩大测试范围。气敏传感器的应用1、可燃气体排风警报器当检测到气体浓度达到爆炸或中毒报警器设置的临界点时，可燃气体排风警报器就会发出报警信号，以提醒工作人员采取安全措施，并驱动排风、切断、喷淋系统，防止发生爆炸、火灾、中毒等事故。从而保障安全生产。本设计主要用于检测空气中的可燃气体，常见的如有氢气、一氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、丁烯、乙炔、丙炔、丁炔、硫化氢、磷化氢等当被测场所的空气中存在可燃气体时，探测器便将感知到的信息送到报警仪表；若可燃气体的浓度超过安全指标，则报警器发出光声告警提示，并自动启动排风设备。可燃气体排风警报器的电路原理图如图所示，包括减压整流、稳压模块、气敏传感元件和触发、声光报警电路。半导体气敏元件采用MQ—2型；由于要求灯丝加热电压稳定，所以采用三端稳压器7805对灯丝电压进行稳压，开机预热三分钟。图中的555和2R、2RP、4C组成可控多谐振荡器。平时，强制复位端4脚处于低电平，555处于停振状态；当气敏元件检测到可燃气体时，A—B极间阻值减小，使4脚电位上升到1V以上，555起振，振荡频率取决于2R、2RP、4C的时间常数，即f=224()RRPC。220V交流电源经9V变压器降压后通过由4个二级管组成的桥式整流电路整流成直流10V电压。发光二极管1VD为电源指示灯。当气敏元件2M接触到可燃性气体时，其A—B极间的电阻减小，从而使该电阻与1RP的分压上升，相对应的555的4脚电位上升，当4脚的电位上升到1V以上时555起振。通常情况下，气敏元件的A—B极间的阻值较大，该电阻与1RP的分压减小，相应的使555的4脚处于低电平，555处于停振状态。555起振后，其输出端3脚将输出信号推动蜂鸣器发出报警声。3脚输出信号的频率约为~zkH；调节2RP，可使频率稳定在zkH。2、有害气体控制报警器目前一氧化碳、煤气、液化石油气等气体与居民的生活生产联系越来越密切。作为能源和原材料，虽然他们再给人类带来财富，但是其不安全的使用也会给人类带来巨大的危害。其主要危害方式为：当扩散到空气中的以上气体达到一定浓度时，若人们吸入这些气体会对身体造成危害，严重的甚至死亡；同时，一定浓度的气体一个发生爆炸，从而严重威胁人们的生产生活。针对气体的这些危害，这里选择了有害气体控制报警器来进行介绍，它适应于各种有害气体的检测。当室内有害气体的体积分数达到一定数值时，该控制报警器能及时开启排风扇，同时发出声音报警信号，可以避免有害气体引起的灾害。该有害气体控制报警器由电源电路、气体检测电路、电子开关电路和声光报警电路组成，其原理如图所示。1R、2R、4R~9R均选用1/4碳膜电阻器，3R选用1/2碳膜电阻器。1C、2C和4C均选用耐压值为25V的铝电解电容器，3C选用涤纶电容器。1VD~4VD、7VD均选用1N4007型硅整流二极管，5VD和6VD均选用1N4148型硅开关二极管，1VS选用1W、12V的1N4742型稳压二极管，2VS选用1/2W、的1N231或1N5992B型稳压二极管。VL选用5mm的发光二极管，1VTVT和4VT选用S9013或3DG6型硅NPN型晶体管，2VT选用S9012或3CG2l型硅NPN型晶体管3VT，和5VT均选用S8050或C8050型硅NPN型晶体管。IC选用KD9561型音效集成电路。K选用12V的HH53P直流继电器。BL选用8、电动势扬声器。气敏传感器选用QM—NG1型气敏元件。气体检测电路由气体传感器和外围元器件组成。当气体传感器的表面吸附有被测气体时，其电阻率会发生变化，因此它是一种气电转化元件。在如图所示电路中，气体传感器在不接触有害气体时，其A—B两极间的电阻值很大13~VTVT均截止，继电器K不吸合，控制器不工作。当室内有害气体达到一定浓度时，气体传感器A—B两极间的阻值将变小，使13~VTVT均导通继电器K吸合，其常开触点1K、2K、3K均闭合，使排风扇电动机M和声光报警电路通电工作，扬声器BL中发出响亮的警声信号，发光二极管ＶＬ随着警声而闪亮。同时排风扇不断地把室内有害气体排放到室外。当室内有害气体体积分数降到某一预定值时，继电器会自动切断排风扇和声光报警电路的工作电源，使其停止工作，从而达到自动控制室内有害气体的目的。有害气体的比重不同，因此检测不同气体时，控制报警器的安装位置是不同的。若用于检测煤气，应将该控制报警器安装在厨房的高处；若用于检测液化石油气，则应将该控制报警器安装在厨房的低处。3、防止酒后开车控制器如图所示为防止酒后开车控制器的电路原理图。图中QM—J1为酒敏元件。若司机没喝酒，在驾驶室内合上开关S，此时气敏器件的阻值很高，aU为高电平，1U为低电平，3U为高电平继电器2K线圈失电，其触点22K闭合，发光二极1VD管通，发绿光，能点火启动发动机；若司机酗酒，气敏器件的阻值急剧下降，aU使为低电平，1U为高电平，3U为低电平，继电器2K线圈通电，触点22K闭合，发光二极2VD管通，发红光，以示警告，同时常闭触点21K断开，无法启动发动机。若司机拔出气敏元件，则继电器2K线圈失电其常开触点11K断开，仍然无法启动发动机。常闭触点12K的作用是长期加热气敏元件，保证此控制器处于准备工作状态。图中的5G1555为集成定时器。参考文献[1]韩裕生,乔志花,张金.传感器技术及应用.北京:电子工业出版社,2013.