傳感器應(yīng)用技術(shù)項(xiàng)目四氣體檢測(cè)傳感器課件

1、項(xiàng)目四氣體檢測(cè)傳感器項(xiàng)目目標(biāo)（1）了解酒精檢測(cè)傳感器的工作原理（2）能夠使用酒精檢測(cè)傳感器檢測(cè)酒精（3）了解易燃?xì)怏w檢測(cè)傳感器的工作原理（4）能夠使用易燃?xì)怏w檢測(cè)傳感器檢測(cè)瓦斯任務(wù)一 酒精檢測(cè)傳感器檢測(cè)酒精情景引入 酒后駕車(chē)是我國(guó)法律明確禁止的行為，然而很多駕駛者仍然我行我素，于是交通警察又多了一項(xiàng)任務(wù)：不定期抽查駕駛者是否有酒后駕車(chē)行為，如圖 4-1 所示。大家都知道可以利用酒精檢測(cè)儀對(duì)駕駛者進(jìn)行檢測(cè)，可是你們知道酒精檢測(cè)儀是怎么工作的嗎？ 圖 4-1 酒精檢測(cè)儀應(yīng)用在本任務(wù)中我們使用酒精檢測(cè)傳感器檢測(cè)不同濃度含量的酒精。任務(wù)描述（1）學(xué)會(huì)如何選擇任務(wù)中使用的酒精檢測(cè)傳感器（2）了解酒精檢測(cè)

2、傳感器工作原理和典型應(yīng)用。任務(wù)目標(biāo)相關(guān)知識(shí)酒精檢測(cè)傳感器主要是檢測(cè)氣體中是否含有酒精，本任務(wù)中使用的 TGS822酒精檢測(cè)傳感器是氣體檢測(cè)傳感器中的一種。那么首先來(lái)了解一下什么是氣體檢測(cè)傳感器。1氣體檢測(cè)傳感器氣體檢測(cè)傳感器，就是將氣體（一般指空氣）中含有的特定氣體（即待測(cè)氣體）以適當(dāng)?shù)碾娦盘?hào)檢測(cè)或定量的器件。一般認(rèn)為，凡是用于檢測(cè)氣體成份和濃度的傳感器都稱作氣體傳感器。2氣體檢測(cè)傳感器分類氣體檢測(cè)傳感器按工作原理分類如表 4-1 所示。在實(shí)際應(yīng)用中，半導(dǎo)體式氣體檢測(cè)傳感器應(yīng)用最多。半導(dǎo)體式氣體檢測(cè)傳感器分類介紹如下：（1）按半導(dǎo)體變化的物理特性分可以分為電阻式氣體檢測(cè)傳感器和非電阻式氣體檢測(cè)

3、傳感器。電阻式氣體檢測(cè)傳感器是將檢測(cè)到的氣體成分、濃度等變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，最終以電壓信號(hào)輸出的傳感器。電阻式氣體傳感器按其與氣體的相互作用是在半導(dǎo)體表面還是深入其內(nèi)部又分為表面控制型和體控型氣體檢測(cè)傳感器；非電阻式傳感器是根據(jù)氣體的吸附和反應(yīng)，使其某些關(guān)系特性發(fā)生變化，對(duì)氣體進(jìn)行直接或間接的檢測(cè)。非電阻式氣體檢測(cè)傳感器按其物理特性又分為二極管整流特性型和晶體管特性型。電阻式和非電阻式氣體檢測(cè)傳感器的對(duì)比見(jiàn)表 4-2。（2）按半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)分可以分為 N 型氣體檢測(cè)傳感器和 P 型氣體檢測(cè)傳感器。N 型氣體檢測(cè)傳感器的電阻值隨氣體濃度的增大而減小。P 型氣體檢測(cè)傳感器的電阻值隨氣體濃度的增大而

4、增大。例如，TGS822 酒精檢測(cè)傳感器就屬于 N型氣體檢測(cè)傳感器 , 在實(shí)際中應(yīng)用廣泛。3氣體檢測(cè)傳感器的主要參數(shù)氣體檢測(cè)傳感器主要技術(shù)參數(shù)有靈敏度、精確度、響應(yīng)時(shí)間、量程、溫度漂移、濕度漂移。1）靈敏度：是指?jìng)鞲衅鬏敵鲎兓颗c被測(cè)輸入變化量之比，主要依賴于傳感器結(jié)構(gòu)所使用的技術(shù)。2）溫、濕度漂移：大多數(shù)氣體檢測(cè)傳感器在使用過(guò)程中會(huì)受到環(huán)境溫度和濕度的影響，常用溫度漂移和濕度漂移表示環(huán)境溫度和濕度對(duì)氣體檢測(cè)傳感器的影響。溫度漂移：指不同的溫度對(duì)傳感器影響的大小。濕度漂移：指不同的濕度對(duì)傳感器影響的大小。3）響應(yīng)時(shí)間：指在試驗(yàn)條件下，從檢測(cè)器接觸被測(cè)氣體達(dá)到穩(wěn)定指示值的時(shí)間。通常，讀取達(dá)到穩(wěn)定

5、值 90% 的時(shí)間作為響應(yīng)時(shí)間。4）量程：指?jìng)鞲衅骺梢蕴綔y(cè)到的被測(cè)氣體的范圍，通常用 ppm（parts permillion）來(lái)表示氣體檢測(cè)傳感器的量程。ppm 表示百萬(wàn)分之（幾），或稱百萬(wàn)分率。1ppm 即一百萬(wàn)千克的溶液中含有 1 千克溶質(zhì)。對(duì)于氣體傳感器，則代表一百萬(wàn)體積的氣體中所含被測(cè)氣體的體積數(shù)。例 如：混 合 空 氣 中 含 有 1ppm 的硫化氫意味著每一百萬(wàn)單位體積的氣體中含有一個(gè)單位體積的硫化氫。ppm 與百分率（%）所表示的內(nèi)容一樣，只是它的比例數(shù)比百分率大而已。常見(jiàn)的氣體量程為：0100%LEL（Lower Explosion Limited，可燃?xì)怏w或揮發(fā)性有機(jī)氣體的

6、爆炸下限）；01000ppm（氫氣）。4氣體檢測(cè)傳感器的選擇（1）根據(jù)測(cè)量對(duì)象和測(cè)量環(huán)境選擇在測(cè)量過(guò)程中，同一種物理量有多種檢測(cè)方式，在選擇傳感器時(shí)需要考慮被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的特點(diǎn)如：量程大小、被測(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求、測(cè)量要求是接觸式還是非接觸式、信號(hào)的引出方式、國(guó)產(chǎn)傳感器還是進(jìn)口傳感器。（2）靈敏度的選擇首先要考慮的是選擇一種靈敏技術(shù)，它對(duì)目標(biāo)氣體的閥限制（TLV）或最低爆炸限（LEL）的百分比的檢測(cè)要有足夠的靈敏性。理想傳感器對(duì)目標(biāo)氣體有高靈敏度。（3）對(duì)目標(biāo)氣體的選擇性選擇性又稱交叉靈敏度，可通過(guò)測(cè)量由某一種濃度的干擾氣體所產(chǎn)生的傳感器響應(yīng)來(lái)確定這外響應(yīng)等介于一定濃度的目標(biāo)氣體所產(chǎn)

7、生的傳感器響應(yīng)。理想傳感器應(yīng)該對(duì)目標(biāo)氣體有高選擇性。（4）響應(yīng)時(shí)間的選擇原則上希望響應(yīng)時(shí)間越短越好，在動(dòng)態(tài)測(cè)量中要考慮信號(hào)的特點(diǎn)（穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等），以免產(chǎn)生過(guò)高的誤差。（5）線性范圍的選擇首先要看所選擇的傳感器量程是否滿足需要，再考慮線性范圍，一般線性范圍越寬越好。日本費(fèi)加羅氣體檢測(cè)傳感器 TGS822 由于對(duì)酒精靈敏度和選擇性高，且響應(yīng)時(shí)間快線性度較好，測(cè)量電路簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜而被大量使用在酒精檢測(cè)器等方面。5TGS822 酒精檢測(cè)傳感器（1）TGS822 氣體檢測(cè)傳感器工作原理TGS822 酒精檢測(cè)傳感器屬于 N 型半導(dǎo)體類氣體檢測(cè)傳感器，傳感器的敏感部分是二氧化錫半導(dǎo)體微結(jié)晶粒子燒結(jié)體

8、，以二氧化錫為基本材料，添加不同的物質(zhì)燒制而成。實(shí)物圖如圖 4-2 所示。傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中氣體濃度增加而增大。使用簡(jiǎn)單的外圍電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的電壓輸出信號(hào)，從而檢測(cè)酒精濃度。（2） TGS822 的特性曲線TGS822 在檢測(cè)酒精濃度時(shí)其輸出信號(hào)不僅受到酒精濃度的影響，還受到環(huán)境的溫度和濕度的影響。TGS822 酒精檢測(cè)傳感器特性曲線如圖 4-3 所示。 其中（a）圖中是受溫度 / 濕度影響的特性曲線。在同一濃度的酒精中，在外界溫度不變的情況下，相對(duì)濕度越大，傳感器的電阻比越?。辉谙鄬?duì)濕度不變的情況下，外界溫度越高，傳感器電阻比越小。（b）圖中縱坐標(biāo)是傳感器

9、電阻比（Rs/Ro），橫坐標(biāo)是氣體濃度。在外界溫 /濕度不變的情況下，傳感器的電阻比越小，說(shuō)明酒精濃度越高。以日本的費(fèi)加羅公司的產(chǎn)品為例，其部分氣體檢測(cè)傳感器的應(yīng)用場(chǎng)合和檢測(cè)范圍見(jiàn)表 4-3。TGS822 傳感器需要施加 2 個(gè)電壓：加熱器電壓（VH）和回路電壓（VC）。其中 VH 用于維持敏感素子（即敏感元素）處于與對(duì)象氣體相適應(yīng)的特定溫度而施加在集成的加熱器上。VC 是用于測(cè)定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻（RL）上的兩端電壓（VRL）。這種傳感器具有極性，所以 VC 需用直流電源。只要能滿足傳感器的電性要求，VC 和 VH 可以共用同一個(gè)電源電路。改變 RL 上的電壓可使傳感器阻抗 RS 改變，

10、量出 VRL 輸出電壓值后即可求得傳感器阻抗 RS。TGS822 酒精檢測(cè)模塊工作電壓為 +5V 直流電壓，TTL 電平輸出有效信號(hào)為任務(wù)實(shí)施檢查材料清單活動(dòng)1根據(jù)不同濃度的酒精測(cè)量輸出電壓活動(dòng)2（1）材料清單材料清單請(qǐng)參考課本表-.2操作步驟1）用導(dǎo)線將酒精檢測(cè)模塊與電源和萬(wàn)用表進(jìn)行連接，連接方法如圖 4-6 所示。2）接通電源，并將萬(wàn)用表選在適合測(cè)量 5V 量程的電壓檔位上。3) 在量杯中倒入一定量的酒精，接近傳感器模塊的探頭，觀察此時(shí)電壓值。4）按照比例分次向量杯中倒入一定量的水，將酒精濃度稀釋為 50%、40%、30%、20%、10%。5）將不同濃度的酒精靠近 TGS822，觀察電壓表

11、的變化并進(jìn)行記錄。任務(wù)二 電阻控制型氣體檢測(cè)傳感器檢測(cè)易燃?xì)怏w情景引入近年來(lái)，全國(guó)燃?xì)庑袠I(yè)發(fā)展迅速，液化氣、天然氣等作為能源已在家庭中被廣泛應(yīng)用，部分地區(qū)還開(kāi)發(fā)沼氣資源進(jìn)行利用（如圖 4-7 所示），然而這些能源在給人們的生活帶來(lái)方便的同時(shí)，也帶來(lái)了安全隱患和不穩(wěn)定因素，火災(zāi)發(fā)生的頻率越來(lái)越高。那么如何監(jiān)測(cè)、防控易燃?xì)怏w，保障居民的生命財(cái)產(chǎn)安全呢？在本任務(wù)中使用電阻控制型氣體檢測(cè)傳感器 MQ-2 檢測(cè)氣體中是否含有易燃?xì)怏w。任務(wù)描述（1）了解可燃?xì)怏w檢測(cè)傳感器 MQ-2 工作原理及測(cè)量電路（2）能夠使用 MQ-2 氣體檢測(cè)傳感器測(cè)量空氣中是否含有易燃?xì)怏w任務(wù)目標(biāo)相關(guān)知識(shí)1. MQ-2 氣體檢測(cè)

12、傳感器MQ-2 氣體檢測(cè)傳感器由微型 Al2O3 陶瓷管、SnO2 敏感層，測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件，固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。MQ-2 傳感器實(shí)物圖如圖 4-8 所示。MQ-2 屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，是表面離子式 N 型半導(dǎo)體，當(dāng)處于200-300 攝氏度時(shí)二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減小，從而使其電阻值增加，當(dāng)與可燃?xì)怏w接觸時(shí)，晶粒邊界處的勢(shì)壘受可燃?xì)怏w的影響而變化，從而引起表面電導(dǎo)率的變化，可燃?xì)怏w濃度越大電導(dǎo)率越大輸出電阻越小。MQ-2 氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣等檢測(cè)的靈敏度高，特別是對(duì)檢測(cè)液化氣的靈敏度和選擇性都是很高的，且成本較低，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。因此廣泛應(yīng)用于家庭用氣體泄漏報(bào)警器、工業(yè)用可燃?xì)怏w報(bào)警器。2MQ-2 引腳定義封裝好的氣敏元件 MQ-2 有 6 只針狀管腳（見(jiàn)表 4-7），其中 4 個(gè)用于信號(hào)取出，2 個(gè)用于提供加熱電流，其引腳如圖 4-9 所示。任務(wù)實(shí)施對(duì)應(yīng)課本檢查材料清單并搭建電路活動(dòng)1用MQ-2傳感器模塊測(cè)量空氣中是否含有易燃?xì)怏w活動(dòng)2（1）材料清單材料清單請(qǐng)參考課本表-.（2）操作步驟1）按照?qǐng)D 4-13 所示連線圖進(jìn)行連接。2）