傳感器及實用檢測技術(shù)（第三版）氣體傳感器

氣體傳感器

5.1氣敏傳感器概述5.1.1氣敏傳感器概述5.1.2氣體的檢測方法5.2半導體氣體傳感器5.2.1氣敏電阻的工作原理5.2.2氧化錫氣敏器件5.3常見氣體傳感器及其應用5.3.1QM-N5型氣敏傳感器及應用5.3.2MQK-2型氣敏傳感器及應用5.3.3TGS系列氣敏傳感器及應用

氣體傳感器5．1概述我們生活在氣體的環(huán)境中，氣體于我們的生活密切相關(guān)。我們對氣體的感知是用鼻子這個器官，而氣體傳感器的作用就相當于我們的鼻子，可以“嗅”出空氣中某種氣體并判斷此種氣體的濃度，從而實現(xiàn)對氣體成分的檢測和監(jiān)控，以改善人們的生活水平，保障人們的生命安全。根據(jù)檢測的原理不同，可以將檢測的方法分為三種：

(1)電氣法：利用氣敏器件檢測氣體，是目前應用最為廣泛的檢測方法.(2)電化學法：利用電化學方法，使用電極與電解液對氣體進行檢測。

(3)光學法：利用氣體的光學折射率或光吸收等特性檢測氣體。表5－1常用檢測方法的特性比較

測量方法靈敏度可靠性選擇性響應速度穩(wěn)定性簡易程度經(jīng)濟性半導體法非常好稍差差較快稍差非常簡單最廉價燃燒法很好很好中等非?？炝己梅浅：唵沃械葘岱己昧己昧己每炝己煤唵沃械入娀瘜W法良好良好良好快良好中等中等紅外法中等良好相當快快良好中等中等化學法良好良好良好快良好簡單中等光干涉法良好良好良好快良好中等中等色譜法非常好非常好非常好稍慢非常好復雜昂貴

表5－1列出了常用氣體檢測方法的特性比較。氣體測量的方法很多，在實際工程應用中，應該根據(jù)具體的環(huán)境、測量任務和測量要求，綜合考慮檢測器件的各種特性。找出性價比最合適的檢測方法和檢測器件。例如從表5－1中可以看到，氣體色譜法雖然檢測靈敏度和精度都非常好，但是它的傳感器的結(jié)構(gòu)非常復雜且價格昂貴，所以在檢測精度的要求的應用領(lǐng)域一般是不會考慮選用這種測量器件的。

而半導體法雖然其綜合性能并不是最好的，但是它的結(jié)構(gòu)非常簡單，價格低廉，適合批量生產(chǎn)，因而得到得了廣泛的應用?；诖嗽碇瞥傻陌雽w氣敏傳感器是工業(yè)（特別是民用、家用領(lǐng)域）應用最為廣泛的一種氣體傳感器。本章將以半導體氣敏傳感器為例，為大家介紹氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理和實際應用。5．2半導體氣體傳感器

半導體氣體傳感器主要是用氧化物半導體為基本材料制成，當半導體氣敏元件和氣體接觸時，氣體吸附于元件表面，使半導體的導電率發(fā)生變換，從而檢測氣體的成分和濃度。

半導體氣體傳感器的分類：

（1）電阻式：電阻式半導體氣體傳感器是用氧化錫（SnO2）、氧化鋅（ZnO）等金屬氧化物制作的敏感元件，利用其阻值的變化來檢測氣體的濃度。（2）非電阻式：非電阻式半導體氣體傳感器主要有金屬/半導體節(jié)型二極管和金屬柵的MOS場效應管的傳感器，利用他們與氣體接觸后整流特性或XX電壓的變化來實現(xiàn)氣體的測量。在此只介紹電阻式氣體傳感器。5．2．1氣敏電阻的工作原理

氣敏元件的工作原理非常復雜，受諸多因素的影響。如：氣敏元件往往不是單晶體，為了提高靈敏度，氣敏元件中一般都有催化劑和其他氧化物以及提高元件強度而添加的粘合劑：元件多工作在較高的溫度下；被測量的氣體的種類繁多，它們的特性各不相同。因此在長期研究的基礎(chǔ)上，將氣敏元件的工作原理歸納為多種模型，從而解釋不同類型半導體氣敏元件的工作原理。氣敏電阻類元件的工作原理就可以用其中的能級生成理論來解釋。

氣敏電阻的材料是金屬氧化物，如氧化錫、氧化鋅等，它們在常溫下是絕緣的，制成半導體后卻顯出氣敏特性。通常元件在空氣中，空氣中的氧氣、二氧化氮這樣的氧化性氣體其電子兼容性比較大，接受來自半導體材料的電子而吸附負電荷，結(jié)果使N型半導體材料的表面空間電荷層區(qū)域的傳導電子減少，使表面電導率減小，從而使元件處于高阻狀態(tài)。一旦元件與被測還原性氣體接觸，就會與吸附的氧起反應，將被氧束縛的電子釋放出來，敏感膜表面電導率增加，使元件電阻減小。(a)(b)

圖5-1氣敏元件的測量電路及氣敏元件輸出電壓與溫度的關(guān)系

如圖5－1（b）所示。

由以上可知，氣敏電阻工作時需要本身的溫度比環(huán)境溫度高很多。因此，氣敏電阻結(jié)構(gòu)上有電阻絲加熱器。氣敏電阻的基本測量電路，如圖5－1（a）所示。圖中EH為加熱電源。EC為測量電源，電阻中氣敏電阻值的變化引起電路中電流的變化，輸出電壓（信號電壓）由電阻R0上取出。特別在低濃度下靈敏度高，而高濃度下趨于定值。因此，常用來檢查可燃性氣體泄漏并報警等。5.2.2氧化錫氣敏元件

目前市場上使用的多為氧化錫氣敏元件，SnO2是一種白色粉末狀的金屬氧化物，其多結(jié)晶體材料具有氣敏特性。氣敏元件當前主要有三種類型：燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型。

1.燒結(jié)型SnO2氣敏元件目前燒結(jié)型SnO2氣敏元件是工藝最成熟的氣敏元件。這種元件是以多孔質(zhì)陶瓷SnO2為基本材料，添加不同物質(zhì)，采用傳統(tǒng)制陶工藝進行燒結(jié)。燒結(jié)時在材料中埋入電阻絲和測量電極，制成管芯，然后將加熱電阻絲和測量電極引線焊接在管座上。并將管芯罩在不銹鋼網(wǎng)中而制成器件。這種器件主要用于檢測還原性氣體、可染性氣體和液體蒸汽。器件工作時需要加熱到300℃左右，按其加熱方式不同，又分為直熱式和旁熱式兩種氣敏元件。(1)直熱式SnO2氣敏元件

直熱式器件的結(jié)構(gòu)如圖5－2所示。器件管芯由三部分組成：SnO2材料、加熱電阻絲和電極絲。加熱電阻絲和電極絲直接埋在SnO2材料內(nèi)，然后燒結(jié)制成。工作時加熱電阻絲通電加熱，使器件達到工作溫度。測量電極絲用于器件電阻值變化的測量。

(a)結(jié)構(gòu)(b)符號圖5-2直熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)與符號

這種器件的優(yōu)點是：制造工藝簡單、功耗小、成本低、可在高壓回路中使用、可制成價格低廉的可燃氣體報警器。目前市場上流行的傳感器如日本費加羅公司的TGS-109型、國內(nèi)的QM型和MQ型氣敏器件就是這種結(jié)構(gòu)。這種器件的缺點：熱容量小，容易受環(huán)境氣流的影響；測量回路和加熱回路之間沒有隔離，互相影響。

（2）旁熱式SnO2氣敏元件

旁熱式氣敏元件的管芯增加了一個陶瓷管，在管內(nèi)放進一個高阻加熱絲，管外涂上梳妝金電極作測量極，在金電極外涂SnO2材料。這種結(jié)構(gòu)克服了直熱式器件的缺點，其測量極和加熱電阻絲分開，加熱絲不與熱敏材料接觸，避免了測量回路與加熱回路之間的相互影響。而且器件的熱容量大，降低了環(huán)境氣溫對器件加熱溫度的影響，并容易保持SnO2材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。目前國產(chǎn)的QM-N5型氣敏器件，日本日本費加羅公司的TGS-812、813等型氣敏器件就是這種結(jié)構(gòu)。2.薄膜型SnO2氣敏元件

薄膜型SnO2氣敏元件一般是先在絕緣基板上蒸發(fā)或噴射一層SnO2薄膜，再引出電極即成。這種器件制作方法簡單，但器件特性一致性差，靈敏度不如燒結(jié)型器件高。3.厚膜型SnO2氣敏元件

厚膜型SnO2氣敏元件一般采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制作，器件強度好，特性比較一致，便于生產(chǎn)。5．3常見氣體傳感器及其應用

QM-N5是一種國產(chǎn)應用廣泛的型氣敏傳感器，它由絕緣陶瓷管、加熱器、電極、氧化錫燒結(jié)體構(gòu)成。在陶瓷管內(nèi)放進高阻電阻絲，在管外涂上梳妝金電極作測量極，在金電極外涂SnO2材料，使氧化錫燒結(jié)體位于兩個電極之間。正常工作時，電阻絲通電加熱，當無被測氣體流入時，由于空氣中的氧成分大體是恒定的，因而氧的吸附量也是恒定的，氣敏元件的阻值大致保持不變。當有被測氣體流入，元件表面將產(chǎn)生吸附作用，元件的阻值將隨氣體濃度而變化，然后由測量回路按照濃度和阻值的變化關(guān)系即可以推算出氣體的濃度。

QM-N5型氣敏傳感器的即間電壓10V，加熱電壓為5±0.5V，負載電阻為2KΩ,適用環(huán)境溫度為－20～40℃。它適用于檢測煤氣、液化石油氣。煤油、汽油、乙炔、乙醇、酒精、氫氣、硫化氫、一氧化碳、烷類氣體、烯類氣體、氨類氣體、煙霧。5.3.1QM-N5型氣敏傳感器及應用(a)外形(b)符號

圖5-3QM-N5外形和符號1.一氧化碳報警器我國城市的煤氣中都含有較多的一氧化碳。一氧化碳是劇毒氣體，健康的人在含有1%的空氣中，10分鐘會產(chǎn)生痙攣，半個小時就會死亡。當煤氣泄漏時，既有爆炸的危險，又存在一氧化碳中毒的危險。另外，使用燃氣熱水器或煤爐而通風不良時，也會發(fā)生一氧化碳中毒。

圖5－3列出QM-N5外形和符號，其中A、B為信號電極，H為加熱絲極。

圖5-4CO檢測換氣報警自動控制電路

圖5－4是CO檢測換氣報警自動控制電路。氣敏檢測電路由QM-N5氣敏傳感器、R1、RP1、VD5組成。延時電路由VD6、VD7、R2、C2等組成。由于在不穩(wěn)定過程中引起A極和B極之間電阻下降而發(fā)生誤報現(xiàn)象。不穩(wěn)定過程的時間大約10分鐘，延時常數(shù)由R2C2、VD6的正向電阻決定。電源斷開后，C2上的充電電壓通過VD7、R3放電。7805為電熱絲提供的5V電壓。當CO濃度很低后，QM-N5的A-B極間導電率低，呈高阻狀態(tài)，檢測的電信號小，不能驅(qū)動后面的電路工作，因此風扇M不動作，LED不發(fā)光。當CO達到一定濃度時，QM-N5的A-B極間電阻小，檢測的信號大。由于VD的作用，在調(diào)節(jié)RP1時，使氣敏信號取值電壓最低限制在0.7V經(jīng)延時電路加到三極管VT1使之飽和導通。時基電路NE555的6號引腳由高電平變?yōu)榈碗娖剑?號引腳輸出高電平，雙向晶閘管VS觸發(fā)導通。風扇電機M通電轉(zhuǎn)動，排出有害氣體，LED發(fā)光報警。當室內(nèi)CO濃度下降到正常值后，氣敏檢測信號變小，排風扇M自動停止轉(zhuǎn)動，LED熄滅。2集成可燃型氣體檢測器

無論是天然氣、液化氣、還是煤氣，由于各種原因泄漏后，當室內(nèi)燃氣的濃度超過爆炸下限時，遇到火源（打火機、電氣開關(guān)、靜電）就一定發(fā)生爆炸。所以相應的可燃性氣體檢測器有多種多樣。這里介紹的可燃性氣體檢測器，其敏感元件采用QM-N5，由于采用集成電路，因而體積小，攜帶方便，便于巡回檢測。其工作原理如下:9V直流電源經(jīng)電阻RP

限流，為QM-N5的絲極提供了110A左右的電流，將A-A和B-B測量極預熱。在清潔的空氣中，兩測量電極間的電阻較大，B-B端對地電位較低，氣敏元件無信號輸出。

當有可燃氣體接觸氣敏元件時，在其表面就會發(fā)生化學吸附，使A-A和B-B之間的阻值降低，B-B端對地電位上升，其值大小與檢測到的可燃性氣體的濃度成正比，這樣就產(chǎn)生了“氣－電”信號，這個“氣－電”信號直接加到了1IC的輸入端1號引腳。1IC是SL322型發(fā)光顯示電平指示驅(qū)動電路，其1腳為第一組的輸入端，3～7腳為它的輸出端；17腳是第二組的輸入端，12～16腳是其輸出端，18腳是它的電源端，9腳是它的接地端。8、10腳連接輸出端，其功能是兩組組合時，第一組的輸出接到第二組的輸入。圖5-5可燃性氣體檢測器

在圖5－5中，將8腳和16腳連接起來，就將這兩組驅(qū)動電路串聯(lián)起來了,形成具有一個輸入端，10個輸出端的線性元件，在無信號加到腳1時，腳3～腳7、腳11～腳15均為低電平，因此，2IC、3IC都不工作；當氣敏元件的檢測信號電壓升到0.2V時，1IC的腳3立即由低電位變?yōu)楦唠娢?，這時2IC、3IC相繼工作。2IC、3IC都是5G1555組成的自激多諧振蕩器，2IC工作在超低頻，而3IC工作在音頻范圍內(nèi)。適當?shù)恼{(diào)整R或R,使2IC工作頻率為1HZ,這時指示燈的發(fā)光二極管LED將閃爍發(fā)亮，電壓蜂鳴器YD便發(fā)出“嘀嘀”的聲音。圖5-6SL322發(fā)光顯示電平指示驅(qū)動器內(nèi)部電路5.3.2MQK-2型氣敏傳感器及應用

MQK-2型氣敏傳感器也是一種國產(chǎn)常見的半導體氣體傳感器。MQK-2型氣敏傳感器的基座采用耐高溫的塑料壓制，引腳為鍍鎳銅絲上罩采用雙層密紋不銹鋼壓制。有較高的強度和防爆功能。MQK-2A型氣敏傳感器適用于天然氣、煤氣、液化氣、丙丁烷、氫氣等。MQK-2B型氣敏傳感器適用于煙霧型等減光型有害氣體。

MQK-2型氣敏傳感器的靈敏度為10～30，響應時間少于10S，恢復時間少于60S，加熱電壓為5V±0.2V,加熱功率為0.7W，環(huán)境溫度為－1℃0～40℃，濕度低于85%RH圖5-7采用MQK-2型氣敏傳感器的報警電路

圖5－7是采用MQK-2型氣敏傳感器的家用煤氣、液化氣報警電路。7806穩(wěn)壓器提供穩(wěn)定的6V電壓，TL431是精密電壓比較器，當MQK-2型氣敏傳感器在純凈的空氣中，A-B間的電阻大約有幾十千歐姆，TL431的R段為低電位；當MQK-2型氣敏傳感器接觸到有害氣體時，A-B間的電阻迅速下降，R段的電位逐漸升高，當電位達到2.5V時，TL431內(nèi)部導通，LED發(fā)光，KD9001報警電路報警?？梢哉{(diào)節(jié)RP確定可燃有害氣體的報警的氣體濃度。圖5-8具有自動控制排氣扇和聲光報警功能的報警電路

圖5－8是具有自動控制排氣扇和聲光報警功能的報警電路。設計時可以根據(jù)情況分別對待，有害氣體濃度達到0.15%時，排氣扇首先自動開啟，當有害氣體排出后，排氣扇自動關(guān)閉。只有當有害氣體泄漏嚴重，排氣無效，濃度達到0.2%時，報警電路才發(fā)出聲光報警。

圖5－8電路中A1、A2和A3構(gòu)成比較器，調(diào)節(jié)RP1可以設定排氣扇啟動點，調(diào)節(jié)RP2可以設置報警點，調(diào)節(jié)RP3可以使LED1平時熄滅。當MQK-2型氣敏傳感器的加熱絲燒斷時，A3翻轉(zhuǎn)輸出高電平，VT3導通，LED1發(fā)光，表示MQK-2型氣敏傳感器失效。VD3為溫度補償二極管。R2、VD1、VD2、C3組成開機延時電路，可以避免開機誤報警，R2阻值可以根據(jù)延時電路時間長短選擇，報警電路采用KD9561報警器。5.3.3TGS系列氣敏傳感器及應用

TGS系列氣敏傳感器是日本費加羅公司生產(chǎn)的半導體氣敏傳感器。TGS系列氣敏傳感器屬于N型半導體類氣敏傳感器，主要成分是二氧化錫燒結(jié)體。當吸附還原性氣體（液化氣、天然氣、氫氣、一氧化碳、有機溶劑蒸汽）時，電導率上升。當恢復到清潔空氣中時，電導率