3章1气敏传感器
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气敏半导体的灵敏度特性曲线
观察右图,
看一下能否说明 非线性特性对浓 度超限报警是否 有利?
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家庭用煤气报警器
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家庭用液化气 报警器
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其他气体传感器
甲烷传感器
NH3传感器
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二、二氧化钛氧浓度传感器图3-26 TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路 a)结构 b)测量转换电路
3.3.3 气敏电阻的应用
气敏电阻应用较广泛的是用于防灾报警,如可制成液化石油 气、天燃气、城市煤气、煤矿瓦斯以及有毒气体等方面的报 警器。也可用于对大气污染进行监测以及在医疗上用于对O2、 CO2等气体的测量。生活中则可用于空调机、烹调装置、酒精 浓度探测等方面。
气敏元件的参数主要有加热电压、电流,测量回路电压,灵 敏度,响应时间,恢复时间,标定气体(0.1%丁烷气体)中 电压,负载电阻值等。下面是两类典型气敏电阻的基本情况: 3.3.3.1 MQ-N5型气敏元件
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可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧,因此,铂丝的 温度会上升,铂丝的电阻值也上升;通过测量铂丝的电阻 值变化的大小,就知道可燃性气体的浓度。电化学气敏传 感器一般利用液体(或固体、有机凝胶等)电解质,其输 出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流,也可以是 离子作用于离子电极产生的电动势。半导体气敏传感器具 有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点,应用 极其广泛;半导体气敏元件有N型和P型之分。 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小;P型阻值随 气体浓度的增大而增大。象SnO2金属氧化物半导体气敏材 料,属于 N型半导体,在200~300℃温度它吸附空气中的 氧,形成氧的负离子吸附,使半导体中的电子密度减少, 从而使其电阻值增加。
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。
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二、二氧化钛氧浓度传感器
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。 图 3-26 是用于汽车或燃烧炉排放气体中的氧浓度 传感器结构图及测量转换电路。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。 在图b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,TiO2气敏电阻的 阻值会逐渐减小,只要Rt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。
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3.3.1 气敏电阻的工作原理及其特性
气敏电阻是一种半导体敏感器件,它是利用 气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化 这一机理来进行检测的。人们发现某些氧化物 半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、 BaTiO3等都具有气敏效应。
常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气 敏传感器和半导体气敏传感器等。接触燃烧式气体传 感器的检测元件一般为铂金属丝(也可表面涂铂、钯 等稀有金属催化层),使用时对铂丝通以电流,保持 300℃~400℃的高温 , 此时若与可燃性气体接触 ,
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湿度传感器的分类
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水蒸气的凝结将给仪器设备带来各种危害
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湿度对电子元件的影响
当环境的相对湿度增大时,物体表面就 会附着一层水膜,并渗入材料内部。这不仅 降低了绝缘强度,还会造成漏电、击穿和短 路现象;潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引 起有机材料的霉烂。
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图3-26 TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路
a)结构
b)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 7-TiO2氧敏电阻 8-进气口 2014-6-6 14 9-引脚
氧浓度传感器外形
可用于汽车 尾气测量
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汽车尾气分析
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有毒气体传感器的使用
伊拉克战争中美国士兵就配备了一个可探测有毒 气体的传感器(工作时间仅为20多秒)
甲醛传感器CH2O/S-10: 测量范围 : 0- 10 ppm(百万分之一 ) 最大负荷 : 50ppm 工作寿命 : 空气中3年
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3.2
湿敏电阻传感器
第三章
3.1 气敏电阻传感器
使用气敏电阻传感器(以下简称气敏电阻),可 以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量, 再转换为电流、电压信号。 气敏电阻品种繁多,主要有可测量还原性气体和 测量氧气浓度的两大类。 一、还原性气体传感器 所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子, 化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体, 例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然 气、氢气等。 测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO 或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活 剂及其它添加剂,按一定比例烧结而成的半导体器件。
风
玻璃酒精 温度计
棉球 水槽
上页中,左边的玻璃温度计(湿球)用湿棉 球包裹,并浸没在水槽里。湿棉球由于水份蒸 发,所以其温度低于室温,致使湿球的示值低 于干球。查对应的湿度表就可知道空气的相对 湿度。虽然干湿球湿度计的历史悠久,但现在 还经常用它作为电子相对湿度仪表的标定仪器。
3.3
气敏电阻
在现代社会的生产和生活中,人们往往会 接触到各种各样的气体,需要对它们进行检 测和控制。比如化工生产中气体成分的检测 与控制;煤矿瓦斯浓度的检测与报警;环境 污染情况的监测;煤气泄漏:火灾报警;燃 烧情况的检测与控制等等。气敏电阻传感器 就是一种将检测到的气体的成分和浓度转换 为电信号的传感器。
1) 原理 QM-N5型气敏元件是以金属氧化物SnO2为主体材 料的N型半导体气敏元件,当元件接触还原性气体时,其电导 率随气体浓度的增加而迅速升高。
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2) 特点 用于可燃性气体的检测(CH4、C4H10、H2等); 灵敏度高;响应速度快;输出信号大;寿命长,工作稳定可 靠。
3) 性能指标 3.3.3.2 具体指标略
时则有在几分钟内死亡的危险,因此对一氧化碳检测必须快而准。 利用SnO2 金属氧化物半导体气敏材料,通过颗粒超微细化和掺 杂工艺制备SnO2纳米颗粒,并以此为基体掺杂一定催化剂,经适 当烧结工艺进行表面修饰,制成旁热式烧结 型CO敏感元件,能 够探测0.005%~0.5%范围的CO气体。 3.3.2.2 氧化铁系气敏电阻
U(mV)
t(℃ )
100 200 300 400 500 600
图2.4.1 气敏电阻灵敏度与温度的关系
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3.3.2 常用的气敏电阻
气敏电阻根据加热的方式可分为直热式和旁热式两种, 直热式消耗功率大,稳定性较差,故应用逐渐减少。 旁热式性能稳定,消耗功率小,其结构上往往加有封 压双层的不锈钢丝网防爆,因此安全可靠,其应用面 较广。
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以SnO2气敏元件为例,它是由0.1--10的晶体集合而成,这种 晶体是作为N型半导体而工作的。在正常情况下,是处于氧离 子缺位的状态。当遇到离解能较小且易于失去电子的可燃性 气体分子时,电子从气体分子向半导体迁移,半导体的载流 子浓度增加,因此电导率增加。而对于P型半导体来说,它的 晶格是阳离子缺位状态,当遇到可燃性气体时其电导率则减 小。 气敏电阻的温度特性如图2.4.1所示,图中纵坐标为灵敏度, 即由于电导率的变化所引起在负载上所得到的值号电压。由 曲线可以看出,
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露点
降低温度 会产生结露现 象。露点与农 作物的生长有 很大关系,结 露也严重影响 电子仪器的正 常工作,必须 予以注意。
测量露点的仪器
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露点传感器外形
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电子湿度计模块
封装后 的外形
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电子式温湿度计
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当还原性气体与多孔的接触时,气敏电阻的晶粒表面受到还原作用,其 电阻串迅速降低。这种敏感元件用于检测烷类气体特别灵敏。
3.3.2.3
型号命名方式
气敏电阻器的型号命名由三部分组成。 第一部分用字母表示主称。第二部分用字母表示用途或特征。 2014-6-6 36 第三部分用数字表示产品序号。 具体表示略。
a)气敏烧结体 b)气敏电阻外形 c)基本测量转换电路 1—引脚 2—塑料底座 3—烧结体 4—不锈钢网罩 5—加热电极 6—工作电极 7—加热回路电源 8—测量回路电源
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气敏电阻外形
其他可燃性 气体传感器
酒精传感器
酒精测试仪
呼气管
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酒精传感器的选择性
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当遇到有能供给电子的可燃气 体(如CO等)时,
原来吸附的氧脱附,而由可燃气体以正离子状态吸附 在金属氧化物半导体表面;氧脱附放出电子,可燃行 气体以正离子状态吸附也要放出电子, 从而使氧化 物半导体导带电子密度增加,电阻值下降。可燃性气 体不存在了,金属氧化物半导体又会自动恢复氧的负 离子吸附,使电阻值升高到初始状态。这就是半 导 体气敏元件检测可燃气体的基本原理。 目前国产的气敏元件有2种。一种是直热式,加 热丝和测量电极一同烧结在金属氧化物半导体管芯内; 另一种是旁热式,这种气敏元件以陶瓷管为基底,管 内穿加热丝,管外侧有两个测量极,测量极之间为金 属氧化物气敏材料,经高温烧结而成。