气敏、湿敏电阻传感器的应用

第三章 气敏、湿敏电阻传感器第一节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中某些气体的成分、浓度。

例如，煤矿中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，将发生煤气中毒事件；农业塑料大棚中CO 2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中氧气含量不正确时，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），可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换成电流、电压信号。

一、气敏电阻的构成气敏电阻的材料是金属氧化物，制作上通过化学计量比的偏离的杂质缺陷制成的。

金属氧化物半导体分为N 型半导体（如2SnO 、23Fe O 等）和P 型半导体（如O C O 、PbO ）等。

为了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，还掺入催化剂，如钯Pd 、铂Pt 等。

二、气敏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理吸附和化学吸附。

在常温下主要是物理吸附，是气体与气敏材料表面上分子的吸附，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，化学吸附增加，在某一温度时达到最大值。

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

若气敏电阻的温度再升高，由于解吸作用，两种吸附同时减小。

例如，用氧化锡（S n O 2）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100~300℃范围内电导率变化很大，表明此温度范围内化学吸附作用大。

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3-1所示。

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。

电阻的作用压敏电阻、湿敏电阻、气敏电阻、力敏电阻的作用.比如：压敏电阻主要是根据电阻两端施加的电压不同而阻值呈非线性变化。

一般用来抑制突发电压从而保护其它工作电器湿敏电阻：湿敏电阻是一种阻值随环境相对湿度的变化而变化的元件。

主要用于制作湿度传感器（也就是测量环境的湿度）。

气敏电阻：气敏电阻接触被测气体时，产生的化学吸附引起半导体中多数载流子浓度的变化，使气敏电阻数值发生变化，从而感知被测气体。

在现代社会的生产和生活中，人们往往会接触到各种各样的气体，需要对它们进行检测和控制。

比如化工生产中气体成分的检测与控制；煤矿瓦斯浓度的检测与报警；环境污染情况的监测；煤气泄漏：火灾报警；燃烧情况的检测与控制等等。

气敏电阻传感器就是一种将检测到的气体的成分和浓度转换为电信号的传感器。

力敏电阻：是一种能将机械力转换为电信号的特殊元件，它是利用半导体材料的压力电阻效应制成的，即电阻值随外加力大小而改变。

力敏电阻器的应用：主要用于各种张力计、转矩计、加速度计、半导体传声器及各种压力传感器中力敏电阻力敏电阻是一种阻值随压力变化而变化的电阻，国外称为压电电阻器。

所谓压力电阻效应即半导体材料的电阻率随机械应力的变化而变化的效应。

可制成各种力矩计，半导体话筒，压力传感器等。

主要品种有硅力敏电阻器，硒碲合金力敏电阻器，相对而言，合金电阻器具有更高灵敏度。

通常电子秤中就有力敏电阻，常用的压力传感器有金属应变片和半导体力敏电阻。

力敏电阻一般以桥式连接，受力后就破坏了电桥的平衡，使之输出电信号。

气敏电阻1.利用某些半导体吸收某种气体后发生氧化还原反应制成，主要成分是金属氧化物，主要品种有：金属氧化物气敏电阻、复合氧化物气敏电阻、陶瓷气敏电阻等。

2.有一种煤气泄漏报警器，在瓦斯泄漏后会报警，甚至启动脱排油烟机通风。

这种报警器内就是装置了一种气敏电阻。

这种半导体在表面吸收了某种自身敏感的气体之后会发生反应，而使自身的电阻值改变。

它一般有四个电极，两个为加热电极，另两个为测量电极。

气敏电阻的工作原理及应用1. 气敏电阻的工作原理•气敏电阻是一种利用气体敏感元件材料的电阻值随气体浓度变化的特性而实现气体浓度检测的装置。

其工作原理基于敏感元件材料与被测气体之间的化学反应。

•气敏电阻通常由金属氧化物材料制成，如锡氧化物（SnO2）、钛氧化物（TiO2）等。

当这些材料暴露在被测气体中时，气体分子与材料表面发生反应，导致材料的电阻值发生变化。

•气敏电阻通常是红外辐射电阻式气体传感器，它的敏感元件由细微的金属线制成，通过浸渍特殊的气敏材料制成。

这些敏感元件的电阻值会随着被测气体的浓度变化而变化。

2. 气敏电阻的应用2.1 空气质量检测•气敏电阻可用于检测室内空气中有害气体的浓度，如甲醛、二氧化碳等。

通过测量气敏电阻的电阻值，可以了解室内空气质量的健康状况，并及时采取相应的措施进行空气净化。

•气敏电阻在空调系统中也有应用，通过检测空气中二氧化碳的浓度，可以自动调节室内空气的新风供应，提高用户的舒适度。

2.2 燃气泄漏检测•气敏电阻也被广泛应用于燃气泄漏检测。

燃气泄漏会导致空气中浓度升高，气敏电阻能够快速检测到浓度的变化，并通过与报警器或系统连接，及时发出警报，避免燃气泄漏引发火灾或中毒事故。

2.3 汽车尾气检测•气敏电阻在汽车尾气监测领域也有应用。

通过安装在汽车尾气排放系统中的气敏电阻，可以实时监测尾气中的有害气体浓度，如一氧化碳、氮氧化物等。

通过监测尾气排放情况，可以及时发现车辆的尾气污染问题，保护环境，改善空气质量。

2.4 工业领域应用•在工业领域，气敏电阻也被广泛应用于气体检测仪器、燃气灶具、煤气管道和燃气储罐等设备中。

通过检测被测气体的浓度，可以确保设备和工作环境的安全。

3. 气敏电阻的优势和局限性3.1 优势•气敏电阻响应速度快，能够实时检测气体浓度变化。

•气敏电阻结构简单，制造成本相对较低。

•气敏电阻体积小，适用于各种场合的气体检测。

3.2 局限性•气敏电阻对环境条件比较敏感，如温度、湿度等，需要特殊的防护措施。

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。