3章1气敏传感器

气敏传感器实验
一、实验目的：了解气敏传感器原理及特性。

二、基本原理：气敏传感器是指能将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件。

它一般可分为：半导体式、接触燃烧式、红外吸收式、热导率变化式等等。

本实验采用的是TP-3集成半导体气敏传感器，该传感器的敏感元件由纳米级SnO2（氧化锡）及适当掺杂混合剂烧结而成，具微珠式结构，是对酒精敏感的电阻型气敏元件；当受到酒精气体作用时，它的电阻值变化经相应电路转换成电压输出信号，输出信号的大小与酒精浓度对应。

传感器对酒精浓度的响应特性曲线、实物及原理如下图所示。

(a)TP-3酒精浓度—输出曲线 (b)传感器实物、原理图
1酒精传感器响应特性曲线、实物及原理图
三、需用器件与单元：主机箱电压表、+5V直流稳压电源；气敏传感器、酒精棉球(自备)。

四、实验步骤：
1、按下图示意接线，注意传感器的引线号码。

气敏(酒精)传感器实验接线示意图
2、将电压表量程切换到20V档。

检查接线无误后合上主机箱电源开关，传感器通电较长时间(至少5分钟以上，因传感器长时间不通电的情况下，内阻会很小，上电后Vo输出很大，不能即时进入工作状态)后才能工作。

3、等待传感器输出Vo较小(小于1.5Ｖ)时，用自备的酒精小棉球靠近传感器端面并吹2次气，使酒精挥发进入传感网内，观察电压表读数变化对照响应特性曲线得到酒精浓度。

实验完毕，关闭电源。

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。

一、气敏电阻传感器气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器，它的传感元件是气敏电阻。

气敏电阻形式繁多，可以检测各种特定对象的气体，如各种还原性气体。

1．还原性气体传感器所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。

还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。

【举例】各种可燃性气体传感器如，酒精传感器、煤气报警器、液化气报警器、一氧化碳传感器、甲烷传感器等。

2．二氧化钛氧浓度传感器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。

TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路介绍【举例】氧浓度传感器可用于汽车尾气测量气敏半导体的灵敏度较高，它较适用于气体的微量检漏、浓度检测或超限报警。

二、湿敏电阻传感器湿度包括：绝对湿度和相对湿度，湿度对电子元件的影响很大。

检测湿度的手段很多，如毛发湿度计、干湿球湿度计、石英振动式湿度计、微波湿度计、电容湿度计、电阻湿度计等，本节介绍陶瓷湿敏电阻式湿度传感器。

图2－19是陶瓷湿敏电阻传感器的结构、外形及测量转换电路框图，它主要用于测量空气的相对湿度。

新型传感器包括气敏传感器、湿敏传感器、微传感器、光栅传感器、光电式传感器、光纤传感器、集成化智能传感器等。

本章分别介绍了这些新型传感器概念、工作原理、性能参数、应用领域等相关问题。

第10章气敏、湿敏传感器本章主要内容10.1 气敏传感器一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类1. 定义2. 结构：半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳。

3. 分类：按其制造工艺，分为烧结型、薄膜型和厚膜型；按加热方式不同，可分为直热式和旁热式两种气敏器件。

二. 半导体气敏材料的气敏机理三. SnO2 系列气敏器件1. 主要特性2. 检测电路四. 气敏传感器的应用1 简易家用气体报警2 有害气体鉴别、报警与控制电路3 防止酒后开车控制器10.2 湿敏传感器一．半导体陶瓷湿敏电阻1. 负特性湿敏半导瓷的导电原理2 正特性湿敏半导瓷的导电原理二. 典型半导瓷湿敏元件三. 湿敏传感器的应用1 湿度检测器2 高湿度显示器本章教学要求及重点、难点一．教学要求1.了解气敏、湿敏电阻传感器的结构2. 掌握气敏、湿敏电阻传感器的工作原理及应用二. 重点、难点重点：气敏、湿敏电阻传感器的原理及应用难点：气敏、湿敏电阻传感器的原理10.1 气敏传感器一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类1. 定义气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器，它的传感元件是气敏电阻。

气体传感器的设计原理气体传感器是通过测量环境中某些特定气体浓度来检测、识别和定量分析气体成分的装置。

它是基于一定物理或化学原理工作的独立系统，可用于室内或室外环境的气体检测、监测和控制。

本文将就气体传感器的开发原理、关键技术和应用举例进行介绍。

一、气体传感器的基本原理气体传感器可分为两类：基于化学反应原理的气敏阻抗式传感器和基于光学、声学等物理原理的传感器。

其中气敏阻抗式传感器是目前主流技术之一，原理如下：1. 感受元件的选择气敏阻抗式传感器是通过感受元件对周围气体的化学反应，使元件的电阻值或阻抗发生变化，从而检测气体浓度的。

感受元件的选择对于传感器的灵敏度、选择性和可靠性等方面都有着至关重要的作用。

常见的感受元件有：金属氧化物（MOX）、半导体、电解质、电化学和催化剂等。

2. 工作原理以MOX感受元件为例，其工作原理如下：当周围气体存在化学物质时，感受元件表面的氧分子会与该化学物质作用，导致电子从感受元件向化学物质转移，形成离子和自由电子。

随着感受元件的电阻值或阻抗的变化，传感器的输出信号也相应变化，从而探测获得环境中气体的浓度。

3. 电路设计气体传感器的控制电路是将感受元件的电阻值或阻抗转换成标准电压或电流输出的重要部分。

电路的设计需要考虑传感器的工作原理、性能指标及输出要求等因素。

通常，控制电路由线性运算放大器、滤波电路、AD变换器、可编程信号处理器等部分构成。

二、气体传感器的关键技术1. 感受元件技术气体传感器的品质和性能直接受到感受元件的影响。

感受元件目前主要有MOX感受元件、半导体感受元件、电化学感受元件和催化剂感受元件等。

不同的元件有不同的特点和应用场景，需要综合考虑。

2. 传感器信号整理技术气体传感器的信号需要进行稳定处理和滤波处理，保证传感器输出的准确性和可读性。

常见的传感器信号整理技术有：前后端信号处理，外界干扰信号处理、工作温度范围控制等。

3. 防尘、防水技术气体传感器通常工作在环境比较恶劣的条件下，因此需要具备防尘、防水等功能。

气敏传感器课程设计一、教学目标本节课的学习目标主要包括知识目标、技能目标和情感态度价值观目标。

知识目标要求学生掌握气敏传感器的原理、结构和应用；技能目标要求学生能够运用气敏传感器进行简单的气体检测实验，并能够分析实验结果；情感态度价值观目标要求学生培养对科学实验的兴趣，提高科学探究的能力。

二、教学内容本节课的教学内容主要包括气敏传感器的原理、结构和应用。

首先，通过讲解气敏传感器的原理，使学生了解气敏传感器的工作原理和特点；其次，介绍气敏传感器的结构，使学生了解气敏传感器的组成部分及其作用；最后，通过实例分析，使学生掌握气敏传感器的应用方法和技巧。

三、教学方法为了提高教学效果，本节课将采用多种教学方法相结合的方式。

首先，通过讲授法，向学生讲解气敏传感器的原理和结构；其次，采用讨论法，引导学生探讨气敏传感器的应用方法和技巧；再次，利用案例分析法，让学生分析实际应用中气敏传感器的工作原理和效果；最后，通过实验法，让学生亲自动手进行气体检测实验，提高学生的实践操作能力。

四、教学资源为了支持本节课的教学，将准备以下教学资源：教材《传感器与检测技术》、参考书《传感器技术与应用》、多媒体资料（包括气敏传感器的原理动画、实验操作视频等）、实验设备（包括气敏传感器、实验台等）。

这些教学资源将有助于提高学生的学习兴趣，丰富学生的学习体验，帮助学生更好地理解和掌握气敏传感器的相关知识。

五、教学评估本节课的评估方式包括平时表现、作业和考试三个部分。

平时表现主要评估学生在课堂上的参与程度、提问回答等情况，占总评的30%；作业主要评估学生对课堂所学知识的掌握和应用能力，占总评的30%；考试主要评估学生对气敏传感器知识的全面理解和运用能力，占总评的40%。

评估方式客观、公正，能够全面反映学生的学习成果。

六、教学安排本节课的教学安排如下：共4课时，每课时45分钟。

第一课时讲解气敏传感器的原理，第二课时介绍气敏传感器的结构，第三课时分析气敏传感器的应用方法，第四课时进行气体检测实验。

气敏传感器工作原理
气敏传感器是一种可以检测气体浓度变化的设备。

它的工作原理基于化学反应和电学信号转换。

首先，气敏传感器内部包含一个灵敏的化学材料，通常是一种金属氧化物。

这些氧化物材料具有氧化还原能力，在特定气体环境中可以发生化学反应。

当目标气体进入传感器时，它会与化学材料发生反应，导致材料的电导率发生变化。

其次，传感器利用电极将化学材料与外部电路连接。

当传感器受到外部电压的激励时，电导率的变化将导致电流的流动。

传感器内部的电路会测量电流的变化，从而得出气体浓度的信息。

一般情况下，气敏传感器的电阻值与目标气体浓度呈反比关系。

当目标气体浓度增加时，传感器的电阻值会减小，电流增大；反之，当目标气体浓度减小时，电阻值会增大，电流减小。

总的来说，气敏传感器通过化学反应和电学信号转换的方式来检测气体浓度的变化。

它可以应用于空气质量监测、工业生产过程中有害气体的检测等领域。

气敏传感器的功能及应用场合1．甲烷传感器功能：一般采用载体催化元件为检测元件。

产生一个与甲烷的含量成比例的微弱信号，经过多级放大电路放大后产生一个输出信号，送入单片机片内A/D转换输入口，将此模拟量信号转换为数字信号。

然后单片机对此信号进行处理，并实现显示，报警等功能。

应用场合：甲烷传感器在煤矿安全检测系统中用于煤矿井巷、采掘工作面、采空区、回风巷区、机电峒室等处连续检测甲烷浓度，当甲烷浓度超限时，能自动发出声、光报警，可供煤矿井下作业人员，甲烷检测人员，井下管理人员等随身携带使用。

2．一氧化碳传感器功能：一氧化碳气体传感器与报警器配套使用，是报警器中的核心检测元件，它是以定电位电解为基本原理。

当一氧化碳扩散到气体传感器时，其输出端产生电流输出，提供给报警器中的采样电路，起着将化学能转化为电能的作用。

当气体浓度发生变化时，气体传感器的输出电流也随之成正比变化，经报警器的中间电路转换放大输出，以驱动不同的执行装置，完成声、光和电等检测与报警功能，与相应的控制装置一同构成了环境检测或监测报警系统。

应用场合：一氧化碳传感器广泛使用在矿山，汽车，家庭等空气质量安全检测的地方。

3．氧气传感器功能：氧气传感器简单来说是一个密封容器（金属的或塑料的容器），它里面包含有两个电极：阴极是涂有活性催化剂的一片PTFE（聚四氟乙烯），阳极是一个铅块。

这个密封容器只在顶部有一个毛细微孔，允许氧气通过进入工作电极。

两个电极通过集电器被连接到传感器表面突出的两个引脚，而传感器通过这两个触角被连接到所应用的设备上。

传感器内充满电解质溶液，使不同种离子得以在电极之间交换。

进入传感器的氧气的流速取决于传感器顶部的毛细微孔的大小。

当氧气到达工作电极时，它立刻被还原释放出氢氧根离子。

这些氢氧根离子通过电解质到达阳极（铅），与铅发生氧化反应，生成对应的金属氧化物。

两个反应发生生成电流，电流大小相应地取决于氧气反应速度（法拉第定律），可外接一只已知电阻来测量产生的电势差，这样就可以准确测量出氧气的浓度。

第一章传感器的一般特性1.传感器技术的三要素。

传感器由哪3部分组成?2.传感器的静态特性有哪些指标?并理解其意义。

3.画出传感器的组成方框图,理解各部分的作用。

4.什么是传感器的精度等级?一个0.5级电压表的测量范围是0~100V,那么该仪表的最大绝对误差为多少伏?5.传感器工作在差动状态与非差动状态时的优点有哪些?灵敏度、非线性度?第二章应变式传感器6.应变片有那些种类?金属丝式、金属箔式、半导体式。

7.什么是压阻效应?8.应变式传感器接成应变桥式电路的理解、输出信号计算。

应变片桥式传感器为什么应配差动放器?9.掌握电子称的基本原理框图,以及各部分的作用。

10.电阻应变片/半导体应变片的工作原理各基于什么效应?11.半导体应变片与金属应变片各有哪些特点。

第三章电容式传感器12.电容式传感器按工作原理可分为哪3种?13.寄生电容和分布电容对电容式传感器有什么影响?解决电缆电容影响的方法有那些?14.什么是电容电场的边缘效应?理解等位环的工作原理。

15.运算法电容传感器测量电路的原理及特点。

第四章电感式传感器16.了解差动变压器的用途及特点。

17.差动变压器的零点残余电压产生的原因?第五章压电式传感器18.什么是压电效应?什么是逆压电效应?常用压电材料有哪些?19.压电传感器能否测量缓慢变化和静态信号?为什么?20.压电传感器的前置放大器电路形式主要有哪两种?理解电压放大器、电荷放大器的作用。

第六章数字式传感器21.光栅传感器的原理。

采用什么技术可测量小于栅距的位移量?22.振弦式传感器的工作原理。

第七章热电式传感器23.热电偶的热电势由那几部分组成?24.热电偶的三定律的理解。

25.掌握热电偶的热电效应。

26.热电偶冷端补偿原理和必要性及补偿电桥法的补偿原理。

27.铂电阻采用三线制接线方式的原理和特点?28.采用负温度系数热敏电阻稳定晶体管放大器静态工作点的工作原理。

29.集成温度传感器AD590的主要特点。

MQ-3 酒精检测用半导体气敏元件MQ-3气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。

当传感器所处环境中存在酒精蒸汽时，传感器的电导率随空气中酒精气体浓度的增加而增大。

使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

MQ-3气体传感器对酒精的灵敏度高，可以抵抗汽油、烟雾、水蒸气的干扰。

这种传感器可检测多种浓度酒精气氛，是一款适合多种应用的低成本传感器。

MQ-3气体传感器特点* 对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好的选择性* 快速的响应恢复特性* 长期的寿命和可靠的稳定性* 简单的驱动回路应用用于机动车驾驶人员及其他严禁酒后作业人员的现场检测；也用于其他场所乙醇蒸汽的检测。

测试电路气敏传感器的外观和相应的结构形式如图3所示，它由微型氧化铝陶瓷管、氧化锌敏感层，测量电极和加热器构成，敏感元件固定在塑料或不绣钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。

封装好的气敏元件有6个管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。

图3中①、②、③分别表示MQ-3乙醇传感器的引脚排布图、引脚功能图、使用接线图。

其中H-H表示加热极（如5V），A-A、B-B传感器表示敏感元件的2个极，图③中“V”为传感器的工作电压，同时也是加热电压。

MQ-3传感器的外观和相应的结构形式本设计主要是通过电阻分压电路测量酒精气体浓度变化的，而LM3914也是根据输入电压的大小决定点亮LED的数量的，因此可以先调试传感器之后的电路时是否正常。

使用5V稳MQ3 酒精传感器是气敏传感器，其具有很高的灵敏度、良好的选择性、长期的使用寿命和可靠的稳定性。

MQ3 型气敏传感器由微型Al2O3、陶瓷管和SnO2 敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或者不锈钢的腔体内，加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作条件。

传感器的标准回路有两部分组成：其一为加热回路；其二为信号输出回路，它可以准确反映传感器表面电阻的变化。