1、 主要物理特性主要物理特性传感器举例传感器举例工作温度工作温度典型被测气典型被测气体体电阻式电阻表面控制型氧化银、氧化锌室温450可燃性气体体控制型氧化钛、氧化钴、氧化镁、氧化锡700以上 酒精、氧气、可燃性气体非电阻式表面电位氧化银室温硫醇二极管整流特性铂/硫化镉、铂/氧化钛室温200氢气、一氧化碳、酒精晶体管特性铂栅MOS场效应晶体管150氢气、硫化氢图图3-1 Figaro公司的气敏传感器的基本连接电路(a)1系列(TGS 100，TGS 109)；(b)2系列(TGS 203)；(c)8系列(TGS 800，TGS 813，TGS 815，TGS 821，TGS 822等)；(d)5系
2、列(TGS 550)表表8.3不同不同TGS传感器系列的传感器系列的VC、VH、RL值值由于传感器电阻发生了变化，负载电阻(VRL)两端上的输出电压也发生改 变。RS和VRL间的相互关系可用下式表示对于热线型半导体气敏传感器，New Cosmos Electric公司建议采用桥式电路示于图8-15。传感器接在桥式电路的一臂中。被测气体达到一定浓度时，导致RS的改变，这将通过桥式电路输出电压的不同来测定。敏感元件的工作温度则由电桥电源电压控制。电压VRL的变化与气体浓度的关系是非线性的，特别是在低浓度时。为了将输出电压与气体浓度的关系校正为近似的线性，可以选用运算放大器电路。输出电压可以用于控制
3、电路的指令，也可以用于气体浓度的测定。对示于图8-16(a)上的电路来说，输出电压可用下式表达因为应用气敏传感器的最简便的方式是利用它的阻抗与气体浓度间的相互关系，所以图8-16(b)中的线路可适用于许多场合。传感器中的一个电极与稳压电源VC相接，而另一个加载到运算放大器的输入端。这时，运算放大器的输出电压由下式决定 式中，K=-RFVC。图8-16所示电路的线性区大小取决于RF。反馈电阻RF可由下列关系式确定如果电路需要工作在几个区段，那么就需要在反馈电路中接入相应数量的电阻，并且有切换开关针对每个区段。气敏传感器电阻随温度的变化可以应用具有相似温度特性的热敏电阻来补偿。图8-17给出了一个
4、连接在桥式电路上气敏传感器的温度补偿电路，电路中还接入了滞后比较器。信号大小用可变电阻RP1调节。当加在反向输入端的电压超过阈值电平的上限时，输出设定在低电平水平。在电压加载到反向输入端之前，其电平低于阈值电压时，将输出端设置在高电平水平，这样才能适合气体浓度显著降低时的测量需要。气敏传感器的加热器由稳压电源供电，如果加热器材料是高正温度系数的电阻，那么，温度的变化将导致电阻值的显著改变。其结果是敏感元件的工作不稳定，即只有当传感器的温度稳定性不是很临界时，使用一般的稳压方法才合适。但是，当传感器要求有一个很高的温度稳定性时，建议使用热驱动器，它可使外部的影响和气体流动效应对温度的影响降到最小
5、的程度。CAPTEUR传感器和分析器公司生产的气敏传感器的加热元件是典型的高温度系数电阻，所以公司建议使用热驱动器，它的主要目的是保持传感器加热器在恒定电阻条件下工作，实现的途径是，把加热器电阻接在惠斯登电桥上，然后它的阻值与基准电阻器作比较示于图8-18。利用图8-18上示出的线路，当加热器的工作由热驱动器激励时，那么传感器的温度将只取决于加热器所引入的电阻值。从补偿环境温度变化的观点看，加热器供电电源恒压的效果要比热驱动器恒阻值激励的差些。恒定电流加热的办法也不太适用，因为这会加剧环境温度的变化。传感器加热器作为惠斯登电桥的一部分，流过它的电流是受控的，因而可以保持传感器电热器有一个不变的
6、电阻值。此电阻值是通过设定电位器RP2的值决定的。R2，连同R4和R5一起，可以允许加热器电阻设置成电阻R3值的152倍间的任一值。因此，可以用电位器R2有效地设置传感器温度，在IC1和FET1的控制下，精度优于1。为此，也需要电源电压的稳定度优于1V。“恒阻值”激励工作原理的实施有多种方法。电路中可允许接入的传感器加热器电阻可以从650。使用这种方法可以保证传感器处于最佳的稳定工作状态。示于图8-19上的电路可以用于所有CAPTEUR公司制造的气敏传感器。它将传感器阻抗的改变转换成输出电压的变化。电路的输出电压变化范围约为0.55V，并且它与被测气体浓度的平方根的关系是线性的。这样的输出可以
7、直接用于报警系统，也可以通过数字技术或模拟技术给出实际的气体浓度值。在后一种情况时，零位设置电路可以不要，但信号随后输入到一个标准的测量电子电路中去。在第二级电路中，IC2的增益通常为15。为使其输出电压能达到设计的范围值，要求随传感器电阻的变化，其输入电压的相应变化应能达到200mV。在此级中还设计了零点调节电位器RP5和增益调整电位器RS。在第一级电路中只设计了三个传感器接入位置，用以适配所有的CAPTEUR传感器，这些位置是图中的A、B、和R3。那种在被测气体中电阻值增加类型的传感器接在B的位置上，同时选择一个与传感器输出特性相匹配的固定电阻接在A位上，R3一般为10k。对那些电阻值降低
8、的传感器来说，传感器接到A的位置上，B位上接一定值电阻(通常为39k)，而在R3位置上要选用与传感器特性相匹配的电阻。1.最好老化48小时以后再进行气体灵敏度标定。2.灵敏度标定须在无干扰气体的环境中进行。3.气敏元件有良好的抗震能力,但也不要让其受到过分的震动。4.不要让管脚受过大的外力,以免其变形、扭曲。5.不要向防爆网罩上施加外力以免其变形。6.如果需要精确的测量,如在工业应用等方面,则需定期校准(每年至少一次)。7.不要将元件拆分或改变它的任一部分，在金属网罩损坏的情况下不要使用,否则可能引起爆炸或火灾。8.只能在指定的条件或气氛中使用，如果要将气敏元件用在(或存放在)特殊的环境或气氛
9、中,请与我们联系。9.勿使元件长时间接触高浓度的气体，否则可能导致灵敏度快速衰减。l用于监控易燃气体泄漏的气敏传感器 原理和具体电路l用于监测有害气体含量的气敏传感器原理和具体电路l用于监测酒精气体浓度的气敏传感器 原理和具体电路l用于保持空气质量器械中的气敏传感器原理和具体电路l氧气传感器的应用原理和具体电路l用于检测气味和食物原料分类的气敏传感器原理和具体电路气敏传感器TGS 813适合于在较大范围内检测各种气体，例如天然气、LP气体和煤气。传感器接入到相应的电路上之后，应考虑能检测被测气体的种类和浓度。图8-21示出了一个简单经济的用于家用气体泄漏检测器的电路。电路的设计主要针对检测含量
10、大约在3 000-左右的甲烷气体(天然气)IC1电压调节器输出的恒压5V供给传感器的加热器和检测电路。检测电路由TGS 813、R1和RP1串联组成。输出电压为VRL，它是R1和R1电阻两端的压降输出，此电压进入比较器的同相输入。Vr为比较器的基准电压，它由R4上的压降决定。元件R4也是温度补偿电路的一部分，补偿电路的其他部分还有R2、R3和RT(热敏电阻)。电路的Vr值设计为20时2.5V。当例如天然气等易燃气体与传感器相接触时，检测电路的输出VRL超过Vr，这样，比较器的输出进入高电平，随后VT1将起作用，使蜂鸣器发出警报。传感器电阻(RS)与环境温度和湿度有关，由于这个原因，将导致报警极
11、限值的波动。为了补偿温度和湿度造成的变化，建议使用NTC热敏电阻(RT)。在此电路中，由于温度变化的结果，可以导致Vr自动调整。热敏电阻的温度系数比传感器的要大，因此热敏电阻的系数应该可以通过调节电阻R2和R3调整。受电路控制的直流电源以下述方式供电：产生大加热电流(IHH)共60s，供加热器，然后生成低加热电流(IHL)s，与此同时，传感器温度按相应规范变化。在测量周期内(即90s的时间内)，通过检测电路得到的测量结果与预设置的阈值进行比较。电路内建的报警电路将这个信号与预设阈值电平比较后，如果信号超过预设电平，那么报警系统就会作出反应。故障信号是用于报告任何类型的、加热器没有与传感器连接好
12、的故障，或报告恒流电源电路发生的各种故障。内建的温度补偿电路用来降低环境温度对传感器的影响。IC电路单元用一个5V电源供电，也可以用电池供电。二个报警电平可以这样设置，主报警系统(报警器A)的电流比子报警系统(报警器B)的大些，这样从报警器A输出的信号可直接用以驱动发光二极管指示灯或压电陶瓷蜂鸣器。图8-23(a)示出了气敏传感器TGS203与集成电路FIC5401连接的主电路。其负载电阻由可变电阻(RLV)和电路内设的定值图8-23(a)示出了气敏传感器TGS 203与集成电路FIC 5401连接的主电路。其负载电阻由可变电阻(RLV)和电路内设的定值电阻(1k)构成，因此RL=R+1k。它
13、是传感器的工作负载电阻，RL较大，那么传感器的灵敏度也较高。当允许的CO气体浓度为100-6时，R选用等于20k的，如果允许的浓度低于100-时，R选用50k的。更精确的允许CO气体浓度的设定都是通过改变R进行的。在图8-23(b)和图8-23(c)上可以清楚看到，集成在集成电路上的变换直流电源的工作原理。传感器的二个加热规程是通过开关在加热过程中顺序进行的。在测量周期时，SW1和SW2都处于“开”的状态，电流从电源VCC1经过传感器和负载电阻(即R+1k)流动。电流量的大小与环境空气中的CO气体浓度成比例。此时，传感器的输出信号是负载电阻两端的电压，并从集成电路的13脚输出。如果这个电压超出
14、了内部的基准电压VREF，那么在报警器A的输出上产生一个高电平，标示已经溢出了设定的允许CO气体浓度值。将28脚接到GND3(地)，这样，子报警系统(报警器B)的电平为主报警器电平的三分之一。利用38脚输出作为子报警系统，可以作出早期的预兆警报，即在低于主报警器的报警浓度时提出警告。这可以用来保护测量过程，如果需要，可以排除达到允许CO气体浓度的地步。所讨论的电路和传感器TGS 203可以用于工作场所的空气条件监测，也可以用于那些需要燃料完全燃烧，和其他对人体有害的CO气体可能达到危险浓度的领域。陶瓷气敏传感器也可以用于分析酒精蒸汽的含量。传感器与相应的电路配合能够检测血液中的酒精含量。其工作
15、原理非常简单，如果血液中含有一定比例的酒精成分，那么它必定会发散到空气中来，血液中酒精浓度越高发散在空气中的比例也越大。如果用含有一定浓度酒精的空气喷吹传感器，传感器的电阻将发生与酒精浓度相应的变化，这个变化可以用合适的测量电路鉴别。这样的电路示于图8-24。使用的气敏传感器TGS 822是Figaro公司制造的。电路由稳压直流电源+5V供电。传感器负载电阻上的输出电压反相加载到三个运算放大器的输入端，三者互联成比较器。实际上，电阻R1和R2是基准电压的发生器。基准电压的上限由可变电阻RP1设定，而下限则由RP2设定。接通电源，并按下复位电钮后，触发器进入逻辑O的状态。这时，发光二极管LED1
16、LED3不发光。当酒精蒸汽作用在传感器上时，负载电阻上的压降开始变化(逐渐升高)。这些分立的比较器顺序工作的结果导致相应的触发器开启，因而与它们相接的LED点亮。如果酒精蒸汽停止对传感器作用，那么负载电阻上的电压将缓慢下降。按动复位钮后，恢复到起始状态。为了补偿温度和湿度对传感器特性的影响，同时为了获得更高的精度，建议使用热敏电阻和(或)湿敏传感器对电路进行补偿。l关系到环境保护和人类身体健康的特别重要的课题是保持空气质量的问题。人类健康在很大程度上取决于空气中氧和二氧化碳的浓度。如果房间中人很多，氧的含量将逐渐减少，与此同时CO2气体的含量增加，这会使人感到疲乏、烦躁，以及注意力不集中，如果
17、CO2气体继续增多，将会引起头痛。人类通过自已的嗅觉具有一种特别的发觉空气质量变化的能力，但如果在房间中待的时间太长时，人会失去与室外空气进行对比的能力。因此，为了在办公室、居室、汽车、飞机上创造一个舒适的环境，应用了各种空气调节系统，以维持空气的高质量。空调器常常会被调节在长时间工作的状态，这不是总是需要的。新鲜空气需要不断加热到与环境温度相一致的程度，不间断地换气可能造成不必要的能源消耗。利用对还原性气体敏感的气敏传感器，将它用于监控空气调节器的工作，将有助于解决这类问题。lFigaro公司生产的气敏传感器TGS 800和微处理器F 5603及F 6604就是专门用于空气新鲜度监控的，应用
18、它可以监控空调器、空气清洁机等器械。气敏传感器检测空气中的污染成分(香烟烟雾、微尘)，并对诸如CO、H2等还原性气体敏感。从传感器处测得的信号经微处理器处理，然后分别控制与空气质量相关的各个器械。l在气敏传感器TGS 800和微处理F5603的基础上开发AM 800模块示于图8-25，F5603是一个四位的CMOS微处理器。在气敏传感器的帮助下，微处理器将空气按其质量状况分成四组。湿度、环境温度，以及对其他非重点监测气体的灵敏度均通过软件加以补偿。Figaro公司制造的、以气敏传感器TGS 800为基础的模块AMS 800，可以与微处理F 6604连接，F 6604也是一种四位CMOS微处理器
19、。模块AMS 800和F6604互连的电路图示于图8-26。l氧气传感器主要用于监控和调整汽车发动机中的、工业和家用锅炉的燃烧过程。在这些方面应用中，最重要任务是保证燃烧过程充分、具有最大效率，同时对大气的污染尽可能小。l当采用三元催化转换器时，汽车发动机使用符合化学计量比的空气-燃油比混合气，燃烧过程在催化转换器中结束，而催化器处在排放气体的排出通道中。这种情况下，主要目的是减少废气对大气的污染，但在达到这个目的的同时，做不到使燃油有一个最佳的燃烧效率。要达到控制燃烧的目的可以使用传感器，由ZrO2为基材、添加了Y2O3稳定材料的固体电介质制成的传感器。这类可检测空气-燃油混合气的氧化或还原
20、特性，并在它的电压输出时产生一个陡峭的变化。化学计量比的空气和燃油的比例发生变化时引起的电位突然改变，使传感器具有开关的能力。并且这个变化尺度与温度有关，所以有可能使传感器具有测定化学计量比的能力。而催化转换器用来解决随后的问题，即承担CO和COx气体氧化和NOx气体还原问题。而且，如果空气-燃油混合气偏离化学计量比越来越多时(无论是正向还是反向偏离)，三元催化剂的效能将很快下降。l为了检测汽车尾气中有没有氧气，可以使用以TiO2为基材的半导体传感器。TiO2制成的化学计量比空气-燃油混合率传感器的工作机制是，对应于环境中氧浓度的变化，TiO2陶瓷的电阻发生相应改变。这类传感器一般制成厚膜型和
21、圆片型。两种类型最终制成的材料中都是含有微量铂的多孔TiO2陶瓷。这类传感器内建有加热热丝，同时电路中也保证了温度补偿功能。气味检测是半导体气敏传感器扩大应用的主流方向之一，最有潜力的应用领域是食品工业和医学，还有家住环境和舒适度的调节系统等。在开发味敏传感器方面取得的主要成就是在改进提高敏感材料的灵敏度和选择性方面，针对气味的特征成分，使用了各种掺杂剂，以适应不同的需要。典型的刺激性气味的主要组分是三甲胺(TMA)和二甲胺(DMA)，以及氨气对TMA和DMA敏感的气敏传感器被用来鉴别鱼类的新鲜程度。在开发专为检测多种混合气体中的一种气体成分的传感器时有相当的难度，因为很难使气敏传感器具有一个
22、理想的选择性。此外，在有些场合还需要分别鉴别出混合气体中的各个成分。后一种情况可以用几个不同的传感器组成的系统，配以对它们取得的信息作仔细地处理的办法解决。这类系统的方框图示于图8-27。取决于系统的设计目标(检测其中一种，还是所有成分)，可以采用高选择性传感器，也可以选用具有部分交叉选择性的传感器。第一种选择时，每一只传感器只对混合气中某一种成分敏感。如果混合气中含有的气体组分数量多于设计的传感器数目时，该系统就没有能力鉴别所有的组成气体。当然，那些只对一种成分敏感的传感器，应是在它工作时能够不受其他气体组成影响的。但是，现实情况是，大多数传感器不是只对某种特定气体敏感，而是对一类气体(例如
23、还原性气体，或者是氧化性气体等)敏感。当混合气体中的组成成分不能被分别直接测定时，还可以利用微处理器，由它将从各传感器那里获取的信息进行二级处理。然后使用模式识别方法进行气体性质分析。最常用的气敏传感器信号二级处理方法汇列如下：线性回归 偏微分最小二乘方多重线性回归 顺序淹没因素分析背景情况鉴别 人工神经网络主要组成回归文献中描述了一个鉴别气味的系统，采用了六只厚膜技术制造的传感器，以及相应的微处理器。各个传感器都是用不同的半导体氧化物制造的，并对气味有特别的灵敏度。微处理器鉴定气味的方法是，把从气敏传感器处发送来的信息与标准信号进行比较，标准信号是预先存储在存贮器中的。而气味的数量的确定则是
24、利用对该气味有最大灵敏度的气敏元件发送的信息。文献提出了一个模拟人类嗅觉系统的、利用人工神经网络的多传感器系统。这个多传感器系统能够感知蒸汽和气味，同时利用微型计算机处理信息的能力制造了电子鼻。作者也探讨了检测蒸汽和气味的问题，设计了一个由12只传感器组成的多传感器系统。在进行实验研究时，将12只以氧化锡为基材的气敏传感器暴露在五种酒精和六种饮料的环境中，然后使用模式识别技术进行分析。回归法和控制信息分析的结果表明，数据中的共线性的程度很高，只有五个传感器的子系统需要进一步归类。氧化锡传感器对所有蒸汽的响应问题采用主要组成分析法和分组抽象法分析。结果表明，将数据按理论推算的归一化可以实质性地改
25、善蒸汽和饮料的归类能力。各种酒精被分成了五个不同的组，但饮料类仅只分出了三个有区别的组，具体来说是啤酒、lages(一种特色工艺的啤酒)和酒类饮料。利用文献中的12只气敏传感器系统，以及它的分辨、归类的功能性分析能力，提出了用于分辨咖啡的电子鼻。研究结果证明，以SnO2为基材制造的气敏传感器可以用于区分不同品种的咖啡，并能测定咖啡的烘焙程度。因此，它们能在食品加工工业的质量控制方面找到潜在的应用领域 l纳米气敏传感器研究进展用多壁碳纳米管用多壁碳纳米管制作气敏传感器制作气敏传感器等人研究了用多壁碳纳米管制作传感器。他们设计了两种传感器形式。一种是在平面叉指型电容器上覆盖一层薄膜的结构，如图所示，称其为电容式传感器。另外一种弯曲电阻式，是用光刻的办法在衬底上刻一条弯曲的槽，然后在上生长，称为电阻式传感器。
