气敏传感器.ppt

-1 1-传感器技术传感器技术气体传感器气体传感器.传感器技术任务一 可燃气体检测气敏传感器的定义：气敏传感器的定义：是能够感知环境中某种气体及其浓度的一种敏感是能够感知环境中某种气体及其浓度的一种敏感器件，器件，它将气体种类及其浓度有关的信息转换成它将气体种类及其浓度有关的信息转换成电信号电信号，根据这些，根据这些电信号的强弱电信号的强弱便可获得与待测便可获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息。气体在环境中存在情况有关的信息。气敏传感器可分为半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器气敏传感器可分为半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等和电化学气敏传感器等.传感器技术气敏传感器外形气敏传感器外形 酒精传感器酒精传感器半导体气敏传感器应用最多。它的应用主要有：一氧化碳气体半导体气敏传感器应用最多。它的应用主要有：一氧化碳气体的检测、的检测、瓦斯气体的检测瓦斯气体的检测、煤气的检测、煤气的检测、氟利昂的氟利昂的检测、呼气检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。.传感器技术瓦斯是古代植物在堆积成煤的初期，纤维素和有机质经厌氧菌的作用瓦斯是古代植物在堆积成煤的初期，纤维素和有机质经厌氧菌的作用分解而成。在高温、高压的环境中，在成煤的同时，由于物理和化学分解而成。在高温、高压的环境中，在成煤的同时，由于物理和化学作用，继续生成瓦斯。作用，继续生成瓦斯。瓦斯是无色、无味的气体，但有时可以闻到类瓦斯是无色、无味的气体，但有时可以闻到类似苹果的香味，这是由于芳香族的碳氢气体同瓦斯同时涌出的缘故。似苹果的香味，这是由于芳香族的碳氢气体同瓦斯同时涌出的缘故。瓦斯对空气的相对密度是瓦斯对空气的相对密度是0.554，在标准状态下瓦斯的密度为，在标准状态下瓦斯的密度为0.716kg/m，瓦斯的渗透能力是空气的，瓦斯的渗透能力是空气的1.6倍，难溶于水，不助燃也不倍，难溶于水，不助燃也不能维持呼吸，达到一定浓度时，能使人因缺氧而窒息，并能发生燃烧能维持呼吸，达到一定浓度时，能使人因缺氧而窒息，并能发生燃烧或爆炸。瓦斯在煤体或围岩中是以游离状态和吸着状态存在的。或爆炸。瓦斯在煤体或围岩中是以游离状态和吸着状态存在的。在在标准状况标准状况下，甲烷至丁烷以气体状态存在，戊烷以上为液体。下，甲烷至丁烷以气体状态存在，戊烷以上为液体。如如遇明火，即可燃烧，发生遇明火，即可燃烧，发生“瓦斯瓦斯”爆炸，直接威胁着爆炸，直接威胁着矿工矿工的生命安全。的生命安全。因此，矿井工作对因此，矿井工作对“瓦斯瓦斯”十分重视，除去采取一些必要的安全措施十分重视，除去采取一些必要的安全措施外，有的矿工会提着一个装有外，有的矿工会提着一个装有金丝雀金丝雀的鸟笼下到矿井，把鸟笼挂在工的鸟笼下到矿井，把鸟笼挂在工作区内。原来，金丝雀对作区内。原来，金丝雀对“瓦斯瓦斯”或其他毒气特别敏感，只要有非常或其他毒气特别敏感，只要有非常淡薄的淡薄的“瓦斯瓦斯”产生，对人体还远不能有致命作用时，金丝雀就已经产生，对人体还远不能有致命作用时，金丝雀就已经失去知觉而昏倒。矿工们察觉到这种情景后，可立即撤出矿井，避免失去知觉而昏倒。矿工们察觉到这种情景后，可立即撤出矿井，避免伤亡事故的发生伤亡事故的发生.传感器技术半导体式气敏传感器的结构及工作原理半导体式气敏传感器的结构及工作原理（P42P42）半导体式气敏传感器：利用半导体气敏元件同气体接触，造成半半导体性质发生变化的原理导体性质发生变化的原理来检测特定气体的成分或者浓度半导体式气敏传感器可分为电阻式和非电阻式(电阻式和非电阻式的原理需了解电阻式和非电阻式的原理需了解).传感器技术半导体式气敏传感器 电阻式 烧结型 薄膜型 厚膜型 二极管气敏传感器 MOS二极管气敏传感器 Pd（铂）MOSFET气敏传感器 非电阻式 参考书上图片理解.传感器技术 SnOSnO2 2系系列列气气敏敏元元件件有有烧烧结结型型、薄薄膜膜型型和和厚厚膜膜型型三三种种。烧烧结结型型应应用用最最广广泛泛性性。其其敏敏感感体体用用粒粒径径很很小小(平平均均粒粒径径m)m)的的SnOSnO2 2粉粉体体为为基基本本材材料料，根根据据需需要要添添加加不不同同的的添添加加剂剂，混混合合均均匀匀作作为为原原料料。主主要要用用于于检检测测可可燃燃的的还还原原性性气气体体，其其工工作作温温度度约约300300。根根据据加加热热方式，分为直接加热式和旁热式两种。方式，分为直接加热式和旁热式两种。（1）直接加热式）直接加热式SnO2气敏元件气敏元件(直热式气敏元件直热式气敏元件)直热式气敏器件结构及符号1234SnO2烧结体加热极兼电极(a)结构4321(b)符号由芯片由芯片(敏感体和加热器敏感体和加热器)，基座，基座和金属防爆网罩三部分组成。因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，加路与加热电路间易相互干扰，加热器与热器与SnOSnO2 2基体间由于热膨胀系数基体间由于热膨胀系数的差异而导致接触不良，的差异而导致接触不良，造成元造成元件的失效，现已很少使用。件的失效，现已很少使用。2 2、电阻式气敏传感器的结构、电阻式气敏传感器的结构.传感器技术（2）旁热式）旁热式SnO2气敏元件气敏元件加热器电阻值一般为3040电极加热器瓷绝缘管旁热式气敏器件结构及符号SnO2烧结体123456（a）结构（b）符号.传感器技术是利用气体在半导体表面的氧化还原反应氧化还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。举个例子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表面物性自由扩散，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而固定在吸附处（化学吸附）。当当氧化型气体吸附到氧化型气体吸附到N N型半导体型半导体（SnOSnO2 2,ZnO),ZnO)上，上，还原型气体还原型气体吸附到吸附到P P型半导体型半导体(CrO(CrO3 3)上时，将上时，将使半导体载流子减少，而使半导体载流子减少，而使电阻值增大。使电阻值增大。当当还原型气体吸附到还原型气体吸附到N N型半导体型半导体上，上，氧化型气体吸附到氧化型气体吸附到P P型半导型半导体上体上时，则载流子增多，使时，则载流子增多，使半导体电阻值下降半导体电阻值下降。3、基本原理、基本原理H2+CuO=H2O+Cu.传感器技术N型半导体吸附气体时器件阻值变化图 P型半导体吸附气体时器件阻值变化图.传感器技术规则总结：氧化型气体N型半导体：载流子数下降，电阻增加还原型气体N型半导体：载流子数增加，电阻减小氧化型气体P型半导体：载流子数增加，电阻减小还原型气体P型半导体：载流子数下降，电阻增加 N型半导体，又称电子型半导体；P型半导体又称空穴型半导体。.传感器技术 气敏电阻式传感器基本测量电路如下图所示。测量电路包括加热回路和测试回路两部分。(a)QMN5测量电路；(b)TGS812测量电路；(c)TGS109测量电路4 4、基本测量电路、基本测量电路.传感器技术家庭用煤气报警器家庭用煤气报警器家庭用液化气报警器家庭用液化气报警器一氧化碳传感器一氧化碳传感器NH3传感器传感器甲烷传感器甲烷传感器.传感器技术举例：二氧化钛氧浓度传感器的连接以及调测举例：二氧化钛氧浓度传感器的连接以及调测 二氧化钛氧浓度传感器的工作原理：二氧化钛氧浓度传感器的工作原理：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。可燃气体传感器的检测原理应用电子学院 传感器技术.传感器技术3.气敏传感器的连接及调测气敏传感器的连接及调测举例：二氧化钛氧浓度传感器的连接以及调测举例：二氧化钛氧浓度传感器的连接以及调测 TiO2氧浓度传感器结构TiO2氧浓度传感器测量转换电路1外壳（接地）2安装螺栓 3搭铁线4保护管 5补偿电阻 6陶瓷片 7TiO2氧敏电阻 8进气口 9引脚 一、可燃气体传感器的检测原理应用电子学院 传感器技术.传感器技术3.气敏传感器的连接及调测气敏传感器的连接及调测举例：二氧化钛氧浓度传感器的连接以及调测举例：二氧化钛氧浓度传感器的连接以及调测 氧浓度传感器结构图中，二氧化钛气敏电阻与补偿热敏电阻同处于陶瓷绝缘体的末端。当氧气含量减小时，RTiO2的阻值减小，Uo增大。在测量转换电路中，与TiO2气敏电阻串联的热敏电阻Rt 起温度补偿作用。当环境温度升高时，当环境温度升高时，TiOTiO2 2气敏电阻的气敏电阻的阻值会逐渐减小，只要阻值会逐渐减小，只要R Rt t也以同样的比例减小，也以同样的比例减小，根据分压比定律，Uo不受温度影响，减小了测量误差。一、可燃气体传感器的检测原理应用电子学院 传感器技术.传感器技术3.气敏传感器的连接及调测气敏传感器的连接及调测举例：二氧化钛氧浓度传感器的连接以及调测举例：二氧化钛氧浓度传感器的连接以及调测 二氧化钛氧浓度传感器可用于汽车或燃烧炉排放气体中的氧浓度测量。汽车尾气分析一、可燃气体传感器的检测原理应用电子学院 传感器技术.传感器技术 气敏半导体的灵敏度特性曲线气敏半导体的灵敏度特性曲线 观察右图看说明非观察右图看说明非线性特性对浓度超线性特性对浓度超限报警是否有利？限报警是否有利？.传感器技术4.气体检测系统的组成气体检测系统的组成 思考题：请同学们根据已介绍的气体传感器的基本检测电路和电子线路设计知识，设计一个完整的气体检测系统。一、可燃气体传感器的检测原理应用电子学院 传感器技术.传感器技术5.气体检测使用注意事项气体检测使用注意事项1 1）气敏电阻使用时一定要加热）气敏电阻使用时一定要加热 一般由变压器二次绕组交流输出或直流电压提供低电压加热。加热温度对气敏电阻的特性影响很大，因此加热器的加热电压必须恒定。如前所述，MQN型气敏传感器使用时气敏电阻工作时必须加热到200300，其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁作用）。一、可燃气体传感器的检测原理应用电子学院 传感器技术.传感器技术5.气体检测使用注意事项气体检测使用注意事项2 2）温度补偿）温度补偿 半导体气敏电阻在气体中的电阻值与温度和湿度有关。当温度和湿度较低时，电阻值较大；温度和湿度较高时，电阻值较小。因此，即使气体浓度相同，电阻值也会不同，需要进行温度补偿。如前所述，TiO2氧浓度传感器的测量转换电路中，与TiO2气敏电阻串联的热敏电阻Rt 起温度补偿作用。一、可燃气体传感器的检测原理应用电子学院 传感器技术.传感器技术温度补偿中实用的热敏电阻工作原理半导体热敏电阻简称热敏电阻，是一种新型的半导测温元件。热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度的变化而显著变化的特性实现测温的。半导体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其灵敏度比热电阻高得多。而且体积可以做得很小，故动态特性好，特别适于在-100300之间测温。应用电子学院 传感器技术.传感器技术MF12型型 NTC热敏热敏电阻电阻聚脂塑料封聚脂塑料封装热敏电阻装热敏电阻二、油烟检测原理应用电子学院 传感器技术.传感器技术玻璃封装玻璃封装 NTC热敏热敏电阻电阻大功率大功率PTC热敏电阻热敏电阻二、油烟检测原理应用电子学院 传感器技术.传感器技术贴片式NTC热敏电阻非标热敏电阻非标热敏电阻二、油烟检测原理应用电子学院 传感器技术.传感器技术MQ-2 MQ-2 可燃气体、烟雾可燃气体、烟雾 MQ-4 MQ-4 天然气、甲烷天然气、甲烷 MQ-5 MQ-5 液化气、甲烷、煤制气液化气、甲烷、煤制气MQ-6 MQ-6 液化气、异丁烷、丙烷液化气、异丁烷、丙烷 MQ-8 MQ-8 氢气、煤制气氢气、煤制气 MQ-7 MQ-7 一氧化碳一氧化碳COCOMQ-9 MQ-9 一氧化碳、可燃气体一氧化碳、可燃气体MQ-3 MQ-3 酒精（乙醇）酒精（乙醇）MQ213 MQ213 酒精酒精MP-4 MP-4 天然气天然气 MP-6 MP-6 液化气液化气 MP-7 MP-7 一氧化碳一氧化碳MP-8 MP-8 氢气氢气 .传感器技术三、可燃气体及油烟检测的实现1.1.可燃气体检测的实现可燃气体检测的实现MQ-2型气敏元件对不同种类、不同浓度的气体有不同的电阻值，请根据已学的气体传感器和电子线路的有关知识对如下图所示煤气检测电路进行分析：煤气检测电路应用电子学院 传感器技术.传感器技术2.2.油烟蒸汽检测的实现油烟蒸汽检测的实现对油烟蒸气的检测选用热敏电对油烟蒸气的检测选用热敏电阻，本设计选用阻，本设计选用NTCNTC负温度系负温度系数热敏电阻数热敏电阻NTCMF5ANTCMF5A，请根据，请根据已学的温度传感器和电子线路已学的温度传感器和电子线路的有关知识对如右图所示煤气的有关知识对如右图所示煤气检测电路进行分析。检测电路进行分析。油烟检测电路三、可燃气体及油烟检测的实现应用电子学院 传感器技术.传感器技术简易酒精测试器 采采用用TGS812型型酒酒精精传传感感器器，对对酒酒精精有有较较高高的的灵灵敏敏度度（对对一一氧氧化化碳碳也也敏感）敏感）.其加热及工作电压都是其加热及工作电压都是5V，加热电流约，加热电流约125mA。传传感感器器的的负负载载电电阻阻为为R1及及R2，其其输输出出直直接接接接LED显显示示驱驱动动器器LM3914。当当无无酒酒精精蒸蒸汽汽时时，R1及及R2上上的的输输出出电电压压很很低低，随随着着酒酒精精蒸蒸汽汽的的浓浓度度增增加加，输输出出电电压压也也上上升升，则则LM3914的的LED（共共10个个）亮亮的的数目也增加。数目也增加。此测试器只要向传感此测试器只要向传感器呼一口气，根据器呼一口气，根据LED亮亮的数可知是否喝酒，并可的数可知是否喝酒，并可大致了解饮酒多少大致了解饮酒多少。TGS-8TGS-8系列的气敏传感器系列的气敏传感器LM3914LM3914是是1010位发光二极管驱动器，它可以位发光二极管驱动器，它可以把输入模拟量转换为数字量输出驱动把输入模拟量转换为数字量输出驱动1010位位发光二极管来进行点显示或柱显示。发光二极管来进行点显示或柱显示。.传感器技术可燃气体泄漏报警器可燃气体泄漏报警器采用载体催化型采用载体催化型MQMQ系列气敏传感器，作为检测探头。报警灵系列气敏传感器，作为检测探头。报警灵敏度从敏度从0.2%0.2%连续可调连续可调.当空气中可燃气体浓度达到当空气中可燃气体浓度达到0.2%0.2%时，报时，报警器发出声光报警提醒用户及时处理，同时可以通过继电器警器发出声光报警提醒用户及时处理，同时可以通过继电器控制排风扇向外抽排有害气体。控制排风扇向外抽排有害气体。.传感器技术