6.2气敏传感器应用电路的设计.

气敏传感器的原理与应用

1. 气敏传感器的概述

• 气敏传感器是一种可以检测和测量气体浓度的装置，常用于环境监测、工业生产和安全检测等领域。

• 气敏传感器的原理基于气体与传感器元件之间的相互作用，通过测量元件的电阻、电容或其他属性变化来判断气体的浓度。

2. 气敏传感器的工作原理

• 2.1 电化学型气敏传感器

– 电化学传感器使用化学反应来检测气体浓度，常见的有电池式气体传感器和电解池式气体传感器。

– 电化学传感器通过气体与传感器内部的电极相互作用产生电流或电势变化，进而测量气体浓度。

• 2.2 电阻型气敏传感器

– 电阻型传感器利用气体对敏感材料电阻的影响来测量气体浓度，常见的有氧气传感器、CO传感器等。

– 当敏感材料暴露在目标气体中时，其电阻会随气体浓度的变化而变化，可以通过测量电阻的变化来获得气体浓度信息。

• 2.3 光学型气敏传感器

– 光学型传感器利用气体分子对光的吸收或发射特性来测量气体浓度，常见的有红外线气敏传感器、紫外线气敏传感器等。

– 这类传感器通过测量气体吸收或发射的光强的变化来判断气体浓度。

3. 气敏传感器的应用

• 3.1 环境监测

– 气敏传感器可以用于室内和室外空气质量监测，例如检测空气中的二氧化碳、甲醛等有害气体。

– 在工业污染防治中，气敏传感器也能用于监测废气排放情况，确保生产过程的环保合规。

• 3.2 仪器设备

– 气敏传感器可以应用于仪器设备中，例如气体检测仪、火灾报警器等，及时发现和报警气体泄露或火灾等灾害。

– 在医疗设备中，气敏传感器可以用于检测患者呼吸气体的成分，帮助医生进行病情诊断。

• 3.3 智能家居 – 气敏传感器可以应用于智能家居系统中，例如监测室内温度、湿度、甲醛等有害气体浓度，提醒用户开窗通风。

– 在智能安防领域，气敏传感器可以配合视频监控系统，检测烟雾和有毒气体，实现及时报警和紧急处理。

4. 气敏传感器的发展趋势

传感与检测系统作业实验报告

一、课题

以提高家居生活的安全性、舒适度、人性化为目的，设计智能家居监控系统。利用所学的传感器与检测技术知识，实现家居温度、煤气泄漏、外人闯入、火灾(烟雾)的检测（检测系统主要由传感器、放大器、采样/保持、采样/保持控制电路、A/D转换电路、数码显示、数字锁存控制电路组成）。各检测节点可通过无线方式连接到主机，检测到危险信号后，主机可采用声光报警或远程报警。

二、设计目的

1、掌握温度、气敏、光电开关等传感器检测系统的原理；

2、掌握智能家居检测系统的设计方法；

3、掌握智能家居检测系统的性能指标和调试方法。

三、设计任务及要求

1、任务：设计一个温度检测系统，一个烟雾检测系统，一个红外检测系统；

2、要求：

（1）温度传感器输出温度由7SEG-MPX4-CA显示，当检测温度值大于设定值时系统自动报警；

（2）气敏传感器检测到煤气浓度大于设定值时系统自动报警；

（3）光电开关利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的，即检测外人闯入。

四、设计原理

1、设计总体方案

据分析，可确定需设计系统的电路原理框图如图所示：

智能家居系统原理框图

2、各部分功能

Ⅰ. 家居温度检测

（1）DS 18B20简介 （2）利用DS-18B20数字温度传感器，对室内温度进行检测。该传感器独特的一线接口，只需要一条口线通信 多点能力，简化了分布式温度传感应用 无需外部元件 可用数据总线供电，电压范围为3.0 V至5.5V无需备用电源 测量温度范围为-55℃至+125℃ 。华氏相当于是-67℉到257℉-10℃至+85℃范围内精度为±0.5℃。

（3）测量原理:

DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。 DS18B20测温原理如图所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。

第10章 气敏传感器及其应用

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。

气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。它的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。

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。

气敏传感器的实物如图10-1所示。

图10-1 气敏传感器实物图

10.1气敏电阻

气敏电阻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。

10.1.1气敏传感器的工作原理

由于气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。例如生活环境中的一氧化碳浓度达0.8～1.15 ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥等状态，达1.84ml/L时则有在几分钟内死亡的危险，因此对一氧化碳检测必须快而准。

利用SnO2（氧化锡）金属氧化物半导体气敏材料，通过颗粒超微细化和掺杂工艺制备SnO2纳米颗粒，并以此为基体掺杂一定催化剂，经适当烧结工艺进行表面修饰，制成旁热式烧结型CO敏感元件，能够探测0.005%～0.5%范围的CO气体。还有许多易爆可燃气体、酒精气体、汽车尾气等有毒气体的进行探测的传感器。

常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器等。接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持300℃～400℃的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。

气敏传感器

气敏传感器是一种检测特定气体的传感器，用来检测气体类别、浓

度和成分。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电

化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。它的应用主

要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂

（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。

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。

由于气体种类繁多, 性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有类

别的气体，因此，能实现气-电转换的传感器种类很多，按构成气敏传

感器材料可分为半导体和非半导体两大类。目前实际使用最多的是半导

体气敏传感器，因此本文主要讲述半导体气敏元件的有关原理及应用。

半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体表面接触时， 产生的电

导率等物理性质变化来检测气体的。

按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入

到半导体内部，可分为表面控制型和体控制型，前者半导体表面吸附的

气体与半导体间发生电子接受，结果使半导体的电导率等物理性质发生

变化，但内部化学组成不变；后者半导体与气体的反应，使半导体内部

组成发生变化，而使电导率变化。

按照半导体变化的物理特性，又可分为电阻型和非电阻型，电阻型

半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的

成分或浓度；非半导体式气敏元件则是根据气体的吸附和反应，使其某

些关系特性发生改变，来对气体进行直接或间接的检测，如二极管伏安

特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测被测气体的。表1为半导体

气敏元件的分类：

表1 半导体气敏元件的分类

气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，由于检测现场温

度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，所以其工作条件较恶

劣，而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物，附着在元件表面，