第三章 新型传感器原理及应用

气敏电阻外形
烟雾报警器
酒精传感器
二氧化碳传感器
酒精测试仪
呼气管
家庭用煤气报警器
家庭用液化气报警器
一氧化碳传感器
其他气体传感器 甲烷传感器
NH3传感器(氨 气)
二、气敏传感器的工作原理 气敏效应
利用半导体气敏材料，如氧化锌(ZnO)、二氧化锡 (SnO2)、二氧化锰(MnO2)等)，吸附被测气体(氢气、一 氧化碳、甲烷、乙醇等)时，电阻率发生变化，从而使电 阻随被测气体浓度的改变而变化。
第一节 气敏电阻传感器
气体检测是保护和改善生态居住环境不可缺少手段。如生活环 境中一氧化碳浓度达0.8～1.15 ml/L时，就会出现呼吸急促，脉 搏加快，甚至晕厥。另外易燃、易爆气体、酒精等的探测，气敏 传感器发挥着极其重要的作用。
是能够感知环境中某种气体及其浓度的一种敏感器件， 它将气体种类及其浓度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。
旁热式气敏元件的结构及符号如图3-2c、d所示，它的特点是将 加热丝放置在一个陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量极，在金 电极外涂上SnO2等材料。旁热式结构的气敏传感器克服了直热 式结构的缺点，使测量极和加热极分离，而且加热丝不与气敏材 料接触，避免了测量回路和加热回路的相互影响，元件热容量大， 降低了环境温度对元件加热温度的影响，所以这类结构的元件稳 定性、可靠性都较直热式元件好 .
自动检测技术
规则总结：
氧化型气体＋N型半导体：载流子数下降，电阻增加 还原型气体＋N型半导体：载流子数增加，电阻减小 氧化型气体＋P型半导体：载流子数增加，电阻减小 还原型气体＋P型半导体：载流子数下降，电阻增加
自动检测技术 三、基本测量电路
气敏电阻式传感器基本测量电路如下图所示。测量电路 包括加热回路和测试回路两部分。
（二）带排风的煤气报警器
这是一个实用的室内气控报警器，在对有害气体超浓 在工使当度主洁作每室要报净时次内由警空间报空气气：警的气体中受、易同检，控排燃时测于气a或,，电b工R有间2路可作和毒呈、自不C气高电1低动构体阻路于成达开抗开2的到启，分关延一A钟换、时定1。声气的电浓C光门扇路度2为发电，。时防生路调，及误器信节a时报和,号b两排电排间比者容风的除较的，控阻端有大当制抗2害小引空电， 脚气减气路电中小组体压瞬，成，小时R，P于出防分其现5止压.核4易增灾V心燃，大害元或此，件或有时大是事害比于一气故较5块体.电4发单V时路生，片，不此。多电工时功路作比能不，较集工后电成作级路报。电工警只路作电有处，路在于进。气等行体待状
气敏传感器可分为半导体气敏传感器、固体电解质气敏传感 器、浓差电池型气敏传感器和组合电位型气敏传感器等多种类 型。其中实际使用最多的是半导体气敏传感器。
自动检测技术
半导体式气敏传感器： 利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体
性质发生变化的原理来检测特定气体的成分或者 浓度 半导体式气敏传感器可分为： 电阻式 非电阻式
第三章 新型传感器原理及应用
第三章 新型传感器原理及应用
第一节 气敏电阻传感器 第二节 湿敏电阻传感器 第三节 感应同步器 第四节 磁栅式传感器 第五节 光栅传感器 第六节 光电式传感器 第七节 光纤传感器 第八节 超声波传感器 第九节 红外传感器 第十节 图像传感器 第十一节 传感器的智能化与微型化
在使用气敏传感器时，必须预先给加热丝通电，加热 温度一般为200～4000C，给器件预热，不仅可提高其 对可燃性气体的检测灵敏度，而且可加快响应速度。如 图3-3所示。
电阻丝通电加热之后， 敏感元件电阻值首先 是急剧地下降，一般 经2～10分钟过渡过程 后，阻值达到稳定状 态，称这一状态 为初始稳定状态。
(a)QM－N5测量电路； (b)TGS812测量电路； (c)TGS109测量电路
四、气敏传感器的应用
（一）袖珍瓦斯报警器
这是一种携带方便的瓦斯报警器，它可以直接安装 当 当 号在限当RP瓦大，无煤时分斯于经瓦压矿，浓放0斯小.工 能7度大或于V人 发超电，瓦0的 出限路.晶斯7V时放矿 响闸浓，，大管度帽 亮晶驱a导低内的,闸b动通，间（警管扬，则的不或笛声四a电导,头声器b声导通两进灯，语率，点行言里防增报间报模）止大警的警拟，。严器电。电则不当重导路R工率井隐工P作分很下 患作。压小，瓦 事增，输斯 故大因出超 的，此信 发生。
分类
电阻式
自动检测技术 烧结型 薄膜型
半导体式气敏传感器
厚膜型 二极管气敏传感器
非电阻式 MOS二极ห้องสมุดไป่ตู้气敏传感器
Pd—MOSFET气敏传感器
半导体式气敏传感器的分类
一、气敏传感器的结构
制作气敏电阻的材料主要有二氧化锡（SnO2）等金 属氧化物半导体，取材和掺杂不同决定了气敏电阻的类 型，常用的气敏电阻有P型、N型两种。如用SnO2、 ZnO、MnO2、Fe2O3等材料制成的气敏电阻属于N型， 用MoO2、NiO、CoO等材料制成的气敏电阻属于P型。
氧化性气体：
若气敏元件材料的功函数 比被吸附气体分子的电子 亲和力小，则被吸附的气 体分子就从气敏元件表面 夺取电子而以阴离子形式 吸附。具有阴离子吸附性 质的气体有O2和NOx等， 被称为氧化性气体。
还原性气体：若气敏元件材料的功函数大于吸附气体分 子的离子理解能，则吸附分子将向气敏元件释放电子而 形成正离子吸附。如H2、CO等，被称为还原性气体。
（a）烧结型气敏元件；（b）薄膜型气敏元件；（c）厚膜型气敏元件
由于加热方式一般有直热式和旁热式两种，因而形成了 直热式和旁热式气敏元件。直热式气敏元件的结构及符号 如图3-2所示。
这类器件制造工艺简单、成本低、功耗小，可以在高电 压回路下使用，但热容量小，易受环境气流的影响，测量 回路和加热回路间没有隔离而相互影响。
气敏传感器通常由气敏元件，加热器和封装体三部分 组成。气敏元件从制造工艺可分为烧结型、薄膜型和厚 膜型三种。常见的气敏传感器大都采用烧结型管芯结构。
它加们热的器典的型作结 用构 是如 加图速被3-测1所气示体。的吸附和脱出过程烧去气敏 元件表面的油垢或污物，起清洁作用；提高灵敏度和响应 速度；控制不同的加热温度，对不同被测气体有不同的选 择性作用，加热温度一般控制在100～4000C