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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。

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。
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