6.1气敏传感器基本原理及测量电路.pptx

气敏传感器的原理及应用半导体气体传感器：半导体气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件组织发生变化而制成的。

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物体表面自由扩散，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吸附在物体表面。

当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力，则吸附分子将从器件夺走电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。

[1]例如氧气，等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体。

如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。

具有正离子吸附倾向的气体有氢气、一氧化碳等，它们被称为还原性气体。

当氧化型气体吸附到n型半导体，还原性气体吸附到p型半导体上时，将使半导体载流子减少，而使电阻增大。

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，半导体阻值下降。

非电阻型气体传感器也是半导体气体传感器之一。

它是利用mos二极管的电容-电压特性的变化以及mos场效应晶体管的阈值电压变化等特性而制成的气体传感器。

由于这类传感器的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳定价格便宜。

利用特定材料还可以使传感器对某些气体特别敏感。

催化燃烧式传感器：可燃气体报警器的原理基本上都是催化燃烧式催化燃烧式气体传感器是采用惠斯通电桥原理，由检测元件和补偿元件配对构成测量电桥，在一定温度条件下，可燃气体在检测元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧，载体温度就升高，通过它内部的铂丝电阻也相应升高，从而使平衡电桥失去平衡，输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号，再经过后期电路的放大、稳定和处理zui终显示可靠的数值。

电化学传感器：电化学传感器是两电极系统。

其工作电极和对电极由一薄层电解液隔开并经由一个很小的电阻联通外电路。

当气体扩散进入传感器后，在敏感电极表面进行氧化或还原反应，产生电流并通过外电路流经两个电极。

气敏传感器工作原理
气敏传感器是一种用于检测气体浓度或气体特性的传感器。

它们基于气体与敏感材料之间相互作用的变化来实现气体检测。

下面是一般气敏传感器的工作原理：
敏感材料选择：根据需要检测的气体种类和特性，选择适合的敏感材料。

常用的敏感材料包括金属氧化物（如二氧化锡、二氧化钛）、半导体材料（如硅、锗）以及聚合物材料等。

基线电阻测量：在传感器未受到气体作用时，测量敏感材料的基线电阻值。

基线电阻是指在没有目标气体存在时的敏感材料的电阻值，它通常是一个稳定的参考值。

气体作用：当目标气体接触到敏感材料时，气体分子与敏感材料表面发生化学反应、吸附或吸收等作用，导致敏感材料的电学特性发生变化。

电学信号变化：敏感材料的电学特性的变化导致传感器输出电信号的变化。

这些变化可以是电阻、电容、电压或电流的变化，取决于传感器的工作原理和设计。

信号处理：传感器输出的电信号经过信号处理电路，如放大、滤波和线性化处理，以提取有效的气体浓度信息。

气体浓度检测：通过与预先建立的校准曲线或算法进行比较，将传感器输出的电信号转换为对应的气体浓度或指示气体特性
的数值。

气敏传感器利用敏感材料与目标气体之间的相互作用来实现气体检测，通过测量电学特性的变化来获得目标气体的相关信息。

不同类型的气敏传感器采用不同的敏感材料和工作原理，因此其具体的工作原理会有所不同。

第五章可燃性气体抠借电路町燃性气体检测报警装置广泛应用在国民经济的各个领域.同时在人们的日常生活中. 在保证家庭安全方面也起到了不可忽视的作用。

本章将对可燃性气体检测报警的基本知识及 i荃实用报警电路进行介绍。

第一节可燃性气体检测报警基本知识-x可燃性r体检测用传感器可燃性气体检测用传想赭乂称为气体传感器或气峨元件，主察用于工业中天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆.有毒、有害气体的呛滞，并进行自动控制及安全报警。

二、可燃性气体检测及报畫装■的便用1.气敏元件的安装可燃性气体粉测及报警装置中的主要器件为气救元件.它可以将某种气体浓度的变化转换为由信号并送井善由跌.閃曲.峠峪云件常1方46获口独韭张宜曹口右冷培一木3血出第二节燃气熄火报警电路一、燃气熄火报畫霍燃气灶的火焰如眾发生非正常的熄灭. 往往会形成可燃性气体犬量泄漏〉如未及时发现，将可能发生安全亭故，逍成不必要的拥失「燃气熄火报警器是一个燃气火焰檢测报警电路•如图5・1所示。

火焰检测传想器由光敏电Rt RL担任。

光敏电阻是由半导体材料制成的，当光敏电阻的受光面受到光照作用时.其电导率将发生变化。

无光照射，光戦电阻的阻値很大• 约在1 -100MQ之间.使得流过电路中的电流很小；当有光照射时，光敏电阻的阻值变小.一般在10kC以下。

由于光敏电阻RL与电位器Rh组成分压电路.当燃烧正常时.光敏电阻RL受火焰光线照射而呈现低阻值.它与RR的分压值通过R为半导体管VT|提供足够的旱极电流，使VT•侦和导適.VT,的你申帜輸出低由平.伸抿蜃理曲曲总IC・的伸能地©Jffillta"卜干低由单煤气熄火报警电路如图5・3所示。

恿火探测传想器为两根直径大J1 Imm的金属丝A、B. 亡们的问距为5mm3金处丝探头A、B放1tt在产生火焰的地方，在无火焰时它们足绝缘的. 但往高温F由于空气的电离，A. B间便可导电。

在煤气正常燃烧时.探头A、B间形成导体，Vh和VT2绍成的复合管导通• 1G的触发瑞呈低电平而不工作.其输出端无报警信号. 扬車器无报警声发出。

气敏传感器及其工作原理指导老师：雷家珩汇报者：周华汇报时间：2011.11.2目录•气敏传感器定义•气敏传感器分类•气敏传感器工作原理•气敏传感器的应用•气敏传感器研究现状与发展趋势•参考文献1 气敏传感器定义气敏传感器是一种将检测到的气体成份和浓度转换为电信号的传感器。

它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。

2 气敏传感器分类半导体式气敏传感器气敏传感器绝缘体气敏传感器电化学气敏传感器光干涉式气敏传感器热传导式气敏传感器红外线吸收散式气敏传感器电阻型非电阻型接触燃烧式型电容式恒电位电解式伽伐尼电池式3 气敏传感器工作原理3.1 半导体气敏传感器工作原理●半导体气敏传感器(见图1,2)由气敏部分、加热丝及防爆网等构成,它是在气敏部分的SnO2、Fe2O2、ZnO2等金属氧化物中添加Pt、Pd等敏化剂的传感器。

●半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体(主要是金属氧化物)表面接触时,产生的电导率等物性变化来检测气体。

半导体气敏器件被加热到稳定状态下,当气体接触器件表面而被吸附时,吸附分子首先在表面自由地扩散(物理吸附) ,失去其运动能量,其间的一部分分子蒸发,残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸附)。

这时,如果器件的功函数小于吸附分子的电子亲和力,则吸附分子将从器件夺取电子而变成负离子吸附。

具有负离子吸附倾向的气体有O2和NOx,称为氧化型气体或电子接收性气体。

如果器件的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分子将向器件释放电子,而成为正离子吸附。

具有这种正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和酒类等,称为还原型气体或电子供给性气体。

图1 半导体气敏传感器结构图图2 半导体气敏传感器的符号表示●当氧化型气体吸附到N型半导体上,还原型气体吸附到P型半导体上时,将使载流子减少,而使电阻增大。

气敏电阻传感器的原理及结构工业、科研、生活、医疗、农业等许多领域都需要测量环境小某些气体的成分、浓度。

例如．煤矿个瓦斯气体浓度超过极限值时，有可能发生爆炸：家庭发生煤气泄漏时，会导致煤气中毒事件人则k塑料大棚小CQ浓度不足时，农作物将减产；锅炉和汽车发动机汽缸燃烧过程巾氧气含量不正确时，效率将降低，并造成环境污染使用气敏电阻传感器(以下简称气敏电阻)阻变化量．再转换成电流、电压信号。

一、气敏电阻的构成可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电气敏电阻的材料是金属氧化物，金属氧化物半导体分为塑型半导体(如sn()h、FqO。

等)和F型半导体(如Co()、Pb())等。

为厂提高某种气敏电阻对某些气体成分的选择性和灵敏度，合成这些材料时．还掺人催化剂，如钮(N)、铂(P1)等。

二、气教电阻的原理及特性金属氧化物在常温下是绝缘体，制成半导体后却显示气敏特性，其机理是比较复杂的。

但是．这种气敏元件接触气体时，由于表面吸附气体，致使它的电阻率发生明显的变化却是肯定的。

这种对气体的吸附可分为物现吸附和化学吸附。

在常温下主要是物理吸附，是气体与气TI代理敏材料发面上分子的吸附，它们之间没有电子交换，不形成化学键。

若气敏电阻温度升高，化学吸附就增加，并在粟一温度时达到最大使。

化学吸附是气体与气敏材料表面建支离子吸附，它们之间有电子的交换，存在化学键力。

若气敏电cjmc%ddz阻的温度再升高。

ATMEL代理出于解吸作用，两种吸附同时减小。

例如，用氧化锡(sn 队)制成的气敏电阻，在常温下吸附某种气体后，其电阻率变化不大，表明此时是物理吸附。

若保持这种气体浓度不变，该元件的电导率随元件本身温度的升高而增加，尤其在100一300℃电导率变化很大，表明此温度范围内化学吸附作用钽电容大。

气敏元件：工作时需要本身的温度比环境温度高很多。

为此，气敏元件在结构上要有加热器，通常用电阻丝加热，如图3所示。

氧叫：锡(SnQ)、氧化锌(Zn())材料气敏元件输出电压与温度的关系曲线如图所示。