-1-,傳感器技術,氣體傳感器,任務一可燃氣體檢測,氣敏傳感器的定義：是能夠感知環境中某種氣體及其濃度的一種敏感器件，它將氣體種類及其濃度有關的信息轉換成電信號，根據這些電信號的強弱便可獲得與待測氣體在環境中存在情況有關的信息。,氣敏傳感器可分為半導體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學氣敏傳感器等,氣敏傳感器外形,酒精傳感器,半導體氣敏傳感器應用最多。它的應用主要有：一氧化碳氣體的檢測、瓦斯氣體的檢測、煤氣的檢測、氟利昂的檢測、呼氣中乙醇的檢測、人體口腔口臭的檢測等等。,瓦斯是古代植物在堆積成煤的初期，纖維素和有機質經厭氧菌的作用分解而成。在高溫、高壓的環境中，在成煤的同時，由于物理和化學作用，繼續生成瓦斯。瓦斯是無色、無味的氣體，但有時可以聞到類似蘋果的香味，這是由于芳香族的碳氫氣體同瓦斯同時涌出的緣故。瓦斯對空氣的相對密度是0.554，在標準狀態下瓦斯的密度為0.716kg/m，瓦斯的滲透能力是空氣的1.6倍，難溶于水，不助燃也不能維持呼吸，達到一定濃度時，能使人因缺氧而窒息，并能發生燃燒或爆炸。瓦斯在煤體或圍巖中是以游離狀態和吸著狀態存在的。,在標準狀況下，甲烷至丁烷以氣體狀態存在，戊烷以上為液體。如遇明火，即可燃燒，發生“瓦斯”爆炸，直接威脅著礦工的生命安全。因此，礦井工作對“瓦斯”十分重視，除去采取一些必要的安全措施外，有的礦工會提著一個裝有金絲雀的鳥籠下到礦井，把鳥籠掛在工作區內。原來，金絲雀對“瓦斯”或其他毒氣特別敏感，只要有非常淡薄的“瓦斯”產生，對人體還遠不能有致命作用時，金絲雀就已經失去知覺而昏倒。礦工們察覺到這種情景后，可立即撤出礦井，避免傷亡事故的發生,半導體式氣敏傳感器的結構及工作原理（P42）,半導體式氣敏傳感器：利用半導體氣敏元件同氣體接觸，造成半導體性質發生變化的原理來檢測特定氣體的成分或者濃度半導體式氣敏傳感器可分為電阻式和非電阻式(電阻式和非電阻式的原理需了解),參考書上圖片理解,SnO2系列氣敏元件有燒結型、薄膜型和厚膜型三種。燒結型應用最廣泛性。其敏感體用粒徑很小(平均粒徑m)的SnO2粉體為基本材料，根據需要添加不同的添加劑，混合均勻作為原料。主要用于檢測可燃的還原性氣體，其工作溫度約300。根據加熱方式，分為直接加熱式和旁熱式兩種。,（1）直接加熱式SnO2氣敏元件(直熱式氣敏元件),由芯片(敏感體和加熱器)，基座和金屬防爆網罩三部分組成。因其熱容量小、穩定性差，測量電路與加熱電路間易相互干擾，加熱器與SnO2基體間由于熱膨脹系數的差異而導致接觸不良，造成元件的失效，現已很少使用。,2、電阻式氣敏傳感器的結構,（2）旁熱式SnO2氣敏元件,加熱器電阻值一般為3040,是利用氣體在半導體表面的氧化還原反應導致敏感元件阻值變化而制成的。舉個例子當半導體器件被加熱到穩定狀態，在氣體接觸半導體表面而被吸附時，被吸附的分子首先在表面物性自由擴散，失去運動能量，一部分分子被蒸發掉，另一部分殘留分子產生熱分解而固定在吸附處（化學吸附）。,當氧化型氣體吸附到N型半導體（SnO2,ZnO)上，還原型氣體吸附到P型半導體(CrO3)上時，將使半導體載流子減少，而使電阻值增大。當還原型氣體吸附到N型半導體上，氧化型氣體吸附到P型半導體上時，則載流子增多，使半導體電阻值下降。,3、基本原理,H2+CuO=H2O+Cu,N型半導體吸附氣體時器件阻值變化圖,P型半導體吸附氣體時器件阻值變化圖,規則總結：,氧化型氣體N型半導體：載流子數下降，電阻增加還原型氣體N型半導體：載流子數增加，電阻減小氧化型氣體P型半導體：載流子數增加，電阻減小還原型氣體P型半導體：載流子數下降，電阻增加,N型半導體，又稱電子型半導體；P型半導體又稱空穴型半導體。,氣敏電阻式傳感器基本測量電路如下圖所示。測量電路包括加熱回路和測試回路兩部分。,(a)QMN5測量電路；(b)TGS812測量電路；(c)TGS109測量電路,4、基本測量電路,家庭用煤氣報警器,家庭用液化氣報警器,一氧化碳傳感器,NH3傳感器,甲烷傳感器,舉例：二氧化鈦氧濃度傳感器的連接以及調測,二氧化鈦氧濃度傳感器的工作原理：半導體材料二氧化鈦（TiO2）屬于N型半導體，對氧氣十分敏感。其電阻值的大小取決于周圍環境的氧氣濃度。當周圍氧氣濃度較大時，氧原子進入二氧化鈦晶格，改變了半導體的電阻率，使其電阻值增大。,可燃氣體傳感器的檢測原理,應用電子學院傳感器技術,3.氣敏傳感器的連接及調測,舉例：二氧化鈦氧濃度傳感器的連接以及調測,TiO2氧濃度傳感器結構,TiO2氧濃度傳感器測量轉換電路,1外殼（接地）2安裝螺栓3搭鐵線4保護管5補償電阻6陶瓷片7TiO2氧敏電阻8進氣口9引腳,一、可燃氣體傳感器的檢測原理,應用電子學院傳感器技術,3.氣敏傳感器的連接及調測,舉例：二氧化鈦氧濃度傳感器的連接以及調測,氧濃度傳感器結構圖中，二氧化鈦氣敏電阻與補償熱敏電阻同處于陶瓷絕緣體的末端。當氧氣含量減小時，RTiO2的阻值減小，Uo增大。在測量轉換電路中，與TiO2氣敏電阻串聯的熱敏電阻Rt起溫度補償作用。當環境溫度升高時，TiO2氣敏電阻的阻值會逐漸減小，只要Rt也以同樣的比例減小，根據分壓比定律，Uo不受溫度影響，減小了測量誤差。,一、可燃氣體傳感器的檢測原理,應用電子學院傳感器技術,3.氣敏傳感器的連接及調測,舉例：二氧化鈦氧濃度傳感器的連接以及調測,二氧化鈦氧濃度傳感器可用于汽車或燃燒爐排放氣體中的氧濃度測量。,汽車尾氣分析,一、可燃氣體傳感器的檢測原理,應用電子學院傳感器技術,氣敏半導體的靈敏度特性曲線,觀察右圖看說明非線性特性對濃度超限報警是否有利？,4.氣體檢測系統的組成,思考題：請同學們根據已介紹的氣體傳感器的基本檢測電路和電子線路設計知識，設計一個完整的氣體檢測系統。,一、可燃氣體傳感器的檢測原理,應用電子學院傳感器技術,5.氣體檢測使用注意事項,1）氣敏電阻使用時一定要加熱一般由變壓器二次繞組交流輸出或直流電壓提供低電壓加熱。加熱溫度對氣敏電阻的特性影響很大，因此加熱器的加熱電壓必須恒定。如前所述，MQN型氣敏傳感器使用時氣敏電阻工作時必須加熱到200300，其目的是加速被測氣體的化學吸附和電離的過程并燒去氣敏電阻表面的污物（起清潔作用）。,一、可燃氣體傳感器的檢測原理,應用電子學院傳感器技術,5.氣體檢測使用注意事項,2）溫度補償半導體氣敏電阻在氣體中的電阻值與溫度和濕度有關。當溫度和濕度較低時，電阻值較大；溫度和濕度較高時，電阻值較小。因此，即使氣體濃度相同，電阻值也會不同，需要進行溫度補償。如前所述，TiO2氧濃度傳感器的測量轉換電路中，與TiO2氣敏電阻串聯的熱敏電阻Rt起溫度補償作用。,一、可燃氣體傳感器的檢測原理,應用電子學院傳感器技術,溫度補償中實用的熱敏電阻工作原理半導體熱敏電阻簡稱熱敏電阻，是一種新型的半導測溫元件。熱敏電阻是利用半導體的電阻值隨溫度的變化而顯著變化的特性實現測溫的。半導體熱敏電阻有很高的電阻溫度系數，其靈敏度比熱電阻高得多。而且體積可以做得很小，故動態特性好，特別適于在-100300之間測溫。,應用電子學院傳感器技術,MF12型NTC熱敏電阻,聚脂塑料封裝熱敏電阻,二、油煙檢測原理,應用電子學院傳感器技術,玻璃封裝NTC熱敏電阻,大功率PTC熱敏電阻,二、油煙檢測原理,應用電子學院傳感器技術,貼片式NTC熱敏電阻,非標熱敏電阻,二、油煙檢測原理,應用電子學院傳感器技術,MQ-2可燃氣體、煙霧MQ-4天然氣、甲烷MQ-5液化氣、甲烷、煤制氣MQ-6液化氣、異丁烷、丙烷MQ-8氫氣、煤制氣MQ-7一氧化碳COMQ-9一氧化碳、可燃氣體MQ-3酒精（乙醇）MQ213酒精MP-4天然氣MP-6液化氣MP-7一氧化碳MP-8氫氣,三、可燃氣體及油煙檢測的實現,1.可燃氣體檢測的實現,MQ-2型氣敏元件對不同種類、不同濃度的氣體有不同的電阻值，請根據已學的氣體傳感器和電子線路的有關知識對如下圖所示煤氣檢測電路進行分析：,煤氣檢測電路,應用電子學院傳感器技術,2.油煙蒸汽檢測的實現,對油煙蒸氣的檢測選用熱敏電阻，本設計選用NTC負溫度系數熱敏電阻NTCMF5A，請根據已學的溫度傳感器和電子線路的有關知識對如右圖所示煤氣檢測電路進行分析。,油煙檢測電路,三、可燃氣體及油煙檢測的實現,應用電子學院傳感器技術,簡易酒精測試器,采用TGS812型酒精傳感器，對酒精有較高的靈敏度（對一氧化碳也敏感）.其加熱及工作電壓都是5V，加熱電流約125mA。傳感器的負載電阻為R1及R2，其輸出直接接LED顯示驅動器LM3914。當無酒精蒸汽時，R1及R2上的輸出電壓很低，隨著酒精蒸汽的濃度增加，輸出電壓也上升，則LM3914的LED（共10個）亮的數目也增加。,此測試器只要向傳感器呼一口氣，根據LED亮的數可知是否喝酒，并