1、项目四项目四气体检测传感器气体检测传感器项目目标项目目标（1）了解酒精检测传感器的工作原理（2）能够使用酒精检测传感器检测酒精（3）了解易燃气体检测传感器的工作原理（4）能够使用易燃气体检测传感器检测瓦斯任务一任务一 酒精检测传感器检测酒精酒精检测传感器检测酒精 情景引入 酒后驾车是我国法律明确禁止的行为，然而很多驾驶者仍然我行我素，于是交通警察又多了一项任务：不定期抽查驾驶者是否有酒后驾车行为，如图 4-1 所示。大家都知道可以利用酒精检测仪对驾驶者进行检测，可是你们知道酒精检测仪是怎么工作的吗？图 4-1 酒精检测仪应用在本任务中我们使用酒精检测传感器检测不同浓度含量的酒精。任务描述任务描
2、述（1）学会如何选择任务中使用的酒精检测传感器（2）了解酒精检测传感器工作原理和典型应用。任务目标任务目标相关知识相关知识酒精检测传感器主要是检测气体中是否含有酒精，本任务中使用的 TGS822酒精检测传感器是气体检测传感器中的一种。那么首先来了解一下什么是气体检测传感器。1气体检测传感器气体检测传感器，就是将气体（一般指空气）中含有的特定气体（即待测气体）以适当的电信号检测或定量的器件。一般认为，凡是用于检测气体成份和浓度的传感器都称作气体传感器。2气体检测传感器分类气体检测传感器按工作原理分类如表 4-1 所示。在实际应用中，半导体式气体检测传感器应用最多。半导体式气体检测传感器分类介绍如
3、下：（1）按半导体变化的物理特性分可以分为电阻式气体检测传感器和非电阻式气体检测传感器。电阻式气体检测传感器是将检测到的气体成分、浓度等变化转换成电阻值的变化，最终以电压信号输出的传感器。电阻式气体传感器按其与气体的相互作用是在半导体表面还是深入其内部又分为表面控制型和体控型气体检测传感器；非电阻式传感器是根据气体的吸附和反应，使其某些关系特性发生变化，对气体进行直接或间接的检测。非电阻式气体检测传感器按其物理特性又分为二极管整流特性型和晶体管特性型。电阻式和非电阻式气体检测传感器的对比见表 4-2。（2）按半导体结构分可以分为 N 型气体检测传感器和 P 型气体检测传感器。N 型气体检测传感
4、器的电阻值随气体浓度的增大而减小。P 型气体检测传感器的电阻值随气体浓度的增大而增大。例如，TGS822 酒精检测传感器就属于 N型气体检测传感器,在实际中应用广泛。3气体检测传感器的主要参数气体检测传感器主要技术参数有灵敏度、精确度、响应时间、量程、温度漂移、湿度漂移。1）灵敏度：是指传感器输出变化量与被测输入变化量之比，主要依赖于传感器结构所使用的技术。2）温、湿度漂移：大多数气体检测传感器在使用过程中会受到环境温度和湿度的影响，常用温度漂移和湿度漂移表示环境温度和湿度对气体检测传感器的影响。温度漂移：指不同的温度对传感器影响的大小。湿度漂移：指不同的湿度对传感器影响的大小。3）响应时间：
5、指在试验条件下，从检测器接触被测气体达到稳定指示值的时间。通常，读取达到稳定值 90%的时间作为响应时间。4）量程：指传感器可以探测到的被测气体的范围，通常用 ppm（parts permillion）来表示气体检测传感器的量程。ppm 表示百万分之（几），或称百万分率。1ppm 即一百万千克的溶液中含有 1 千克溶质。对于气体传感器，则代表一百万体积的气体中所含被测气体的体积数。例 如：混 合 空 气 中 含 有 1ppm 的硫化氢意味着每一百万单位体积的气体中含有一个单位体积的硫化氢。ppm 与百分率（%）所表示的内容一样，只是它的比例数比百分率大而已。常见的气体量程为：0100%LEL（
6、Lower Explosion Limited，可燃气体或挥发性有机气体的爆炸下限）；01000ppm（氢气）。4气体检测传感器的选择（1）根据测量对象和测量环境选择在测量过程中，同一种物理量有多种检测方式，在选择传感器时需要考虑被测量的特点和传感器的特点如：量程大小、被测位置对传感器体积的要求、测量要求是接触式还是非接触式、信号的引出方式、国产传感器还是进口传感器。（2）灵敏度的选择首先要考虑的是选择一种灵敏技术，它对目标气体的阀限制（TLV）或最低爆炸限（LEL）的百分比的检测要有足够的灵敏性。理想传感器对目标气体有高灵敏度。（3）对目标气体的选择性选择性又称交叉灵敏度，可通过测量由某一种
7、浓度的干扰气体所产生的传感器响应来确定这外响应等介于一定浓度的目标气体所产生的传感器响应。理想传感器应该对目标气体有高选择性。（4）响应时间的选择原则上希望响应时间越短越好，在动态测量中要考虑信号的特点（稳态、瞬态、随机等），以免产生过高的误差。（5）线性范围的选择首先要看所选择的传感器量程是否满足需要，再考虑线性范围，一般线性范围越宽越好。日本费加罗气体检测传感器 TGS822 由于对酒精灵敏度和选择性高，且响应时间快线性度较好，测量电路简单，价格便宜而被大量使用在酒精检测器等方面。5TGS822 酒精检测传感器（1）TGS822 气体检测传感器工作原理TGS822 酒精检测传感器属于 N
8、型半导体类气体检测传感器，传感器的敏感部分是二氧化锡半导体微结晶粒子烧结体，以二氧化锡为基本材料，添加不同的物质烧制而成。实物图如图 4-2 所示。传感器的电导率随空气中气体浓度增加而增大。使用简单的外围电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的电压输出信号，从而检测酒精浓度。（2）TGS822 的特性曲线TGS822 在检测酒精浓度时其输出信号不仅受到酒精浓度的影响，还受到环境的温度和湿度的影响。TGS822 酒精检测传感器特性曲线如图 4-3 所示。其中（a）图中是受温度/湿度影响的特性曲线。在同一浓度的酒精中，在外界温度不变的情况下，相对湿度越大，传感器的电阻比越小；在相对湿度不变
9、的情况下，外界温度越高，传感器电阻比越小。（b）图中纵坐标是传感器电阻比（Rs/Ro），横坐标是气体浓度。在外界温/湿度不变的情况下，传感器的电阻比越小，说明酒精浓度越高。以日本的费加罗公司的产品为例，其部分气体检测传感器的应用场合和检测范围见表 4-3。TGS822 传感器需要施加 2 个电压：加热器电压（VH）和回路电压（VC）。其中 VH 用于维持敏感素子（即敏感元素）处于与对象气体相适应的特定温度而施加在集成的加热器上。VC 是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的两端电压（VRL）。这种传感器具有极性，所以 VC 需用直流电源。只要能满足传感器的电性要求，VC 和 VH 可以共用
10、同一个电源电路。改变 RL 上的电压可使传感器阻抗 RS 改变，量出 VRL 输出电压值后即可求得传感器阻抗 RS。TGS822 酒精检测模块工作电压为+5V 直流电压，TTL 电平输出有效信号为任务实施任务实施检查材料清单活动活动1根据不同浓度的酒精测量输出电压活动活动2（1）材料清单材料清单请参考课本表-.2操作步骤1）用导线将酒精检测模块与电源和万用表进行连接，连接方法如图 4-6 所示。2）接通电源，并将万用表选在适合测量 5V 量程的电压档位上。3)在量杯中倒入一定量的酒精，接近传感器模块的探头，观察此时电压值。4）按照比例分次向量杯中倒入一定量的水，将酒精浓度稀释为 50%、40%
11、、30%、20%、10%。5）将不同浓度的酒精靠近 TGS822，观察电压表的变化并进行记录。任务二任务二 电阻控制型气体检测传感器检测易燃电阻控制型气体检测传感器检测易燃气体气体 情景引入近年来，全国燃气行业发展迅速，液化气、天然气等作为能源已在家庭中被广泛应用，部分地区还开发沼气资源进行利用（如图 4-7 所示），然而这些能源在给人们的生活带来方便的同时，也带来了安全隐患和不稳定因素，火灾发生的频率越来越高。那么如何监测、防控易燃气体，保障居民的生命财产安全呢？在本任务中使用电阻控制型气体检测传感器 MQ-2 检测气体中是否含有易燃气体。任务描述任务描述（1）了解可燃气体检测传感器 MQ-
12、2 工作原理及测量电路（2）能够使用 MQ-2 气体检测传感器测量空气中是否含有易燃气体任务目标任务目标相关知识相关知识1.MQ-2 气体检测传感器MQ-2 气体检测传感器由微型 Al2O3 陶瓷管、SnO2 敏感层，测量电极和加热器构成的敏感元件，固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。MQ-2 传感器实物图如图 4-8 所示。MQ-2 属于二氧化锡半导体气敏材料，是表面离子式 N 型半导体，当处于200-300 摄氏度时二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减小，从而使其电阻值增加，当与可燃气体接触时，晶粒边界处的势垒受可燃气体的影响
13、而变化，从而引起表面电导率的变化，可燃气体浓度越大电导率越大输出电阻越小。MQ-2 气体传感器对液化气、丙烷、氢气等检测的灵敏度高，特别是对检测液化气的灵敏度和选择性都是很高的，且成本较低，驱动电路简单。因此广泛应用于家庭用气体泄漏报警器、工业用可燃气体报警器。2MQ-2 引脚定义封装好的气敏元件 MQ-2 有 6 只针状管脚（见表 4-7），其中 4 个用于信号取出，2 个用于提供加热电流，其引脚如图 4-9 所示。任务实施任务实施对应课本检查材料清单并搭建电路活动活动1用MQ-2传感器模块测量空气中是否含有易燃气体活动活动2（1）材料清单材料清单请参考课本表-.（2）操作步骤1）按照图 4-13 所示连线图进行连接。2）接通电源，将万用表调至适合测量 5V 量程的电压档。3）用打火机充气瓶对准传感器模块的探头轻轻喷射，观察此时万用表的电压值。在使用打火机充气瓶时特别要注意：远离火源、不准吸烟；采取预防静电措施、避免日光直接照射、不可喷向明火或任何灼热物件、不可嗅吸容器内的气体！4）将充气瓶稍微远离一点传感器探头，喷射易燃气体，观察此时万用表电压值。5）将几次不同距离时测得的电压值记录在表 4-8 中。（3）操作步骤
