第10章气敏传感器.docx

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第10章气敏传感器

第十章气敏传感器

10.1接触燃烧式气敏元件

1.检测原理

可燃性气体（H2、CO、CH4等）与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热（无焰接触燃烧热），使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。

一般情况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高（低于10％），可燃性气体可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体的浓度有关。

空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应（燃烧）产生的反应热量（燃烧热）愈多，铂丝的温度变化（增高）愈大，其电阻值增加的就越多。

因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值（ΔR），就可检测空气中可燃性气体的浓度。

实际使用的检测元件：

使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。

这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。

2.连接电路

如图10-1，F1是检测元件，F2是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起的偏差。

图10-1接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路

工作时，要求在F1和F2上保持100mA～200mA的电流通过，以供可燃性气体在检测元件F1上发生氧化反应（接触燃烧）所需要的热量。

当检测元件F1与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用（燃烧），释放出热量，使得检测元件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不再平衡，在A、B间产生电位差E。

（式10-1）

因为ΔRF很小，且RF1•R1=RF2•R2，则有

（式10-2）

如果令

（式10-3）

则有

（式10-4）

由此可得，在检测元件F1和补偿元件F2的电阻比RF2/RF1接近于1的范围内，A、B两点间的电位差E，近似地与ΔRF成比例。

在此，ΔRF是由于可燃性气体接触燃烧所产生的温度变化（燃烧热）引起的，是与接触燃烧热（可燃性气体氧化反应热）成比例的。

ΔRF可用下式表示：

（式10-5）

ρ—检测元件的电阻温度系数；

ΔT—由于可燃性气体接触燃烧所引起的检测元件的温度增加值；

ΔH—可燃性气体接触燃烧的发热量；

C—检测元件的热容量；

Q—可燃性气体的燃烧热；

m—可燃性气体的浓度[％（Vol）]；

α—由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。

ρ，C和α的数值与检测元件的材料、形状、结构、表面处理方法等因素有关。

Q是由可燃性气体的种类决定。

因而，在一定条件下，都是确定的常数。

则：

E=k•m•b其中

（式10-6）

即A、B两点间的电位差与可燃性气体的浓度m成比例。

如果在A、B两点间连接电流计或电压计，就可以测得A、B间的电位差E，并由此求得空气中可燃性气体的浓度。

若与相应的电路配合，就能在空气中当可燃性气体达到一定浓度时，自动发出报警信号，其感应特性曲线如图。

图10-2接触燃烧式气敏元件的感应特性

3.接触燃烧式气敏元件的结构

用高纯的铂丝,绕制成线圈,为了使线圈具有适当的阻值（1Ω～2Ω），一般应绕10圈以上。

在线圈外面涂以氧化铝或氧化铝和氧化硅组成的膏状涂覆层,干燥后在一定温度下烧结成球状多孔体。

将烧结后的小球，放在贵金属铂、钯等的盐溶液中，充分浸渍后取出烘干。

然后经过高温热处理,使在氧化铝（氧化铝一氧化硅）载体上形成贵金属触媒层，最后组装成气体敏感元件。

也可以将贵金属触媒粉体与氧化铝、氧化硅等载体充分混合后配成膏状,涂覆在铂丝绕成的线圈上，直接烧成后备用。

另外，作为补偿元件的铂线圈,其尺寸、阻值均应与检测元件相同。

并且，也应涂覆氧化铝或者氧化硅载体层，只是无须浸渍贵金属盐溶液或者混入贵金属触媒粉体，,形成触媒层而已。

图10-3接触燃烧式气敏元件结构示意图

10.2金属氧化物半导体气敏元件

气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。

当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性（例如电导率）发生变化。

目前流行的定性模型是：

原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。

1.半导体气敏元件的特性参数

（1）气敏元件的电阻值

将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件（电阻型）的固有电阻值，表示为Ｒａ。

一般其固有电阻值在（103～105）Ω范围。

测定固有电阻值Ｒａ时,要求必须在洁净空气环境中进行。

由于经济地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分差别较大，即使对于同一气敏元件，在温度相同的条件下，在不同地区进行测定，其固有电阻值也都将出现差别。

因此，必须在洁净的空气环境中进行测量。

（2）气敏元件的灵敏度

是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。

它表示气体敏感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）与被测气体浓度之间的依从关系。

表示方法有三种：

电阻比灵敏度K：

（式10-7）

Ra—气敏元件在洁净空气中的电阻值；Rg—气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值

气体分离度：

（式10-8）

RC1—气敏元件在浓度为C1的被测气体中的阻值；RＣ2—气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。

通常，C1＞C2。

输出电压比灵敏度

：

（式10-9）

Va：

气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；Vg：

气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出。

（3）气敏元件的分辨率

表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制能力。

气敏元件分辨率S表示为：

（式10-10）

Va—气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压；Vg—气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压；Vgi—气敏元件在i种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压。

（4）气敏元件的响应时间

表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。

一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的63％时为止，所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间，通常用符号

表示。

（5）气敏元件的加热电阻和加热功率

气敏元件一般工作在200℃以上高温。

为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻（指加热器的电阻值）称为加热电阻，用

表示。

直热式的加热电阻值一般小于5Ω；旁热式的加热电阻大于20Ω。

气敏元件正常工作所需的加热电路功率，称为加热功率，用

表示。

一般在（0.5～2.0）W范围。

（6）气敏元件的恢复时间

表示在工作温度下,被测气体由该元件上解吸的速度，一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时，直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值的63％时所需时间。

（7）初期稳定时间

长期在非工作状态下存放的气敏元件，因表面吸附空气中的水分或者其他气体,导致其表面状态的变化，在加上电负荷后，随着元件温度的升高，发生解吸现象。

因此，使气敏元件恢复正常工作状态，需要一定的时间，称为气敏元件的初期稳定时间。

一般电阻型气敏元件，在刚通电的瞬间,其电阻值将下降，然后再上升,最后达到稳定。

由开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间，称为初期稳定时间。

初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数。

存放时间越长，其初期稳定时间也越长。

在一般条件下，气敏元件存放两周以后，其初期稳定时间即可达最大值。

2.烧结型SnO2气敏元件

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）

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。

图10-4内热式气敏器件结构及符号

（2）旁热式SnO2气敏元件

加热器电阻值一般为30Ω～40Ω。

图10-5旁热式气敏器件结构及符号

图10-6气敏元件外形和引出线分布

10.3氧化锆气敏元件

固体电解质是具有离子导电性能的固体物质。

一般认为，固体物质（金属或半导体）中，作为载流子传导电流的是正、负离子。

可是，在固体电解质中，作为载流子传导电流的，却主要是离子。

二氧化锆（ZrO2）在高温下（但尚远未达到熔融的温度）具有氧离子传导性。

纯净的二氧化锆在常温下属于单斜晶系，随着温度的升高，发生相转变。

在1100℃下，为正方晶系，2500℃下，为立方晶系，2700℃下熔融，在熔融二氧化锆中添加氧化钙、三氧化二钇、氧化镁等杂质后，成为稳定的正方晶型，具有莹石结构，称为稳定化二氧化锆。

并且由于杂质的加入，在二氧化锆晶格中产生氧空位，其浓度随杂质的种类和添加量而改变，其离子电导性也随杂质的种类和数量而变化。

在二氧化锆中添加氧化钙、三氧化二钇等添加物后,其离子电导都将发生改变。

尤其是在氧化钙添加量为15％mol左右时,离子电导出现极大值。

但是，由于二氧化锆一氧化钙固溶体的离子活性较低，要在高温下，气敏元件才有足够的灵敏度。

图10-7ZrO2中杂质含量与电导关系

添加三氧化二钇的ZrO2－Y2O3固溶体，离子活性较高，在较低的温度下，其离子电导都较大，如图。

因此，通常都用这种材料制作固定电解质氧敏元件。

添加Y2O3的ZrO2固体电解质材料，称为YSZ材料。

10.4气体传感器的应用

分为检测、报警、监控等几种类型。

1.电源电路

一般气敏元件的工作电压不高（3V～10V），其工作电压，特别是供给加热的电压，必须稳定。

否则，将导致加热器的温度变化幅度过大，使气敏元件的工作点漂移，影响检测准确性。

2.辅助电路

由于气敏元件自身的特性（温度系数、湿度系数、初期稳定性等），在设计、制作应用电路时，应予以考虑。

如采用温度补偿电路，减少气敏元件的温度系数引起的误差；设置延时电路，防止通电初期，因气敏元件阻值大幅度变化造成误报；使用加热器失效通知电路，防止加热器失效导致漏报现象。

图10-8是一温度补偿电路，当环境温度降低时，则负温度热敏电阻（R5）的阻值增大，使相应的输出电压得到补偿。

图10-8温度补偿电路

图10-9为正温度系数热敏电阻（R2）的延时电路。

刚通电时，其电阻值也小，电流大部分经热敏电阻回到变压器，蜂鸣器（BZ）不发出报警。

当通电1～2min后，阻值急剧增大，通过蜂鸣器的电流增大，电路进入正常的工作状态。

图10-9延时电路

3.检测工作电路

这是气敏元件应用电路的主体部分。

下图是设有串联蜂鸣器的应用电路。

随着环境中可燃性气体浓度的增加，气敏元件的阻值下降到一定值后，流入蜂鸣器的电流，足以推动其工作而发出报警信号。

图10-10简单家用可燃性气体报警器电路

图10-11是差分式可燃性气体检测仪电路原理图。

在此电路中，BG1、BG2的参数应力求一致，最好选用差分对管。

采用这种差分电路，检测气体的灵敏度很高。

图10-11差分式可燃性气体检测仪电路

4.应用案例一

本装置是酒精气味检测报警器，当驾驶员饮酒上车后，该检测器接触到酒精气味后立即发出响亮而又连续不断的“酒后别开车”的语音报警声，并切断车辆的点火电路，强制车辆熄火。

该报警器既可以安装在各种机动车上用来限制驾驶员酒后驾车，也可以安装成便携式，用来供交通人员用于交通现场，检测驾驶员是否酒后驾驶之用具有很高的实用性。

图10-12酒精检测报警电路

当酒精气敏元件接触到酒精味后，B极的电压升高，升高的电压随检测到的酒精浓度增大而升高，这就产生了气电信号。

当该信号电压达到1.6V时，使IC2导通，语音报警电路IC3得电发出报警声，同时继电器J动作，其常闭触点断开，切断车辆点火电路，强制发动机熄火。

IC3和IC4组成语言声光报警器，IC3得电后即输出连续不断的“酒后别开车”的语音报警声，经C6输入到IC4进行功率放大后，由扬声器发出响亮的报警声，并驱动LED闪光。

5.应用案例二

如图10-13是烟雾报警器电路，整个电路分为电源、检测、定时报警输出三部分。

烟雾检测检测器件所需的10V和5V直流电源由三端稳压器7810、7805供给。

AB间的电阻，在无烟环境中为几十千欧，在烟雾环境中阻值可下降为几千欧。

当检测到有烟雾时，IC1通过RP1所取得的分压随之增加，比较器IC1便迅速翻转，使VT2导通。

IC2在IC1翻转之前输出高电平，因此VT1也处于导通状态。

只要IC1一翻转，输出端便可输出报警信号。

输出端可接蜂鸣器或发光器件。

IC1翻转后，由R3、C1组成的定时器开始工作。

当电容C1补充电压达到阈值电位时，IC2翻转，则VT1关断，停止输出报警信号。

烟雾消失后，比较器复位，C1通过IC1放电。

图10-13烟雾报警器电路

6.应用案例三

如图10-14是厨用气体监测装置电路，可在一氧化碳等有害气体超过规定值时自动接通排气扇电源，并发出声光报警信号，待有害气体浓度降到标准值以下时即切断电源。

图10-14厨用气体监测装置控制器

在通常情况下，QM-N5型半导体气敏传感器呈现的电阻值较高，一旦接触到可燃性气体，该器件两端的电阻迅速降低，从而使R1两端的电压随之上升。

当该电压达到由一半LM358双运放组成的迟滞比较器的上限电压时，LM358的1脚由低电平转为高电平。

1脚输出的高电平一路经LED1和R6驱动VT1导通，使继电器吸合接通换气扇电源；另一路经R7使IC4的4脚变为高电平。

由IC4组成的多谐振荡器起振，驱动扬声器发出声音，同时LED1的闪光也可兼作报警用。

气敏元件在刚接通电源时，即使在新鲜空气里，它的测量电极也会输出一定幅值的电压。

所以，电路中由另一半LM358组成延时电路。

刚接通电源时，由于C5作用，IC3的6脚为低电平，因此比较器的输出端即IC3的7脚输出高电平，驱动VT2导通，将IC2的3脚对地短路，此时报警电路将不会产生误动作。

当IC3两端的电压通过R13充电逐渐升到约2/3电源电压时，该比较器将输出低电平，解除对IC2的3脚的封锁。

7.应用案例四

如图10-15是家用煤气安全报警电路，一部分是煤气报警器，在煤气浓度达到危险界限前发生警报；另一部分是开放式负离子发生器，其作用是自动产生空气负离子，使煤气中主要有害成分一氧化碳与空气负离子中的臭氧（O3）反应，生成对人体无害的二氧化碳。

图10-15家用煤气（CO）安全报警电路