1、第第5章章 气体传感器气体传感器5.1 气敏传感器概述5.1.1 气敏传感器概述5.1.2 气体的检测方法5.2 半导体气体传感器5.2.1 气敏电阻的工作原理5.2.2 氧化锡气敏器件5.3 常见气体传感器及其应用5.3.1 QM-N5型气敏传感器及应用5.3.2 MQK-2型气敏传感器及应用5.3.3 TGS系列气敏传感器及应用 第五章第五章 气体传感器气体传感器51概述 我们生活在气体的环境中，气体于我们的生活密切相关。我们对气体的感知是用鼻子这个器官，而气体传感器的作用就相当于我们的鼻子，可以“嗅”出空气中某种气体并判断此种气体的浓度，从而实现对气体成分的检测和监控，以改善人们的生活水
2、平，保障人们的生命安全。根据检测的原理不同，可以将检测的方法分为三种：(1)电气法：利用气敏器件检测气体，是目前应用最为广泛的检测方法.(2)电化学法：利用电化学方法，使用电极与电解液对气体进行检测。(3)光学法：利用气体的光学折射率或光吸收等特性检测气体。表表51 常用检测方法的特性比较常用检测方法的特性比较 测量方法测量方法 灵敏度灵敏度 可靠性可靠性 选择性选择性 响应速响应速度度 稳定性稳定性 简易简易程度程度 经济性经济性 半导体法半导体法 非常好非常好 稍差稍差 差差 较快较快 稍差稍差 非常非常简单简单 最廉价最廉价 燃烧法燃烧法 很好很好很好很好中等中等非常快非常快良好良好非常
3、非常简单简单中等中等导热法导热法 良好良好良好良好良好良好快快良好良好简单简单中等中等电化学法电化学法 良好良好良好良好良好良好快快良好良好中等中等中等中等红外法红外法 中等中等良好良好相当快相当快快快良好良好中等中等中等中等化学法化学法 良好良好良好良好良好良好快快良好良好简单简单中等中等光干涉法光干涉法 良好良好良好良好良好良好快快良好良好中等中等中等中等色谱法色谱法 非常好非常好非常好非常好非常好非常好稍慢稍慢非常好非常好复杂复杂昂贵昂贵 表51列出了常用气体检测方法的特性比较。气体测量的方法很多，在实际工程应用中，应该根据具体的环境、测量任务和测量要求，综合考虑检测器件的各种特性。找出
4、性价比最合适的检测方法和检测器件。例如从表51中可以看到，气体色谱法虽然检测灵敏度和精度都非常好，但是它的传感器的结构非常复杂且价格昂贵，所以在检测精度的要求的应用领域一般是不会考虑选用这种测量器件的。而半导体法虽然其综合性能并不是最好的，但是它的结构非常简单，价格低廉，适合批量生产，因而得到得了广泛的应用。基于此原理制成的半导体气敏传感器是工业（特别是民用、家用领域）应用最为广泛的一种气体传感器。本章将以半导体气敏传感器为例，为大家介绍气敏传感器的结构、工作原理和实际应用。52 半导体气体传感器半导体气体传感器 半导体气体传感器主要是用氧化物半导体为基本材料制成，当半导体气敏元件和气体接触时
5、，气体吸附于元件表面，使半导体的导电率发生变换，从而检测气体的成分和浓度。半导体气体传感器的分类：（1）电阻式：电阻式半导体气体传感器是用氧化锡（SnO2）、氧化锌（ZnO）等金属氧化物制作的敏感元件，利用其阻值的变化来检测气体的浓度。（2）非电阻式：非电阻式半导体气体传感器主要有金属/半导体节型二极管和金属栅的MOS场效应管的传感器，利用他们与气体接触后整流特性或XX电压的变化来实现气体的测量。在此只介绍电阻式气体传感器。521 气敏电阻的工作原理 气敏元件的工作原理非常复杂，受诸多因素的影响。如：气敏元件往往不是单晶体，为了提高灵敏度，气敏元件中一般都有催化剂和其他氧化物以及提高元件强度而
6、添加的粘合剂：元件多工作在较高的温度下；被测量的气体的种类繁多，它们的特性各不相同。因此在长期研究的基础上，将气敏元件的工作原理归纳为多种模型，从而解释不同类型半导体气敏元件的工作原理。气敏电阻类元件的工作原理就可以用其中的能级生成理论来解释。气敏电阻的材料是金属氧化物，如氧化锡、氧化锌等，它们在常温下是绝缘的，制成半导体后却显出气敏特性。通常元件在空气中，空气中的氧气、二氧化氮这样的氧化性气体其电子兼容性比较大，接受来自半导体材料的电子而吸附负电荷，结果使N型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电子减少，使表面电导率减小，从而使元件处于高阻状态。一旦元件与被测还原性气体接触，就会与吸附的氧起
7、反应，将被氧束缚的电子释放出来，敏感膜表面电导率增加，使元件电阻减小。(a)(b)图图5-1气敏元件的测量电路及气敏元件输出电压与温度的关系气敏元件的测量电路及气敏元件输出电压与温度的关系 如图51（b）所示。由以上可知，气敏电阻工作时需要本身的温度比环境温度高很多。因此，气敏电阻结构上有电阻丝加热器。气敏电阻的基本测量电路，如图51（a）所示。图中EH为加热电源。EC为测量电源，电阻中气敏电阻值的变化引起电路中电流的变化，输出电压（信号电压）由电阻R0上取出。特别在低浓度下灵敏度高，而高浓度下趋于定值。因此，常用来检查可燃性气体泄漏并报警等。5.2.2 5.2.2氧化锡气敏元件氧化锡气敏元件
8、 目前市场上使用的多为氧化锡气敏元件，SnO2是一种白色粉末状的金属氧化物，其多结晶体材料具有气敏特性。气敏元件当前主要有三种类型：烧结型、薄膜型和厚膜型。1.烧结型SnO2气敏元件 目前烧结型SnO2气敏元件是工艺最成熟的气敏元件。这种元件是以多孔质陶瓷SnO2为基本材料，添加不同物质，采用传统制陶工艺进行烧结。烧结时在材料中埋入电阻丝和测量电极，制成管芯，然后将加热电阻丝和测量电极引线焊接在管座上。并将管芯罩在不锈钢网中而制成器件。这种器件主要用于检测还原性气体、可染性气体和液体蒸汽。器件工作时需要加热到300左右，按其加热方式不同，又分为直热式和旁热式两种气敏元件。(1)直热式直热式Sn
9、O2气敏元件气敏元件 直热式器件的结构如图52 所示。器件管芯由三部分组成：SnO2材料、加热电阻丝和电极丝。加热电阻丝和电极丝直接埋在SnO2材料内，然后烧结制成。工作时加热电阻丝通电加热，使器件达到工作温度。测量电极丝用于器件电阻值变化的测量。(a)结构结构 (b)符号符号 图图5-2 直热式气敏器件结构与符号直热式气敏器件结构与符号 这种器件的优点是：制造工艺简单、功耗小、成本低、可在高压回路中使用、可制成价格低廉的可燃气体报警器。目前市场上流行的传感器如日本费加罗公司的TGS-109型、国内的QM型和MQ型气敏器件就是这种结构。这种器件的缺点：热容量小，容易受环境气流的影响；测量回路和
10、加热回路之间没有隔离，互相影响。（2）旁热式）旁热式SnO2气敏元件气敏元件 旁热式气敏元件的管芯增加了一个陶瓷管，在管内放进一个高阻加热丝，管外涂上梳妆金电极作测量极，在金电极外涂SnO2材料。这种结构克服了直热式器件的缺点，其测量极和加热电阻丝分开，加热丝不与热敏材料接触，避免了测量回路与加热回路之间的相互影响。而且器件的热容量大，降低了环境气温对器件加热温度的影响，并容易保持SnO2材料结构稳定。目前国产的QM-N5型气敏器件，日本日本费加罗公司的TGS-812、813等型气敏器件就是这种结构。2.2.薄膜型薄膜型SnOSnO2 2气敏元件气敏元件 薄膜型SnO2气敏元件一般是先在绝缘基
11、板上蒸发或喷射一层SnO2薄膜，再引出电极即成。这种器件制作方法简单，但器件特性一致性差，灵敏度不如烧结型器件高。3.厚膜型SnO2气敏元件 厚膜型SnO2气敏元件一般采用丝网印刷技术制作，器件强度好，特性比较一致，便于生产。5 53 3 常见气体传感器及其应用常见气体传感器及其应用 QM-N5是一种国产应用广泛的型气敏传感器，它由绝缘陶瓷管、加热器、电极、氧化锡烧结体构成。在陶瓷管内放进高阻电阻丝，在管外涂上梳妆金电极作测量极，在金电极外涂SnO2材料，使氧化锡烧结体位于两个电极之间。正常工作时，电阻丝通电加热，当无被测气体流入时，由于空气中的氧成分大体是恒定的，因而氧的吸附量也是恒定的，气
12、敏元件的阻值大致保持不变。当有被测气体流入，元件表面将产生吸附作用，元件的阻值将随气体浓度而变化，然后由测量回路按照浓度和阻值的变化关系即可以推算出气体的浓度。QM-N5型气敏传感器的即间电压10V，加热电压为50.5V，负载电阻为2K,适用环境温度为2040。它适用于检测煤气、液化石油气。煤油、汽油、乙炔、乙醇、酒精、氢气、硫化氢、一氧化碳、烷类气体、烯类气体、氨类气体、烟雾。5.3.1 QM-N5型气敏传感器及应用 (a)(a)外形外形 (b)(b)符号符号 图图5-3 QM-N55-3 QM-N5外形和符号外形和符号1.一氧化碳报警器 我国城市的煤气中都含有较多的一氧化碳。一氧化碳是剧毒
13、气体，健康的人在含有1%的空气中，10分钟会产生痉挛，半个小时就会死亡。当煤气泄漏时，既有爆炸的危险，又存在一氧化碳中毒的危险。另外，使用燃气热水器或煤炉而通风不良时，也会发生一氧化碳中毒。图53 列出QM-N5外形和符号，其中A、B为信号电极，H为加热丝极。图5-4 CO检测换气报警自动控制电路 图54是CO检测换气报警自动控制电路。气敏检测电路由QM-N5气敏传感器、R1、RP1、VD5组成。延时电路由VD6、VD7、R2、C2 等组成。由于在不稳定过程中引起A极和B 极之间电阻下降而发生误报现象。不稳定过程的时间大约10分钟，延时常数由R2 C2、VD6的正向电阻决定。电源断开后，C2上
14、的充电电压通过VD7、R3放电。7805为电热丝提供的5V电压。当CO浓度很低后，QM-N5的A-B极间导电率低，呈高阻状态，检测的电信号小，不能驱动后面的电路工作，因此风扇M不动作，LED不发光。当CO达到一定浓度时，QM-N5的A-B极间电阻小，检测的信号大。由于VD的作用，在调节RP1时，使气敏信号取值电压最低限制在0.7V经延时电路加到三极管VT1使之饱和导通。时基电路NE555的6号引脚由高电平变为低电平，3号引脚输出高电平，双向晶闸管VS触发导通。风扇电机M通电转动，排出有害气体，LED发光报警。当室内CO浓度下降到正常值后，气敏检测信号变小，排风扇M自动停止转动，LED熄灭。2
15、集成可燃型气体检测器集成可燃型气体检测器 无论是天然气、液化气、还是煤气，由于各种原因泄漏后，当室内燃气的浓度超过爆炸下限时，遇到火源（打火机、电气开关、静电）就一定发生爆炸。所以相应的可燃性气体检测器有多种多样。这里介绍的可燃性气体检测器，其敏感元件采用QM-N5，由于采用集成电路，因而体积小，携带方便，便于巡回检测。其工作原理如下:9V直流电源经电阻RP 限流，为QM-N5的丝极 提供了110A左右的电流，将A-A和B-B测量极预热。在清洁的空气中，两测量电极间的电阻较大，B-B端对地电位较低，气敏元件无信号输出。当有可燃气体接触气敏元件时，在其表面就会发生化学吸附，使A-A和B-B之间的
16、阻值降低，B-B端对地电位上升，其值大小与检测到的可燃性气体的浓度成正比，这样就产生了“气电”信号，这个“气电”信号直接加到了1IC的输入端1号引脚。1IC是SL322型发光显示电平指示驱动电路，其1脚为第一组的输入端，37脚为它的输出端；17脚是第二组的输入端，1216脚是其输出端，18脚是它的电源端，9脚是它的接地端。8、10脚连接输出端，其功能是两组组合时，第一组的输出接到第二组的输入。图图5-5 5-5 可燃性气体检测器可燃性气体检测器 在图55中，将8脚和16脚连接起来，就将这两组驱动电路串联起来了,形成具有一个输入端，10个输出端的线性元件，在无信号加到脚1时，脚3脚7、脚11脚1
17、5均为低电平，因此，2IC、3IC都不工作；当气敏元件的检测信号电压升到0.2V时，1IC的脚3立即由低电位变为高电位，这时2IC、3IC相继工作。2IC、3IC都是5G1555组成的自激多谐振荡器，2IC工作在超低频，而3IC 工作在音频范围内。适当的调整R或R,使2IC工作频率为1HZ,这时指示灯的发光二极管LED将闪烁发亮，电压蜂鸣器YD便发出“嘀嘀”的声音。图图5-6 SL322发光显示电平指示驱动器内部电路发光显示电平指示驱动器内部电路 5.3.2MQK-2型气敏传感器及应用型气敏传感器及应用 MQK-2型气敏传感器也是一种国产常见的半导体气体传感器。MQK-2型气敏传感器的基座采用
18、耐高温的塑料压制，引脚为镀镍铜丝上罩采用双层密纹不锈钢压制。有较高的强度和防爆功能。MQK-2A型气敏传感器适用于天然气、煤气、液化气、丙丁烷、氢气等。MQK-2B型气敏传感器适用于烟雾型等减光型有害气体。MQK-2型气敏传感器的灵敏度为1030，响应时间少于10S，恢复时间少于60S，加热电压为5V0.2V,加热功率为0.7W，环境温度为1040，湿度低于85%RH图图5-7 5-7 采用采用MQK-2MQK-2型气敏传感器的报警电路型气敏传感器的报警电路 图57 是采用MQK-2型气敏传感器的家用煤气、液化气报警电路。7806稳压器提供稳定的6V电压，TL431是精密电压比较器，当MQK-
19、2型气敏传感器在纯净的空气中，A-B间的电阻大约有几十千欧姆，TL431的R段为低电位；当MQK-2型气敏传感器接触到有害气体时，A-B间的电阻迅速下降，R段的电位逐渐升高，当电位达到2.5V时，TL431内部导通，LED发光，KD9001报警电路报警。可以调节RP确定可燃有害气体的报警的气体浓度。图图5-8 5-8 具有自动控制排气扇和声光报警功能的报警电路具有自动控制排气扇和声光报警功能的报警电路 图58是具有自动控制排气扇和声光报警功能的报警电路。设计时可以根据情况分别对待，有害气体浓度达到0.15%时，排气扇首先自动开启，当有害气体排出后，排气扇自动关闭。只有当有害气体泄漏严重，排气无
20、效，浓度达到0.2%时，报警电路才发出声光报警。图58电路中A1、A2和A3构成比较器，调节RP1可以设定排气扇启动点，调节RP2可以设置报警点，调节RP3可以使LED1平时熄灭。当MQK-2型气敏传感器的加热丝烧断时，A3翻转输出高电平，VT3导通，LED1发光，表示MQK-2型气敏传感器失效。VD3为温度补偿二极管。R2、VD1、VD2、C3组成开机延时电路，可以避免开机误报警，R2阻值可以根据延时电路时间长短选择，报警电路采用KD9561报警器。5.3.3TGS系列气敏传感器及应用系列气敏传感器及应用 TGS系列气敏传感器是日本费加罗公司生产的半导体气敏传感器。TGS系列气敏传感器属于N
21、型半导体类气敏传感器，主要成分是二氧化锡烧结体。当吸附还原性气体（液化气、天然气、氢气、一氧化碳、有机溶剂蒸汽）时，电导率上升。当恢复到清洁空气中时，电导率恢复。TGS系列气敏传感器就是将这种电导率变化，以电压的方式取出，从而检测出气体的浓度。1 火灾烟雾报警器 用TDS-109气敏器件对烟雾的敏感，设计出火灾烟雾报警器。在火灾初期总要产生气体和烟雾。火灾报警器具有双重的报警功能：当火灾发生时，温度升高到一定温度时热传感器动作，蜂鸣器报警；当烟雾或可燃气体达到预定报警浓度时，气敏器件发生作用时报警电路动作，蜂鸣器报警。2 实用酒精测试仪 图59 是酒精测试仪的电路，该测试仪只要被试者向传感器吹
22、一口气，便可以显示醉酒的程度，确定被试者是否适宜驾驶车辆。气体传感器选用二氧化锡元件。此类仪器已经成为交警的必备设备。当气体传感器探测不到酒精时，加在芯片A的5脚的电平为低电平；当探测到酒精时，其内阻变低，从而5脚为高电平。图中A为显示驱动电路，它共有10个输出端，每个输出端可以驱动一个发光二极管，显示驱动器A根据5脚的电平高低来确定发光二极管的级数，酒精的含量越高则点亮的二极管的级数就越大。上面5个发光二极管为红色，表示超过安全水平；下面的5个发光二极管为绿色，表示安全水平（酒精含量不超过0.5%）。图图5-9 酒精检测器电路酒精检测器电路小小 结结 本章讲述了气体传感器的概念，并对多气体(略)的检测方法进行了比较分析，介绍了半导体气敏传感器的结构、符号及工作原理，分析了QM-N5型气体传感器的工作原理，同时结合实际例子，画出了CO检测换气报警自动控制电路和可燃性气体的检测器的实际原理图，对于学生学完后自己动手组装可燃性气体报警电路打下了良好的基础。建议本章学完后，学生动手组装调试一台简单的可燃性气体报警电路。
