1、家电传感器应用课程教学资源建设,建设院校：,主要参与企业：,顺德职业技术学院,广东美的集团 广东新宝电器 佛山市顺德区美智电子 佛山市顺德区高迅电子,气体传感器与检测应用,主要内容,接触燃烧式气敏元件 金属氧化物半导体气敏元件 氧化锆气敏元件 气体传感器的应用,1、检测原理 可燃性气体(H2、CO、CH4等)与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热(无焰接触燃烧热)，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。,一、接触燃烧式气敏元件,一般情况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高(低于10)，可燃性气体可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体的浓度有关。空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应(燃烧)
2、产生的反应热量(燃烧热)愈多，铂丝的温度变化(增高)愈大，其电阻值增加的就越多。因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值(R)，就可检测空气中可燃性气体的浓度。,实际使用的检测元件:使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。,2、接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路,F1是检测元件，F2是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起的偏差。,工作时，要求在F1和F2上保持100mA200mA的电流通过，以供可燃性气体在检测元件F1上发生氧化反
3、应(接触燃烧)所需要的热量。当检测元件F1与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用(燃烧)，释放出热量，使得检测元件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不再平衡，在A、B间产生电位差E。,A,F2,F1,M,R1,R2,C,B,D,W2,W1,E0,因为RF很小，且RF1R1=RF2R2,这样，在检测元件F1和补偿元件F2的电阻比RF2/RF1接近于1的范围内，A，B两点间的电位差E，近似地与RF成比例。在此，RF是由于可燃性气体接触燃烧所产生的温度变化(燃烧热)引起的，是与接触燃烧热(可燃性气体氧化反应热)成比例的。,如果令,则有,RF可用下式表示,检测元件的电阻温度系数； T由于可燃性气体接
4、触燃烧所引起的检测元件的温度增加值； H可燃性气体接触燃烧的发热量； C检测元件的热容量； Q可燃性气体的燃烧热；m可燃性气体的浓度(Vol)； 由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。,，C和的数值与检测元件的材料、形状、结构、表面处理方法等因素有关。Q是由可燃性气体的种类决定。因而，在一定条件下，都是确定的常数。则:,E=kmb,即A、B两点间的电位差与可燃性气体的浓度m成比例。如果在A、B两点间连接电流计或电压计，就可以测得A、B间的电位差E，并由此求得空气中可燃性气体的浓度。若与相应的电路配合，就能在空气中当可燃性气体达到一定浓度时，自动发出报警信号，其感应特性曲线如图。,E=kmb,3、
5、接触燃烧式气敏元件的结构用高纯的铂丝,绕制成线圈,为了使线圈具有适当的阻值(12),一般应绕10圈以上。在线圈外面涂以氧化铝或氧化铝和氧化硅组成的膏状涂覆层,干燥后在一定温度下烧结成球状多孔体。将烧结后的小球,放在贵金属铂、钯等的盐溶液中,充分浸渍后取出烘干。然后经过高温热处理,使在氧化铝(氧化铝一氧化硅)载体上形成贵金属触媒层,最后组装成气体敏感元件。,也可以将贵金属触媒粉体与氧化铝、氧化硅等载体充分混合后配成膏状,涂覆在铂丝绕成的线圈上,直接烧成后备用。作为补偿元件的铂线圈,其尺寸、阻值均应与检测元件相同。并且,也应涂覆氧化铝或者氧化硅载体层,只是无须浸渍贵金属盐溶液或者混入贵金属触媒粉体
6、,形成触媒层而已。,(b)敏感元件外形图,(a)元件的内部示意图,气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率)发生变化。目前流行的定性模型是：原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。,二、金属氧化物半导体气敏元件,1、半导体气敏元件的特性参数（1）气敏元件的电阻值 将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件(电阻型)的固有电阻值，表示为。一般其固有电阻值在(103105)范围。测定固有电阻值时, 要求必须在洁净空气环境中进行。由于经济地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分差别较大，即使对于同一气敏元件
7、，在温度相同的条件下，在不同地区进行测定，其固有电阻值也都将出现差别。因此，必须在洁净的空气环境中进行测量。,（2）气敏元件的灵敏度是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表示气体敏感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）与被测气体浓度之间的依从关系。表示方法有三种,（a）电阻比灵敏度K（b）气体分离度RC1气敏元件在浓度为C1的被测气体中的阻值： R2气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。通常，C1C2。 （c）输出电压比灵敏度KVVa:气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出； Vg:气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出,Ra气敏元件在洁净空气中的电阻值
8、； Rg气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值,（3）气敏元件的分辨率表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制能力。气敏元件分辨率S表示为,Va气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压； Vg气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压 Vgi气敏元件在i种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压,（4）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，通常用符号tr表示。,（5）气敏元
9、件的加热电阻和加热功率气敏元件一般工作在200以上高温。为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻(指加热器的电阻值)称为加热电阻，用RH表示。直热式的加热电阻值一般小于5；旁热式的加热电阻大于20。气敏元件正常工作所需的加热电路功率，称为加热功率，用表示。一般在(0.52.0)W范围。 （6）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。,（7）初期稳定时间长期在非工作状态下存放的气敏元件,因表面吸附空气中的水分或者其他气体,导致其表面状态的变化，在加上电负荷后,随着元件温度的升高,发
10、生解吸现象。因此,使气敏元件恢复正常工作状态,需要一定的时间,称为气敏元件的初期稳定时间。一般电阻型气敏元件,在刚通电的瞬间,其电阻值将下降,然后再上升,最后达到稳定。由开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间,称为初期稳定时间。初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数。存放时间越长,其初期稳定时间也越长。在一般条件下,气敏元件存放两周以后,其初期稳定时间即可达最大值。,2、烧结型SnO2气敏元件SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型应用最广泛性。其敏感体用粒径很小(平均粒径m)的SnO2粉体为基本材料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为原料。主要用于检测可燃的还原
11、性气体，其工作温度约300。根据加热方式，分为直接加热式和旁热式两种。,（1）直接加热式SnO2气敏元件(直热式气敏元件),1,2,3,4,SnO2烧结体,加热极兼电极,(a)结构,4,3,2,1,(b)符号,由芯片(敏感体和加热器)，基座和金属防爆网罩三部分组成。因其热容量小、稳定性差，测量电路与加热电路间易相互干扰，加热器与SnO2基体间由于热膨胀系数的差异而导致接触不良，造成元件的失效，现已很少使用。,（2）旁热式SnO2气敏元件,加热器电阻值一 般为3040,电极,加热器,瓷绝缘管,旁热式气敏器件结构及符号,SnO2烧结体,1,2,3,4,5,6,（a）结构,（b）符号,7,100目不
12、锈钢网,18.4,1,23,1,2,3,4,5,6,7,45,45,气敏元件外形和引出线分布,固体电解质是具有离子导电性能的固体物质。一般认为，固体物质(金属或半导体)中，作为载流子传导电流的是正、负离子。可是，在固体电解质中，作为载流子传导电流的，却主要是离子。二氧化锆（ZrO2）在高温下(但尚远未达到熔融的温度)具有氧离子传导性。,三、氧化锆气敏元件,纯净的二氧化锆在常温下属于单斜晶系，随着温度的升高，发生相转变。在1100下，为正方晶系，2500下，为立方晶系，2700下熔融，在熔融二氧化锆中添加氧化钙、三氧化二钇、氧化镁等杂质后，成为稳定的正方晶型，具有莹石结构，称为稳定化二氧化锆。并
13、且由于杂质的加入，在二氧化锆晶格中产生氧空位，其浓度随杂质的种类和添加量而改变，其离子电导性也随杂质的种类和数量而变化。,在二氧化锆中添加氧化钙、三氧化二钇等添加物后,其离子电导都将发生改变。尤其是在氧化钙添加量为15mol左右时,离子电导出现极大值。但是，由于二氧化锆一氧化钙固溶体的离子活性较低，要在高温下，气敏元件才有足够的灵敏度。,添加三氧化二钇的ZrO2Y2O3固溶体，离子活性较高，在较低的温度下，其离子电导都较大，如图。因此，通常都用这种材料制作固定电解质氧敏元件。添加Y2O3的ZrO2固体电解质材料，称为YSZ材料。,ZrO2系固体电解质的离子电导与温度关系,1 添加8%molYb
14、2O3 ；2 ZrO0.92 SC2O30.04 Yb2O30.04 3 ZrO2 ；4 添加10%molY2O3 ；5 添加13%molCaO 6 添加15%molY2O3 ；7 添加10%molCeO,第10章 气敏传感器,接触燃烧式气敏元件 金属氧化物半导体气敏元件 氧化锆气敏元件 气体传感器的应用,分为检测、报警、监控等几种类型。 1、电源电路一般气敏元件的工作电压不高(3V10V)，其工作电压，特别是供给加热的电压，必须稳定。否则，将导致加热器的温度变化幅度过大，使气敏元件的工作点漂移，影响检测准确性。,四、气体传感器的应用,2、辅助电路,由于气敏元件自身的特性(温度系数、湿度系数、
15、初期稳定性等)，在设计、制作应用电路时，应予以考虑。如采用温度补偿电路，减少气敏元件的温度系数引起的误差；设置延时电路，防止通电初期，因气敏元件阻值大幅度变化造成误报；使用加热器失效通知电路，防止加热器失效导致漏报现象。,下图是一温度补偿电路，当环境温度降低时，则负温度热敏电阻(R5)的阻值增大，使相应的输出电压得到补偿。,图为正温度系数热敏电阻(R2)的延时电路。刚通电时，其电阻值也小，电流大部分经热敏电阻回到变压器，蜂鸣器(BZ)不发出报警。当通电12min后，阻值急剧增大，通过蜂鸣器的电流增大，电路进入正常的工作状态。,3、检测工作电路 这是气敏元件应用电路的主体部分。 下图是设有串联蜂
16、鸣器的应用电路。随着环境中可燃性气体浓度的增加，气敏元件的阻值下降到一定值后，流入蜂鸣器的电流，足以推动其工作而发出报警信号。,下图是差分式可燃性气体检测仪电路原理图。在此电路中，BG1、BG2的参数应力求一致，最好选用差分对管。采用这种差分电路，检测气体的灵敏度很高。,应用案例1:酒精检测报警控制器,近几年，因驾驶员饮酒而引发的交通事故越来越多。以二氧化锡气敏元件为酒精传感器，用来检测驾驶员是否饮酒的检测报警器应运而生，但由于二氧化锡气敏元件不仅对酒精敏感，而且对于车内的汽油味、香烟味也同样敏感，经常造成检测报警器发生误动作而不能普遍推广使用。,本装置是酒精气味检测报警器，当驾驶员饮酒上车后
17、，该检测器接触到酒精气味后立即发出响亮而又连续不断的“酒后别开车”的语音报警声，并切断车辆的点火电路，强制车辆熄火。 该报警器既可以安装在各种机动车上用来限制驾驶员酒后驾车，也可以安装成便携式，用来供交通人员用于交通现场，检测驾驶员是否酒后驾驶之用具有很高的实用性。,酒精检测报警控制器：当酒精气敏元件接触到酒精味后，B极的电压升高，升高的电压随检测到的酒精浓度增大而升高，这就产生了气电信号。 当该信号电压达到1.6V时，使IC2导通，语音报警电路IC3得电发出报警声，同时继电器J动作，其常闭触点断开，切断车辆点火电路，强制发动机熄火 IC3和IC4组成语言声光报警器，IC3得电后即输出连续不断
18、的“酒后别开车”的语音报警声，经C6输入到IC4进行功率放大后，由扬声器发出响亮的报警声，并驱动LED闪光。,应用案例2:厨用气体监测装置控制器,这种厨用气体监测装置可在一氧化碳等有害气体超过规定值时自动接通排气扇电源，并发出声光报警信号，待有害气体浓度降到标准值以下时即切断电源。 在通常情况下，QM-N5型半导体气敏传感器呈现的电阻值较高，一旦接触到可燃性气体，该器件两端的电阻迅速降低，从而使R1两端的电压随之上升。,当该电压达到由一半LM358双运放组成的迟滞比较器的上限电压时，LM358的1脚由低电平转为高电平。1脚输出的高电平一路经LED1和R6驱动VT1导通，使继电器吸合接通换气扇电
19、源；另一路经R7使IC4的4脚变为高电平。由IC4组成的多谐振荡器起振，驱动扬声器发出声音，同时LED1的闪光也可兼作报警用。 气敏元件在刚接通电源时，即使在新鲜空气里，它的测量电极也会输出一定幅值的电压。所以，电路中由另一半LM358组成延时电路。刚接通电源时，由于C5作用，IC3的6脚为低电平，因此比较器的输出端即IC3的7脚输出高电平，驱动VT2导通，将IC2的3脚对地短路，此时报警电路将不会产生误动作。,当IC3两端的电压通过R13充电逐渐升到约2/3电源电压时，该比较器将输出低电平，解除对IC2的3脚的封锁。,应用案例3:烟雾报警器,整个电路分为电源、检测、定时报警输出三部分。 烟雾
20、检测检测器件所需的10V和5V直流电源由三端稳压器7810、7805供给。 AB间的电阻，在无烟环境中为几十千欧，在烟雾环境中阻值可下降为几千欧。当检测到有烟雾时，IC1通过RP1所取得的分压随之增加，比较器IC1便迅速翻转，使VT2导通。IC2在IC1翻转之前输出高电平，因此VT1也处于导通状态。只要IC1一翻转，输出端便可输出报警信号。输出端可接蜂鸣器或发光器件。 IC1翻转后，由R3、C1组成的定时器开始工作。当电容C1补充电压达到阈值电位时，IC2翻转，则VT1关断，停止输出报警信号。烟雾消失后，比较器复位，C1通过IC1放电。,应用案例4:可燃性气体检测原理图,U257B是一种条形驱
21、动器集成电路，驱动器的输出量（LED点亮只数）与输入量（输入电压）成线性关系。发光二极管被点亮的只数，主要取决于输入端7脚电位的高低。,通常7脚电压低于0.18V时，其输出端2-6脚均为低电平，LED1-LED5均不亮。 当IC的7脚电位等于0.18V时，LED1点亮； 7脚电压为0.53V时，则LED1与LED2均点亮； 7脚电压为0.84V时，则LED1-LED3均点亮； 7脚电压为1.19V时，则LED1-LED4均点亮； 7脚电压为2V时，则LED1-LED5均点亮,应用案例5:家用煤气(CO)安全报警电路,一部分是煤气报警器，在煤气浓度达到危险界限前发生警报 另一部分是开放式负离子发生器，其作用是自动产生空气负离子，使煤气中主要有害成分一氧化碳与空气负离子中的臭氧(O3)反应，生成对人体无害的二氧化碳,
