1、第3版 林德杰 主编机械工业出版社同名教材 配套电子教案第1章 测量的基本概念第2章 测量误差及数据处理第3章 信号的时域第4章 非电量的电测技术第5章 微型化和智能化传感器第6章 数字化测量技术第7章 抗干扰技术4.16 4.16 气敏传感器气敏传感器4.16.1 概述4.16.2 半导体式气敏电阻4.16.3 热导式气敏传感器4.16.4 气敏传感器的应用实例4.16.1 概述 气敏传感器利用了气体的某些物理化学性质，将被测气体的某些特定成分转换成便于测量的电信号。气敏传感器具有测量范围宽、精度高、灵敏度高、工作可靠、体积小、成本低等一系列优点。它的应用范围已渗透到各个领域，见图4-153
2、。图4-153 气敏传感器的主要应用领域 气敏传感器大致可分为物理性和化学性两大类。物理性的气敏传感器是通过电流、电导率、光的折射等物理量的变化来实现气体成分的测定的。化学性气敏传感器是通过化学反应或电化学反应引起物理量的变化实现测量的。气敏传感器的种类繁多，就其检测方法来分，计有：半导体式、光干涉式、红外吸收式、热导率式、氢焰离化式、隔膜离子电极式、定电位电解式和浓度差电池式等。在为数众多的气敏传感器中，半导体式气敏元件的发展最为迅速，因它便于与后继的晶体管放大器集成化，故它的应用最为广泛。由于篇幅所限，本节仅介绍半导体式和热导式气敏电阻及其应用。4.16.2 半导体式气敏电阻 工作原理工作
3、原理 气敏电阻由非化学配比的金属氧化物按一定的比例混合，并加入粘合剂成型和高温烧结而成，其结构见图4-154a。图4-154 气敏电阻的结构及原理 气敏电阻还有薄膜型、厚膜型和场效应晶体管等。工作原理见图4-154b，通电后，元件被加热，阻值迅速下降，一般经210min后，阻值达稳定状态，这一状态称为初始稳定状态。到达初始稳定状态时间的长短与环境条件有关。必须指出，使用元件时必须预热，待元件达到初始稳定状态时，才能开始测量。当被测气体与加热的气敏电阻接触时，首先气体分子在其表面扩散，然后被气敏电阻吸附。加热电极的作用是提高气敏电阻的吸附能力。气敏电阻对被测气体的吸附作用有两种形式，一是以阴离子
4、形式被吸附；二是以阳离子形式被吸附。半导体气敏电阻的特性差别很大，单一种基质材料的半导体气敏电阻不可能检测所有气体，只能选择性地检测某种特定性质地气体。在选择时，应引起注意。半导体气敏电阻的测量电路图4-155 气敏电阻的测量电路 由前述可知，半导体气敏电阻将被测气体浓度的变化转换成电阻值的变化，测量电路的作用是将电阻值的变化转换成电压或电流的变化。半导体气敏电阻按其加热方式有直热式和旁热式两种。直热式的加热电极与信号检测电极没有隔离，会互相影响，应用独立电源分别对加热回路和信号检测回路供电。旁热式的加热电极与信号检测电极隔离，避免信号检测回路与加热回路之间的相互影响，是目前应用最广泛的气敏电
5、阻。图4-155示出了旁热式气敏电阻的测量电路。半导体气敏电阻的主要特性参数1.固有电阻固有电阻 在常温下，气敏元件在洁净的空气中的电阻值称为气敏元件的固有电阻值。一般在数十到数百千欧范围。2.灵敏度灵敏度 表征气敏元件的灵敏度通常有下列几个参数：a.电阻比灵敏度指元件的固有电阻与在规定气体浓度下气敏元件的电阻 之比。b.气体分离度c.电压灵敏度指气敏元件在固有电阻值时的输出电压与在规定浓度下负载电阻的输出电压 之比。3.分辨率分辨率 指气敏元件对被测气体的识别以及对干扰气体的抑制能力。半导体气敏电阻的主要特性参数4.时间常数时间常数 从气敏元件与某一特定浓度的气体接触开始，直到元件的阻值达到
6、此浓度下稳定阻值的63.2%为止，所需时间称为元件在该浓度下的时间常数。5.恢复时间恢复时间 由气敏元件脱离某一浓度的气体开始，到元件的阻值恢复到固有电阻的36.8%为止所需时间称为恢复时间。4.16.3 热导式气敏传感器 见图4-156。图a为热导式气敏元件的结构。在小容器内绕有铂丝，在铂丝上烧结金属氧化物作为敏感元件，被测气体可进出小容器。热导式气敏传感器广泛应用于气体的成分分析仪中。图4-156 热导式气敏传感器a）结构 b）测量电路4.16.4 气敏传感器的应用实例 油烟机自动起动及报警油烟机自动起动及报警 本装置（见图4-157）利用对阳离子吸附作用的N型半导体气敏元件作为敏感元件，
7、对所有还原性气体起敏感作用。检测灵敏度高于0.1%。利用双向晶体闸流管VT作为控制元件。本装置除用于厨房抽油烟机外，还可用于公用场合（如舞厅、卡拉OK厅）、非易爆易燃场合的自动抽风、报警以及消防等。图4-157 抽油烟机自动起动及报警器 防止司机酗酒开车控制器防止司机酗酒开车控制器 酒后开车易出事故，为防止酒后开车，保障人民生命及财产安全，需安置防止酒后开车控制器，其原理见图4-158。图4-158 防止酒后开车控制器 便携矿井瓦斯超限报警器便携矿井瓦斯超限报警器 本装置体积小，重量轻，电路简单，工作可靠。其电子线路见图4-159。图4-159 矿井瓦斯超限报警器 空气污染程度检测仪空气污染程度检测仪 电路原理见图4-160。图中，仪器由7805提供高稳定度的5V电源。选择对有害气体（如烟雾）敏感的气敏电阻AF38L作为检测元件。图4-160 监测仪电路原理Do you have made a progress today?
