传感器大作业

气敏传感器

物流1101班刘祥0121118700313

摘要：气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。它将气体种类

及其浓度等有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息。现阶段空气污染现象日益严重，气敏传感器技术对于空气监测十分重要。

一气敏传感器工作原理

声表面波器件之波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用（化学作用或生物作用，或者是物理吸附），使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移；气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以获得准确的反应气体浓度的变化值。

二气敏传感器分类

由于气体种类繁多, 性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，因此，能实现气-电转换的传感器种类很多，按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。目前实际使用最多的是半导体气敏传感器。

1.半导体式此类传感器原理是若气体接触到加热的金属氧化物(SnO2、

Fe2O3、ZnO2等)，电阻值会增大或减小。主要运用于还原性气体、城市排放气体、丙烷气等气体的监测。其特点是灵敏度高，构造与电路简单，但输出与气体浓度不成比例。

2.接触燃烧式此类传感器原理是可燃性气体接触到氧气就会燃烧，使得作为气敏材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。主要运用于燃烧气体的监测。其特点是输出与气体浓度成比例，但灵敏度较低

3.化学反应式此类传感器原理是利用化学溶剂与气体反应产生的电流、颜色、电导率的增加等主要运用于CO、H2、CH4、C2H5OH、SO2等的监测。其特点是气体选择性好，但不能重复使用。

4.光干涉式此类传感器原理是利用与空气的折射率不同而产生的干涉现象主要运用于与空气折射率不同的气体，如CO2等的监测。其特点是寿命长，但选择性差。

5.热传导式此类传感器原理是根据热传导率差而放热的发热元件的温度降低进行检测主要运用于与空气热传导率不同的气体，如H2等的监测。其特点是构造简单，但灵敏度低，选择性差。

6.红外线吸收散射式此类传感器原理是由于红外线照射气体分子谐振而吸收或散射量进行检测主要运用于CO、CO2等的监测。其特点是能定性测量，但装置大，价格高。

三气敏传感器应用

气敏传感器的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气

的检测、氟利昂勠11、R12蓠检测、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。由于气体种类繁多, 性质各不相同不可能用一种传感器检测所有类别的气体因此能实现气-电转换的传感器种类很多按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。

半导体气敏传感器由于具有灵敏度高、响应时间和恢复时间快、使用寿命长以及成本低等优点，从而得到了广泛的应用。按其用途可分为以下几种类型：

1.检漏仪或称探测器

它是利用气敏元件的气敏特性，将其作为电路中气-电转换元件，配以相应的电路、指示仪表或声光显示部分而组成的气体探测仪器。这类仪器通常都要求有高灵敏度。

2.报警器

这类仪器是对泄漏气体达到危险限值时自动进行报警的仪器。

3.自动控制仪器

它是利用气敏元件的气敏特性实现电气设备自动控制仪器。如电子灶烹调自动控制，换气扇自动换气控制等。

4.测试仪器

它是利用气敏元件对不同气体浓度关系来测量、确定气体种类和浓度。这种应用气敏元件的性能要求较高，测试部分也要配以高精度测量电路。

四气敏传感器的主要参数及特性

1、电阻R0和Rs

固有电阻R0表示气敏元件在正常空气条件下（或洁净条件下）的阻值，又称正常电阻。

工作电阻Rs代表气敏元件在一定浓度的检测气体中的阻值。

2、灵敏度K

气敏元件的灵敏度通常用气敏元件在一定浓度的检测气体中的电阻与正常空气中的电阻之比来表示灵敏度K。

3、气敏元件的响应时间

表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的63％时为止，所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间

4、气敏元件的恢复时间

表示在工作温度下,被测气体由该元件上解吸的速度,一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时,直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值的63％时所需时间。

5、加热电阻RH 和加热功率PH

为气敏元件提供工作温度的加热器电阻称为加热电阻，用RH表示。气敏元件正常工作所需要的功率称为加热功率，用PH表示。

6、洁净空气电压U0

在洁净空气中，气敏元件负载电阻上的电压，定义为洁净空所中电压，用U0表示。U0与R0的关系为

式中UC ——测试回路电压； RL ——负载电阻。

7、标定气体中电压Ucs

SnO2气敏元件在不同气体、不同浓度条件下，其阻值将相应发生变化。因此，为了给出元件的特性，一般总是在一定浓度的气体中进行测度标定。把这种气体称标定气体，例如，QM-N5气敏元件用0.1%丁烷（空气稀释）为标定气体，TGS813气敏元件用0.1%甲烷（空气稀释）为标定气体等等。在标定气体中，气敏元件的负载电阻上电压的稳定值称为标定气体中电压，用Ucs 表示。显然，Ucs 与元件工作电阻Rs 相关

8、电压比Ku

电压比是表示气敏元件对气体敏感特性，与气敏元件灵敏度相关。它的物理意义可按下式表示。

式中，Uc1和UC2——气敏元件在接触浓度为c1和c2的标定气体时负载电阻上电压的稳定值。

9、回路电压Uc

测试SnO2气敏元件的测试回路所加电压称为回路电压，用Uc 表示。这个电压对测试和使用气敏器件很有实用价值。根据此电压值，可以选负载电阻，并对气敏元件输出的信号进行调整。对旁热式SnO2气敏元件，一般取Uc=10V 。

五 气敏传感器实例—BW 一氧化碳检测仪

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