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氣敏電阻傳感器
氣敏電阻傳感器的原理及應(yīng)用
電子儀表Z101 段志達(dá) 學(xué)號(hào)：104662
氣敏電阻傳感器就是一種將檢測(cè)到的氣體的成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。 在現(xiàn)代社會(huì)的生產(chǎn)和生活中，人們往往會(huì)接觸到各種各樣的氣體，需要對(duì)它們進(jìn)行檢測(cè)和控制。比如化工生產(chǎn)中氣體成分的檢測(cè)與控制；煤礦瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)與報(bào)警；環(huán)境污染情況的監(jiān)測(cè)；煤氣泄漏：火災(zāi)報(bào)警；燃燒情況的檢測(cè)與控制等等。
一、器皿電阻的工作原理及其特性
氣敏電阻是一種半導(dǎo)體敏感器件，它是利用氣體的吸附而使半導(dǎo)體本身的電導(dǎo)率發(fā)生變化這一機(jī)理來進(jìn)行檢測(cè)的。人們發(fā)現(xiàn)某些氧化物半導(dǎo)體材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有氣敏效應(yīng)。
常用的主要有接觸燃燒式氣體傳感器、電化學(xué)氣敏傳感器和半導(dǎo)體氣敏傳感器等。接觸燃燒式氣體傳感器的檢測(cè)元件一般為鉑金屬絲（也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層），使用時(shí)對(duì)鉑絲通以電流，保持300℃～400℃的高溫，此時(shí)若與可燃性氣體接觸，可燃性氣體就會(huì)在稀有金屬催化層上燃燒，因此，鉑絲的溫度會(huì)上升，鉑絲的電阻值也上升；通過測(cè)量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道可燃性氣體的濃度。電化學(xué)氣敏傳感器一般利用液體（或固體、有機(jī)凝膠等）電解質(zhì)，其輸出形式可以是氣體 直接氧化或還原產(chǎn)生的電流，也可以是離子作用于離子電極產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。半導(dǎo)體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、使用簡(jiǎn)單的特點(diǎn)；半導(dǎo)體氣敏元件有N型和P型之分。
N型在檢測(cè)時(shí)阻值隨氣體濃度的增大而減小；P型阻值隨氣體濃度的增大而增大。SnO2金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料，屬于 N型半導(dǎo)體，在200～300℃溫度它吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當(dāng)遇到有能供給電子的可燃?xì)怏w時(shí)，原來吸附的氧脫附，而由可燃?xì)怏w以正離子狀態(tài)吸附在金屬氧化物半導(dǎo)體表面；氧脫附放出電子，可燃行氣體以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子，從而使氧化物半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加，電阻值下降。可燃性氣體不存在了，金屬氧化物半導(dǎo)體又會(huì)自動(dòng)恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是半導(dǎo)體氣敏元件檢測(cè)可燃?xì)怏w的基本原理。 以SnO2氣敏元件為例，它是由0.1--10um的晶體集合而成，這種晶體是作為N型半導(dǎo)體而工作的。在正常情況下，是處于氧離子缺位的狀態(tài)。當(dāng)遇到離解能較小且易于失去電子的可燃性氣體分子時(shí)，電子從氣體分子向半導(dǎo)體遷移，半導(dǎo)體的載流子濃度增加，因此電導(dǎo)率增加。而對(duì)于P型半導(dǎo)體來說，它的晶格是陽離子缺位狀態(tài)，當(dāng)遇到可燃性氣體時(shí)其電導(dǎo)率則減小。
圖4.42所示為典型氣敏元件的阻值一濃度關(guān)系。可以看出，元件對(duì)不同氣體的敏感程度不同，如對(duì)乙醚、乙醉、氫氣等具有較高的靈敏度，而對(duì)甲烷的靈敏度較低。一般地，隨著氣體的濃度增加，元件阻值明顯增大，在一定范圍內(nèi)，呈線性關(guān)系。
二、氣敏電阻器主要參數(shù)
(1)加熱功率。它是加熱電壓與加熱電流的乘積。
(2)允許工作電壓范圍。在保證基本電參數(shù)的情況下，氣敏電阻工作電壓允許變化范囤。
(3)工作電壓。它是指工作條件下，氣敏電阻兩極間的電壓。
(4)加熱電壓。它是指加熱器兩端的電壓。
(5)加熱電流。它是指通過加熱器的電流。
(6)靈敏度。它是指氣敏電器在最佳工作條件下， ON3133接觸氣體后其電阻值隨氣體濃度變化的特性。如果采用電壓測(cè)量法，其值等于接觸某種氣體前后負(fù)載電阻上電壓降之比。
(7)響應(yīng)時(shí)間。氣敏電阻器在最佳工作條件下，接觸待測(cè)氣體后，負(fù)載電阻的電壓變化到規(guī)定值所需的時(shí)間。
(8)恢復(fù)時(shí)間。氣敏電阻器在最佳工作條件下，脫離被測(cè)氣體后，負(fù)載電阻上電壓恢復(fù)到規(guī)定值所需要的時(shí)間。
三、半導(dǎo)體氣敏器件的應(yīng)用
半導(dǎo)體氣敏器件由于具有靈敏度高, 響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間快, 使用壽命長(zhǎng)及成本低等優(yōu)點(diǎn), 所以自從它實(shí)現(xiàn)商品化以后, 得到了廣泛的應(yīng)用。按其用途可分為以下幾種類型: 檢漏儀、報(bào)警器、自動(dòng)控制儀器和測(cè)試儀器等。氣敏器件在電路中是作為氣 電轉(zhuǎn)換器件而應(yīng) 用的, 各種應(yīng)用電路, 都必須從氣敏器件獲得信號(hào),其信號(hào)的取出有以下幾種類型。
( 1) 利用吸附平衡狀態(tài)穩(wěn)定值取出信號(hào)
氣敏器件接觸被檢測(cè)氣體后, 氣敏器件電阻將隨氣體種類和濃度而變化, 最后達(dá)到平衡, 器件電阻變?yōu)樵摎怏w濃度下的穩(wěn)定值。利用這一特性, 在器件電阻穩(wěn)定后取出信號(hào), 可以設(shè)計(jì)各種電路。這是一種常用的取出信號(hào)的方法, 現(xiàn)在使用的大部分, 都采用這種方法。
( 2) 利用吸附平衡速度取出信號(hào)
氣敏器件表面對(duì)氣體吸附平衡速度, 因氣體不同而有差異, 因此在不同時(shí)刻, 器件電阻具有不同值。利用這一特性, 可以設(shè)計(jì)在不同時(shí)刻取出信號(hào),以檢測(cè)氣體的電路。
( 3) 利用吸附平衡值與溫度的依存性取出信號(hào)
氣敏器件表面對(duì)氣體的吸附, 強(qiáng)烈地依存于其工作溫度, 并且每種氣體都有特定的依存系。利用這種特性, 可以設(shè)計(jì)器件在不同工作溫度下, 取出信號(hào)的應(yīng)用電路。在混合氣體中, 可以對(duì)特定氣體進(jìn)行選擇性檢測(cè)。下面以家用氣體報(bào)警器為例, 說明氣敏傳感器在實(shí)際生活中的應(yīng)用。圖是用QM- N5 型氣敏器件的家用氣體報(bào)警器電路。該電路由交流220 V 電壓供電, 經(jīng)C1 降壓后, 輸入給橋式整流電器, 整流后的電壓經(jīng)C2 濾波,DW 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓, 氣敏電阻傳感器輸出6V 直流電壓。該電壓一方面供給QM- N5 型氣敏器件加熱絲加熱, 另一方面供給晶體管V1、V2 組成的開關(guān)電路和T3 ~ T6 組成的報(bào)警聲響電路。調(diào)節(jié)R3 可使QM- N5 型氣敏器件獲得最佳的加熱電壓值。QM- N5 與R4、W1 組成報(bào)警信號(hào)取樣電路, 調(diào)節(jié)電位器W1 可調(diào)整報(bào)警器的
報(bào)警點(diǎn)。當(dāng)氣敏器件接觸可燃性氣體達(dá)到報(bào)警點(diǎn)濃度時(shí), QM- N5 型氣敏器件的阻值降低, 電位器W1兩端電壓升高, 使V1 由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài), R5 兩端電壓升高又使V2 導(dǎo)通, 經(jīng)R7 輸出直流電壓報(bào)警器聲電響路, 發(fā)出報(bào)警聲響。
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