第10章气敏传感器及其应用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。

气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。

它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。

它的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。

它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。

气敏传感器的实物如图10-1所示。

图10-1 气敏传感器实物图10.1气敏电阻气敏电阻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。

10.1.1气敏传感器的工作原理由于气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。

例如生活环境中的一氧化碳浓度达0.8～1.15 ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥等状态，达1.84ml/L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（氧化锡）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。

还有许多易爆可燃气体、酒精气体、汽车尾气等有毒气体的进行探测的传感器。

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，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；下面重点介绍半导体气敏传感器及其气敏元件。

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。

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两种。

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；旁热式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。

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。

10.1.2 常用的气敏传感器常用气敏传感器见表10-1所示：表10-1 常用气敏传感器类型、原理、检测对象和特点对比明细表10.2 QM-N5气敏传感器介绍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。

QM-N5型气敏元件适用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、烯类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气、烟雾等的检测，属于N 型半导体元件。

灵敏度较高，稳定性较好，响应和恢复时间短，市场上应用广泛。

主要特点：1、 用于可燃性气体的检测（CH4、C4H10、H2等）2、 灵敏度高3、 响应速度快4、 输出信号大5、 寿命长，工作稳定可靠10.2.1 QM-N5气敏传感器外形和引脚介绍QM-N5气敏传感器外形和引脚如图10-2所示ABf fa 实物图b 引脚图图10-2 QM-N5气敏传感器实物和引脚图其中：a 为实物图、b 为引脚图。

图b 中：1脚和3脚并联，记做B4脚和6脚并联，记做A2脚记做f ’、5脚记做f ，f ’—f 之间接加热电源。

A 、 B 作为输出端 具体连线如图10-3所示AB图10-3 QM-N5气敏传感器连线图特别提示：QM-N5气敏传感器输出信号为模拟信号，如果和单片机连接时必须将其转换成数字信号。

10.2.2 QM-N5气敏传感器主要参数和技术指标1、主要参数标定气体（0.1%丁烷气体，最佳工作条件）中电压≥2V响应时间≤10S恢复时间≤30S最佳工作条件加热电压5V测量回路电压10V负载电阻RL为2K允许工作条件加热电压4.5～5.5V测量回路电压5～15V负载电阻0.5～2.2K2、技术指标主要技术指标如表10-2所示表10-2 QM-N5气敏传感器主要技术指标表中：PPM用溶质质量占全部溶液质量的百万分比来表示的浓度,也称百万分比浓度。

ppm就是百万分率或百万分之几。

百万分率＝百分率/10 00010.2.3 QM-N5气敏传感器使用方法及注意事项1、元件开始通电工作时,没有接触可燃性气体,其电导率也急剧增加1分钟后达到稳定,这时方可正常使用,这段变化在设计电路时可采用延时处理解决.2、加热电压的改变会直接影响元件的性能,所以在规定的电压范围内使用为佳.3、元件在接触标定气体1000ppm C4H10后10秒以内负载电阻两端的电压可达到(V dg- V a)差值的80%(即响应时间);脱离标定气体1000ppm C4H1030秒钟以内负载电阻两端的电压下降到(V dg- V a)差值的80%(即恢复时间).4、符号说明检测气体中电阻- R dg 检测气体中电压- V dgR dg与V dg的关系: R d g=R L(V C/V dg-1)5、负载电阻可根据需要适当改动,不影响元件灵敏度.6、使用条件:温度-15~35℃;相对湿度45~75%RH;大气压力80~106KPa7、环境温湿度的变化会给元件电阻带来小的影响,当元件在精密仪器上使用时,应进行温湿度补偿,最简便的方法是采用热敏电阻补偿之.8、避免腐蚀性气体及油污染,长期使用需防止灰尘堵塞防爆不锈钢网.9、元件六脚位置可与电子管七角管座匹配使用.10、使用元件前请详细参看本说明.10.3 模拟量与数字量的转换（即A/D转换）在工业控制和智能化仪表中，常用单片机进行实时控制及实时数据处理。

单片机所加工的信息都是数字量，而被控制或测量对象的有关参量往往是连续变化的模拟量，如温度、压力、流量等，通过传感器将这些信号转换成模拟电信号。

单片机要处理这种信号，首先必须将模拟量转换成数字量，这一转换过程就是模—数转换，实现模/数转换的设备称为A/D 转换器或ADC。

在前面讲到，QM-N5气敏传感器输出信号是模拟信号，和单片机连接时必须先将其转换成数字信号。

这里介绍一种新型串行模/数转换器---- TLC154310.3.1 A/D转换转换相关知识A/D 转换电路种类很多，在选择模/数转换器时，主要考虑以下的一些技术指标：转换时间和转换频率、量化误差与分辨率、转换精度、接口形式等。

常用并行A/D 转换电路有8位的ADC0800系列、并行A/D 转换电路有10位的ADC1000系列、并行A/D 转换电路有12位的ADC1200系列。

由于并行A/D 转换电路占用较多的硬件资源，为了节省硬件资源，目前较为流行的A/D 转换器件有很多都采用了串行接口，这使得这类芯片与单片机的硬件连接非常简单，而软件编程相对要复杂一些，下面，我们以TI 公司的TLC1543 为例，介绍这类芯片的相关知识。

10.3.2 TLC1543 引脚介绍TLC1543 是由TI 公司开发的开关电容式AD 转换器，该芯片具有如下的一些特点：10 位精度、11 通道、三种内建的自测模式、提供EOC（转换完成）信号等。

该芯片与单片机的接口采用串行接口方式，引线很少，与单片机连接简单。

TLC1543 的引脚示意图如图10-4所示，其中：A0~A10 是11路输入。

Vcc 和GND 分别是电源引脚。

REF+和REF-分别是参考电源的正负引脚，使用时一般将REF-接到系统的地，达到一点接地的要求，以减少干扰。

CS 为片选端，如不需选片，可直接接地。

I/O Clock 是芯片的时钟端。

Address 是地址选择端。

Data Out 是数据输出端。

EOC 用于指示一次A/D 转换已完成，CPU 可以读取数据，该引脚是低电平有效，根据需要，该引脚可接入CPU 的中断引脚，一旦数据转换完成，向CPU 提出中断请求；此外，也可将该引脚接入一个普通的I/O 引脚，CPU 通过查询该引脚的状态来了解当前的状态，甚至该引脚也可以不接，在CPU 向TLC1543发出转换命令后，等待一段固定的时间去读取数据即可。

图10-4 TLC1543 的引脚示意图详细操作见表10-3所示10.3.3TLC1543时序介绍本器件可以用6种基本的串行接口时序方式。

这些方式取决于I/OCLOCK的速度与/CS 的工作, 这六种方式见表10-4所示：表10-4 TLC1543的6种工作方式其中：方式1为具有10时钟和/CS在转换周期无效的快速转换方式。

方式2为具有10时钟和/CS连续有效（低）的快速转换方式。

方式3为具有11~16时钟和/CS在转换周期无效（高）的快速转换方式方式4为具有16时钟和/CS连续有效（低）的快速转换方式。

方式5为具有11~16时钟和/CS在转换周期无效的慢速转换方式。

方式6为具有16时钟和/CS连续有效（低）的慢速转换方式。

需要说明的是所用串行时钟脉冲的数目也取决于工作的方式，从10个到16个不等，但要开始进行转换，至少需要10个时钟脉冲。

在第10个时钟的下降沿EOC 输出变低，而当转换完成时回到逻辑高电平。

需要进一步说明的是：如果I/O CLOCK的传送多于10个时钟，在第10个时钟的下降沿内部逻辑也将DA TAOUT变低以保证剩下的各位的值是零。