氣敏傳感器ppt課件

-1-,傳感器技術(shù),氣體傳感器,任務(wù)一可燃?xì)怏w檢測(cè),氣敏傳感器的定義：是能夠感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種敏感器件，它將氣體種類及其濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱便可獲得與待測(cè)氣體在環(huán)境中存在情況有關(guān)的信息。,氣敏傳感器可分為半導(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學(xué)氣敏傳感器等,氣敏傳感器外形,酒精傳感器,半導(dǎo)體氣敏傳感器應(yīng)用最多。它的應(yīng)用主要有：一氧化碳?xì)怏w的檢測(cè)、瓦斯氣體的檢測(cè)、煤氣的檢測(cè)、氟利昂的檢測(cè)、呼氣中乙醇的檢測(cè)、人體口腔口臭的檢測(cè)等等。,瓦斯是古代植物在堆積成煤的初期，纖維素和有機(jī)質(zhì)經(jīng)厭氧菌的作用分解而成。在高溫、高壓的環(huán)境中，在成煤的同時(shí)，由于物理和化學(xué)作用，繼續(xù)生成瓦斯。瓦斯是無色、無味的氣體，但有時(shí)可以聞到類似蘋果的香味，這是由于芳香族的碳?xì)錃怏w同瓦斯同時(shí)涌出的緣故。瓦斯對(duì)空氣的相對(duì)密度是0.554，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下瓦斯的密度為0.716kg/m，瓦斯的滲透能力是空氣的1.6倍，難溶于水，不助燃也不能維持呼吸，達(dá)到一定濃度時(shí)，能使人因缺氧而窒息，并能發(fā)生燃燒或爆炸。瓦斯在煤體或圍巖中是以游離狀態(tài)和吸著狀態(tài)存在的。,在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，甲烷至丁烷以氣體狀態(tài)存在，戊烷以上為液體。如遇明火，即可燃燒，發(fā)生“瓦斯”爆炸，直接威脅著礦工的生命安全。因此，礦井工作對(duì)“瓦斯”十分重視，除去采取一些必要的安全措施外，有的礦工會(huì)提著一個(gè)裝有金絲雀的鳥籠下到礦井，把鳥籠掛在工作區(qū)內(nèi)。原來，金絲雀對(duì)“瓦斯”或其他毒氣特別敏感，只要有非常淡薄的“瓦斯”產(chǎn)生，對(duì)人體還遠(yuǎn)不能有致命作用時(shí)，金絲雀就已經(jīng)失去知覺而昏倒。礦工們察覺到這種情景后，可立即撤出礦井，避免傷亡事故的發(fā)生,半導(dǎo)體式氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理（P42）,半導(dǎo)體式氣敏傳感器：利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)發(fā)生變化的原理來檢測(cè)特定氣體的成分或者濃度半導(dǎo)體式氣敏傳感器可分為電阻式和非電阻式(電阻式和非電阻式的原理需了解),參考書上圖片理解,SnO2系列氣敏元件有燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種。燒結(jié)型應(yīng)用最廣泛性。其敏感體用粒徑很小(平均粒徑m)的SnO2粉體為基本材料，根據(jù)需要添加不同的添加劑，混合均勻作為原料。主要用于檢測(cè)可燃的還原性氣體，其工作溫度約300。根據(jù)加熱方式，分為直接加熱式和旁熱式兩種。,（1）直接加熱式SnO2氣敏元件(直熱式氣敏元件),由芯片(敏感體和加熱器)，基座和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成。因其熱容量小、穩(wěn)定性差，測(cè)量電路與加熱電路間易相互干擾，加熱器與SnO2基體間由于熱膨脹系數(shù)的差異而導(dǎo)致接觸不良，造成元件的失效，現(xiàn)已很少使用。,2、電阻式氣敏傳感器的結(jié)構(gòu),（2）旁熱式SnO2氣敏元件,加熱器電阻值一般為3040,是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的。舉個(gè)例子當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附時(shí)，被吸附的分子首先在表面物性自由擴(kuò)散，失去運(yùn)動(dòng)能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處（化學(xué)吸附）。,當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體（SnO2,ZnO)上，還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體(CrO3)上時(shí)，將使半導(dǎo)體載流子減少，而使電阻值增大。當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。,3、基本原理,H2+CuO=H2O+Cu,N型半導(dǎo)體吸附氣體時(shí)器件阻值變化圖,P型半導(dǎo)體吸附氣體時(shí)器件阻值變化圖,規(guī)則總結(jié)：,氧化型氣體N型半導(dǎo)體：載流子數(shù)下降，電阻增加還原型氣體N型半導(dǎo)體：載流子數(shù)增加，電阻減小氧化型氣體P型半導(dǎo)體：載流子數(shù)增加，電阻減小還原型氣體P型半導(dǎo)體：載流子數(shù)下降，電阻增加,N型半導(dǎo)體，又稱電子型半導(dǎo)體；P型半導(dǎo)體又稱空穴型半導(dǎo)體。,氣敏電阻式傳感器基本測(cè)量電路如下圖所示。測(cè)量電路包括加熱回路和測(cè)試回路兩部分。,(a)QMN5測(cè)量電路；(b)TGS812測(cè)量電路；(c)TGS109測(cè)量電路,4、基本測(cè)量電路,家庭用煤氣報(bào)警器,家庭用液化氣報(bào)警器,一氧化碳傳感器,NH3傳感器,甲烷傳感器,舉例：二氧化鈦氧濃度傳感器的連接以及調(diào)測(cè),二氧化鈦氧濃度傳感器的工作原理：半導(dǎo)體材料二氧化鈦（TiO2）屬于N型半導(dǎo)體，對(duì)氧氣十分敏感。其電阻值的大小取決于周圍環(huán)境的氧氣濃度。當(dāng)周圍氧氣濃度較大時(shí)，氧原子進(jìn)入二氧化鈦晶格，改變了半導(dǎo)體的電阻率，使其電阻值增大。,可燃?xì)怏w傳感器的檢測(cè)原理,應(yīng)用電子學(xué)院傳感器技術(shù),3.氣敏傳感器的連接及調(diào)測(cè),舉例：二氧化鈦氧濃度傳感器的連接以及調(diào)測(cè),TiO2氧濃度傳感器結(jié)構(gòu),TiO2氧濃度傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)換電路,1外殼（接地）2安裝螺栓3搭鐵線4保護(hù)管5補(bǔ)償電阻6陶瓷片7TiO2氧敏電阻8進(jìn)氣口9引腳,一、可燃?xì)怏w傳感器的檢測(cè)原理,應(yīng)用電子學(xué)院傳感器技術(shù),3.氣敏傳感器的連接及調(diào)測(cè),舉例：二氧化鈦氧濃度傳感器的連接以及調(diào)測(cè),氧濃度傳感器結(jié)構(gòu)圖中，二氧化鈦氣敏電阻與補(bǔ)償熱敏電阻同處于陶瓷絕緣體的末端。當(dāng)氧氣含量減小時(shí)，RTiO2的阻值減小，Uo增大。在測(cè)量轉(zhuǎn)換電路中，與TiO2氣敏電阻串聯(lián)的熱敏電阻Rt起溫度補(bǔ)償作用。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，TiO2氣敏電阻的阻值會(huì)逐漸減小，只要Rt也以同樣的比例減小，根據(jù)分壓比定律，Uo不受溫度影響，減小了測(cè)量誤差。,一、可燃?xì)怏w傳感器的檢測(cè)原理,應(yīng)用電子學(xué)院傳感器技術(shù),3.氣敏傳感器的連接及調(diào)測(cè),舉例：二氧化鈦氧濃度傳感器的連接以及調(diào)測(cè),二氧化鈦氧濃度傳感器可用于汽車或燃燒爐排放氣體中的氧濃度測(cè)量。,汽車尾氣分析,一、可燃?xì)怏w傳感器的檢測(cè)原理,應(yīng)用電子學(xué)院傳感器技術(shù),氣敏半導(dǎo)體的靈敏度特性曲線,觀察右圖看說明非線性特性對(duì)濃度超限報(bào)警是否有利？,4.氣體檢測(cè)系統(tǒng)的組成,思考題：請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)已介紹的氣體傳感器的基本檢測(cè)電路和電子線路設(shè)計(jì)知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)完整的氣體檢測(cè)系統(tǒng)。,一、可燃?xì)怏w傳感器的檢測(cè)原理,應(yīng)用電子學(xué)院傳感器技術(shù),5.氣體檢測(cè)使用注意事項(xiàng),1）氣敏電阻使用時(shí)一定要加熱一般由變壓器二次繞組交流輸出或直流電壓提供低電壓加熱。加熱溫度對(duì)氣敏電阻的特性影響很大，因此加熱器的加熱電壓必須恒定。如前所述，MQN型氣敏傳感器使用時(shí)氣敏電阻工作時(shí)必須加熱到200300，其目的是加速被測(cè)氣體的化學(xué)吸附和電離的過程并燒去氣敏電阻表面的污物（起清潔作用）。,一、可燃?xì)怏w傳感器的檢測(cè)原理,應(yīng)用電子學(xué)院傳感器技術(shù),5.氣體檢測(cè)使用注意事項(xiàng),2）溫度補(bǔ)償半導(dǎo)體氣敏電阻在氣體中的電阻值與溫度和濕度有關(guān)。當(dāng)溫度和濕度較低時(shí)，電阻值較大；溫度和濕度較高時(shí)，電阻值較小。因此，即使氣體濃度相同，電阻值也會(huì)不同，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。如前所述，TiO2氧濃度傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路中，與TiO2氣敏電阻串聯(lián)的熱敏電阻Rt起溫度補(bǔ)償作用。,一、可燃?xì)怏w傳感器的檢測(cè)原理,應(yīng)用電子學(xué)院傳感器技術(shù),溫度補(bǔ)償中實(shí)用的熱敏電阻工作原理半導(dǎo)體熱敏電阻簡(jiǎn)稱熱敏電阻，是一種新型的半導(dǎo)測(cè)溫元件。熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而顯著變化的特性實(shí)現(xiàn)測(cè)溫的。半導(dǎo)體熱敏電阻有很高的電阻溫度系數(shù)，其靈敏度比熱電阻高得多。而且體積可以做得很小，故動(dòng)態(tài)特性好，特別適于在-100300之間測(cè)溫。,應(yīng)用電子學(xué)院傳感器技術(shù),MF12型NTC熱敏電阻,聚脂塑料封裝熱敏電阻,二、油煙檢測(cè)原理,應(yīng)用電子學(xué)院傳感器技術(shù),玻璃封裝NTC熱敏電阻,大功率PTC熱敏電阻,二、油煙檢測(cè)原理,應(yīng)用電子學(xué)院傳感器技術(shù),貼片式NTC熱敏電阻,非標(biāo)熱敏電阻,二、油煙檢測(cè)原理,應(yīng)用電子學(xué)院傳感器技術(shù),MQ-2可燃?xì)怏w、煙霧MQ-4天然氣、甲烷MQ-5液化氣、甲烷、煤制氣MQ-6液化氣、異丁烷、丙烷MQ-8氫氣、煤制氣MQ-7一氧化碳COMQ-9一氧化碳、可燃?xì)怏wMQ-3酒精（乙醇）MQ213酒精MP-4天然氣MP-6液化氣MP-7一氧化碳MP-8氫氣,三、可燃?xì)怏w及油煙檢測(cè)的實(shí)現(xiàn),1.可燃?xì)怏w檢測(cè)的實(shí)現(xiàn),MQ-2型氣敏元件對(duì)不同種類、不同濃度的氣體有不同的電阻值，請(qǐng)根據(jù)已學(xué)的氣體傳感器和電子線路的有關(guān)知識(shí)對(duì)如下圖所示煤氣檢測(cè)電路進(jìn)行分析：,煤氣檢測(cè)電路,應(yīng)用電子學(xué)院傳感器技術(shù),2.油煙蒸汽檢測(cè)的實(shí)現(xiàn),對(duì)油煙蒸氣的檢測(cè)選用熱敏電阻，本設(shè)計(jì)選用NTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTCMF5A，請(qǐng)根據(jù)已學(xué)的溫度傳感器和電子線路的有關(guān)知識(shí)對(duì)如右圖所示煤氣檢測(cè)電路進(jìn)行分析。,油煙檢測(cè)電路,三、可燃?xì)怏w及油煙檢測(cè)的實(shí)現(xiàn),應(yīng)用電子學(xué)院傳感器技術(shù),簡(jiǎn)易酒精測(cè)試器,采用TGS812型酒精傳感器，對(duì)酒精有較高的靈敏度（對(duì)一氧化碳也敏感）.其加熱及工作電壓都是5V，加熱電流約125mA。傳感器的負(fù)載電阻為R1及R2，其輸出直接接LED顯示驅(qū)動(dòng)器LM3914。當(dāng)無酒精蒸汽時(shí)，R1及R2上的輸出電壓很低，隨著酒精蒸汽的濃度增加，輸出電壓也上升，則LM3914的LED（共10個(gè)）亮的數(shù)目也增加。,此測(cè)試器只要向傳感器呼一口氣，根據(jù)LED亮的數(shù)可知是否喝酒，并