電阻式傳感器的工作原理及應(yīng)用

1、電阻式傳感器的工作原理及應(yīng)用氣敏傳感器氣敏傳感器是氣敏電阻利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化的效應(yīng)而制成的傳感器。 按其結(jié)構(gòu)可以分為 燒結(jié)型、薄膜型、厚膜型三種。工作原理氣敏電阻按其電阻變化的機(jī)理可分為表面控制型和體控制型， 前 者是通過使半導(dǎo)體載流子增多和減少來引起半導(dǎo)體電阻率變化的； 后 者則是通過使半導(dǎo)體體內(nèi)晶格發(fā)生變化而引起電阻變化的。 常見的氣 敏電阻大都屬于表面控制型。以半導(dǎo)體材料SnO2為例說明表面控制型氣敏電阻的工作原理。 半 導(dǎo)體材料SO2屬于N型半導(dǎo)體，這類半導(dǎo)體氣敏電阻工作時(shí)通常都需 要加熱。元件在加熱開始時(shí)阻值急劇的下降，然后上升，一般經(jīng)過 210

2、分鐘才達(dá)到穩(wěn)定，稱之為初始穩(wěn)定狀態(tài)。元件只有在達(dá)到初始 穩(wěn)定狀態(tài)后才可用于氣體檢測。因?yàn)樵凇扒鍧嵈髿狻敝形降难?氣量固定不變（空氣中的氧分壓幾乎固定不變），所以其阻值保持一 定。一旦某種濃度的被測氣體流過元件，則在元件表面產(chǎn)生吸附，此 時(shí)元件的阻值將隨氣體濃度變化而變化。 如果被測氣體是氧化性氣體（如O2和NOx）,則被吸附氣體分子會從氣敏元件奪取電子，使 N型 半導(dǎo)體元件中的載流子電子減少， 從而使電阻值增大。如果你被測氣 體是還原性氣體（如H2、CO、酒精等），則氣體分子會向氣敏元件釋 放電子，使元件中的載流子電子增多，從而使電阻值下降。氣敏電阻對不同氣體的靈敏度差別很大，如對乙醍、

3、乙醇、氫氣 等具有較高的靈敏度，而對甲烷和 CO的靈敏度則較低。在材料中摻 入某些金屬氯化物或貴金屬化合物， 可提高元件的吸附活性，并顯著 提高元件的靈敏度和擴(kuò)大測試范圍。氣敏傳感器的應(yīng)用1、可燃?xì)怏w排風(fēng)警報(bào)器當(dāng)檢測到氣體濃度達(dá)到爆炸或中毒報(bào)警器設(shè)置的臨界點(diǎn)時(shí)，可燃?xì)怏w排風(fēng)警報(bào)器就會發(fā)出報(bào)警信號，以提醒工作人員采取安全措施， 并驅(qū)動(dòng)排風(fēng)、切斷、噴淋系統(tǒng)，防止發(fā)生爆炸、火災(zāi)、中毒等事故。 從而保障安全生產(chǎn)。本設(shè)計(jì)主要用于檢測空氣中的可燃?xì)怏w， 常見的 如有氫氣、一氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、丁烯、 乙快、丙快、丁快、硫化氫、磷化氫等當(dāng)被測場所的空氣中存在可燃 氣體時(shí)，探測器便將感

4、知到的信息送到報(bào)警儀表； 若可燃?xì)怏w的濃度 超過安全指標(biāo)，則報(bào)警器發(fā)出光聲告警提示，并自動(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)設(shè)備?？扇?xì)怏w排風(fēng)警報(bào)器的電路原理圖如圖所示，包括減壓整流、穩(wěn)壓模塊、氣敏傳感元件和觸發(fā)、聲光報(bào)警電路。半導(dǎo)體氣敏元件采用 MQ-2型；由于要求燈絲加熱電壓穩(wěn)定，所以采用三端穩(wěn)壓器7805對燈絲電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，開機(jī)預(yù)熱三分鐘。圖中的 555和R2、RP2、C4 組成可控多諧振蕩器。平時(shí)，強(qiáng)制復(fù)位端 4腳處于低電平，555處于 停振狀態(tài)；當(dāng)氣敏元件檢測到可燃?xì)怏w時(shí)， A B極間阻值減小，使4 腳電位上升到1V以上，555起振，振蕩頻率取決于R2、RP2、C4的時(shí) 間常數(shù)，即f= (R2 RPOC4。2

5、20V交流電源經(jīng)9V變壓器降壓后通過由4個(gè)二級管組成的橋式 整流電路整流成直流10V電壓。發(fā)光二極管VDi為電源指示燈。當(dāng)氣 敏元件M2接觸到可燃性氣體時(shí)，其 A B極間的電阻減小，從而使該 電阻與RP的分壓上升，相對應(yīng)的555的4腳電位上升，當(dāng)4腳的電 位上升到1V以上時(shí)555起振。通常情況下，氣敏元件的A-B極間的 阻值較大，該電阻與RPi的分壓減小，相應(yīng)的使555的4腳處于低電 平，555處于停振狀態(tài)。555起振后，具輸出端3腳將輸出信號推動(dòng) 蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。3腳輸出信號的頻率約為kHz；調(diào)節(jié)RR,可使 頻率穩(wěn)定在kHz。2、有害氣體控制報(bào)警器目前一氧化碳、煤氣、液化石油氣等氣體與居民

6、的生活生產(chǎn)聯(lián)系 越來越密切。作為能源和原材料，雖然他們再給人類帶來財(cái)富，但是 其不安全的使用也會給人類帶來巨大的危害。其主要危害方式為：當(dāng)擴(kuò)散到空氣中的以上氣體達(dá)到一定濃度時(shí)， 若人們吸入這些氣體會對 身體造成危害，嚴(yán)重的甚至死亡；同時(shí)，一定濃度的氣體一個(gè)發(fā)生爆 炸，從而嚴(yán)重威脅人們的生產(chǎn)生活。針對氣體的這些危害，這里選擇 了有害氣體控制報(bào)警器來進(jìn)行介紹，它適應(yīng)于各種有害氣體的檢測。 當(dāng)室內(nèi)有害氣體的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，該控制報(bào)警器能及時(shí)開 啟排風(fēng)扇，同時(shí)發(fā)出聲音報(bào)警信號，可以避免有害氣體引起的災(zāi)害。該有害氣體控制報(bào)警器由電源電路、 氣體檢測電路、電子開關(guān)電 路和聲光報(bào)警電路組成，其原理如

7、圖所示。R、R2, R4R均選用1/4碳膜電阻器，R3選用1/2碳膜電阻器。 Ci、C2和C4均選用耐壓值為25V的鋁電解電容器，C3選用滌綸電容 器。VDiVD4、VD7均選用1N4007型硅整流二極管，VD5和VD6均選用 1N4148型硅開關(guān)二極管，VSi選用1W 12V的1N4742型穩(wěn)壓二極管， VS2選用1/2W 的1N231或1N 5992B型穩(wěn)壓二極管。VL選用 5mm的 發(fā)光二極管，V1VT和VT4選用S9013或3DG慳硅NPN1晶體管，7% 選用S9012或3CG2I型硅NPNS1晶體管VT3,和VT5均選用S8050或 C8050型硅NPN©晶體管。IC選用K

8、D9561型音效集成電路。K選用 12V的HH53P直流繼電器。BL選用8、電動(dòng)勢揚(yáng)聲器。氣敏傳感器 選用QW NG1型氣敏元件。氣體檢測電路由氣體傳感器和外圍元器件組成。當(dāng)氣體傳感器的表面吸附有被測氣體時(shí)，其電阻率會發(fā)生變化，因此它是一種氣電轉(zhuǎn) 化元件。在如圖所示電路中，氣體傳感器在不接觸有害氣體時(shí)，其 A 一B兩極間的電阻值很大vtvT3均截止，繼電器K不吸合，控制器不 工作。當(dāng)室內(nèi)有害氣體達(dá)到一定濃度時(shí)，氣體傳感器A-B兩極間的阻值將變小，使VT1 VT3均導(dǎo)通繼電器K吸合，具常開觸點(diǎn)K1、K2、K3 均閉合，使排風(fēng)扇電動(dòng)機(jī) M和聲光報(bào)警電路通電工作，揚(yáng)聲器 BL中 發(fā)出響亮的警聲信號，

9、發(fā)光二極管V L隨著警聲而閃亮。同時(shí)排風(fēng)扇 不斷地把室內(nèi)有害氣體排放到室外。當(dāng)室內(nèi)有害氣體體積分?jǐn)?shù)降到某 一預(yù)定值時(shí)，繼電器會自動(dòng)切斷排風(fēng)扇和聲光報(bào)警電路的工作電源， 使其停止工作，從而達(dá)到自動(dòng)控制室內(nèi)有害氣體的目的。 有害氣體的 比重不同，因此檢測不同氣體時(shí)，控制報(bào)警器的安裝位置是不同的。若用于檢測煤氣，應(yīng)將該控制報(bào)警器安裝在廚房的高處； 若用于檢測 液化石油氣，則應(yīng)將該控制報(bào)警器安裝在廚房的低處。3、防止酒后開車控制器如圖所示為防止酒后開車控制器的電路原理圖。圖中QWJ1為酒敏元件。若司機(jī)沒喝酒，在駕駛室內(nèi)合上開關(guān)S,此時(shí)氣敏器件的阻值很高，Ua為高電平，Ui為低電平，U3為高電 平繼電器K2線圈失電，其觸點(diǎn)K2 2閉合，發(fā)光二極VD1管通，發(fā)綠光， 能點(diǎn)火啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)；若司機(jī)酗酒，氣敏器件的阻值急劇下降，5使為 低電平，Ui為高電平，U3為低電平，繼電器K2線圈通電，觸點(diǎn)K2 2閉 合，發(fā)光二極VD2管通，發(fā)紅光，以示警告，同時(shí)常閉觸點(diǎn) K21斷