A2404气敏传感器

1、由于传感器电阻发生了变化，负载电阻(VRL)两端上的输出电压也发生改 变。RS和VRL间的相互关系可用下式表示对于热线型半导体气敏传感器，New Cosmos Electric公司建议采用桥式电路示于图8-15。传感器接在桥式电路的一臂中。被测气体达到一定浓度时，导致RS的改变，这将通过桥式电路输出电压的不同来测定。敏感元件的工作温度则由电桥电源电压控制。电压VRL的变化与气体浓度的关系是非线性的，特别是在低浓度时。为了将输出电压与气体浓度的关系校正为近似的线性，可以选用运算放大器电路。输出电压可以用于控制电路的指令，也可以用于气体浓度的测定。对示于图8-16(a)上的电路来说，输出电压可用下

2、式表达因为应用气敏传感器的最简便的方式是利用它的阻抗与气体浓度间的相互关系，所以图8-16(b)中的线路可适用于许多场合。传感器中的一个电极与稳压电源VC相接，而另一个加载到运算放大器的输入端。这时，运算放大器的输出电压由下式决定 式中，K=-RFVC。图8-16所示电路的线性区大小取决于RF。反馈电阻RF可由下列关系式确定如果电路需要工作在几个区段，那么就需要在反馈电路中接入相应数量的电阻，并且有切换开关针对每个区段。气敏传感器电阻随温度的变化可以应用具有相似温度特性的热敏电阻来补偿。图8-17给出了一个连接在桥式电路上气敏传感器的温度补偿电路，电路中还接入了滞后比较器。信号大小用可变电阻R

3、P1调节。当加在反向输入端的电压超过阈值电平的上限时，输出设定在低电平水平。在电压加载到反向输入端之前，其电平低于阈值电压时，将输出端设置在高电平水平，这样才能适合气体浓度显著降低时的测量需要。 气敏传感器的加热器由稳压电源供电，如果加热器材料是高正温度系数的电阻，那么，温度的变化将导致电阻值的显著改变。其结果是敏感元件的工作不稳定，即只有当传感器的温度稳定性不是很临界时，使用一般的稳压方法才合适。但是，当传感器要求有一个很高的温度稳定性时，建议使用热驱动器，它可使外部的影响和气体流动效应对温度的影响降到最小的程度。 CAPTEUR传感器和分析器公司生产的气敏传感器的加热元件是典型的高温度系数

4、电阻，所以公司建议使用热驱动器，它的主要目的是保持传感器加热器在恒定电阻条件下工作，实现的途径是，把加热器电阻接在惠斯登电桥上，然后它的阻值与基准电阻器作比较示于图8-18。 利用图8-18上示出的线路，当加热器的工作由热驱动器激励时，那么传感器的温度将只取决于加热器所引入的电阻值。从补偿环境温度变化的观点看，加热器供电电源恒压的效果要比热驱动器恒阻值激励的差些。恒定电流加热的办法也不太适用，因为这会加剧环境温度的变化。传感器加热器作为惠斯登电桥的一部分，流过它的电流是受控的，因而可以保持传感器电热器有一个不变的电阻值。此电阻值是通过设定电位器RP2的值决定的。R2，连同R4和R5一起，可以允

5、许加热器电阻设置成电阻R3值的152倍间的任一值。因此，可以用电位器R2有效地设置传感器温度，在IC1和FET1的控制下，精度优于1。为此，也需要电源电压的稳定度优于1V。 “恒阻值”激励工作原理的实施有多种方法。电路中可允许接入的传感器加热器电阻可以从650。使用这种方法可以保证传感器处于最佳的稳定工作状态。示于图8-19上的电路可以用于所有CAPTEUR公司制造的气敏传感器。它将传感器阻抗的改变转换成输出电压的变化。电路的输出电压变化范围约为0.55V，并且它与被测气体浓度的平方根的关系是线性的。这样的输出可以直接用于报警系统，也可以通过数字技术或模拟技术给出实际的气体浓度值。在后一种情况

6、时，零位设置电路可以不要，但信号随后输入到一个标准的测量电子电路中去。在第二级电路中，IC2的增益通常为15。为使其输出电压能达到设计的范围值，要求随传感器电阻的变化，其输入电压的相应变化应能达到200mV。在此级中还设计了零点调节电位器RP5和增益调整电位器RS。在第一级电路中只设计了三个传感器接入位置，用以适配所有的CAPTEUR传感器，这些位置是图中的A、B、和R3。那种在被测气体中电阻值增加类型的传感器接在B的位置上，同时选择一个与传感器输出特性相匹配的固定电阻接在A位上，R3一般为10k。对那些电阻值降低的传感器来说，传感器接到A的位置上，B位上接一定值电阻(通常为39k)，而在R3

7、位置上要选用与传感器特性相匹配的电阻。气敏传感器TGS 813适合于在较大范围内检测各种气体，例如天然气、LP气体和煤气。传感器接入到相应的电路上之后，应考虑能检测被测气体的种类和浓度。图8-21示出了一个简单经济的用于家用气体泄漏检测器的电路。电路的设计主要针对检测含量大约在3 000-左右的甲烷气体(天然气) IC1电压调节器输出的恒压5V供给传感器的加热器和检测电路。检测电路由TGS 813、R1和RP1串联组成。输出电压为VRL，它是R1和R1电阻两端的压降输出，此电压进入比较器的同相输入。Vr为比较器的基准电压，它由R4上的压降决定。元件R4也是温度补偿电路的一部分，补偿电路的其他部

8、分还有R2、R3和RT(热敏电阻)。电路的Vr值设计为20时2.5V。当例如天然气等易燃气体与传感器相接触时，检测电路的输出VRL超过Vr，这样，比较器的输出进入高电平，随后VT1将起作用，使蜂鸣器发出警报。传感器电阻(RS)与环境温度和湿度有关，由于这个原因，将导致报警极限值的波动。为了补偿温度和湿度造成的变化，建议使用NTC热敏电阻(RT)。在此电路中，由于温度变化的结果，可以导致Vr自动调整。热敏电阻的温度系数比传感器的要大，因此热敏电阻的系数应该可以通过调节电阻R2和R3调整。受电路控制的直流电源以下述方式供电：产生大加热电流(IHH)共60s，供加热器，然后生成低加热电流(IHL)s

9、，与此同时，传感器温度按相应规范变化。在测量周期内(即90s的时间内)，通过检测电路得到的测量结果与预设置的阈值进行比较。电路内建的报警电路将这个信号与预设阈值电平比较后，如果信号超过预设电平，那么报警系统就会作出反应。故障信号是用于报告任何类型的、加热器没有与传感器连接好的故障，或报告恒流电源电路发生的各种故障。内建的温度补偿电路用来降低环境温度对传感器的影响。IC电路单元用一个5V电源供电，也可以用电池供电。二个报警电平可以这样设置，主报警系统(报警器A)的电流比子报警系统(报警器B)的大些，这样从报警器A输出的信号可直接用以驱动发光二极管指示灯或压电陶瓷蜂鸣器。图8-23(a)示出了气敏

10、传感器TGS203与集成电路FIC5401连接的主电路。其负载电阻由可变电阻(RLV)和电路内设的定值图8-23(a)示出了气敏传感器TGS 203与集成电路FIC 5401连接的主电路。其负载电阻由可变电阻(RLV)和电路内设的定值电阻(1k)构成，因此RL=R+1k。它是传感器的工作负载电阻，RL较大，那么传感器的灵敏度也较高。当允许的CO气体浓度为100-6时，R选用等于20k的，如果允许的浓度低于100-时，R选用50k的。更精确的允许CO气体浓度的设定都是通过改变R进行的。在图8-23(b)和图8-23(c)上可以清楚看到，集成在集成电路上的变换直流电源的工作原理。传感器的二个加热规

11、程是通过开关在加热过程中顺序进行的。在测量周期时，SW1和SW2都处于“开”的状态，电流从电源VCC1经过传感器和负载电阻(即R+1k)流动。电流量的大小与环境空气中的CO气体浓度成比例。此时，传感器的输出信号是负载电阻两端的电压，并从集成电路的13脚输出。如果这个电压超出了内部的基准电压VREF，那么在报警器A的输出上产生一个高电平，标示已经溢出了设定的允许CO气体浓度值。将28脚接到GND3(地)，这样，子报警系统(报警器B)的电平为主报警器电平的三分之一。利用38脚输出作为子报警系统，可以作出早期的预兆警报，即在低于主报警器的报警浓度时提出警告。这可以用来保护测量过程，如果需要，可以排除

12、达到允许CO气体浓度的地步。所讨论的电路和传感器TGS 203可以用于工作场所的空气条件监测，也可以用于那些需要燃料完全燃烧，和其他对人体有害的CO气体可能达到危险浓度的领域。陶瓷气敏传感器也可以用于分析酒精蒸汽的含量。传感器与相应的电路配合能够检测血液中的酒精含量。其工作原理非常简单，如果血液中含有一定比例的酒精成分，那么它必定会发散到空气中来，血液中酒精浓度越高发散在空气中的比例也越大。如果用含有一定浓度酒精的空气喷吹传感器，传感器的电阻将发生与酒精浓度相应的变化，这个变化可以用合适的测量电路鉴别。这样的电路示于图8-24。使用的气敏传感器TGS 822是Figaro公司制造的。电路由稳压

13、直流电源+5V供电。传感器负载电阻上的输出电压反相加载到三个运算放大器的输入端，三者互联成比较器。实际上，电阻R1和R2是基准电压的发生器。基准电压的上限由可变电阻RP1设定，而下限则由RP2设定。接通电源，并按下复位电钮后，触发器进入逻辑O的状态。这时，发光二极管LED1LED3不发光。当酒精蒸汽作用在传感器上时，负载电阻上的压降开始变化(逐渐升高)。这些分立的比较器顺序工作的结果导致相应的触发器开启，因而与它们相接的LED点亮。如果酒精蒸汽停止对传感器作用，那么负载电阻上的电压将缓慢下降。按动复位钮后，恢复到起始状态。为了补偿温度和湿度对传感器特性的影响，同时为了获得更高的精度，建议使用热

14、敏电阻和(或)湿敏传感器对电路进行补偿。 Figaro公司制造的、以气敏传感器TGS 800为基础的模块AMS 800，可以与微处理F 6604连接，F 6604也是一种四位CMOS微处理器。模块AMS 800和F6604互连的电路图示于图8-26。 气味检测是半导体气敏传感器扩大应用的主流方向之一，最有潜力的应用领域是食品工业和医学，还有家住环境和舒适度的调节系统等。在开发味敏传感器方面取得的主要成就是在改进提高敏感材料的灵敏度和选择性方面，针对气味的特征成分，使用了各种掺杂剂，以适应不同的需要。典型的刺激性气味的主要组分是三甲胺(TMA)和二甲胺(DMA)，以及氨气对TMA和DMA敏感的气

15、敏传感器被用来鉴别鱼类的新鲜程度。 在开发专为检测多种混合气体中的一种气体成分的传感器时有相当的难度，因为很难使气敏传感器具有一个理想的选择性。此外，在有些场合还需要分别鉴别出混合气体中的各个成分。后一种情况可以用几个不同的传感器组成的系统，配以对它们取得的信息作仔细地处理的办法解决。这类系统的方框图示于图8-27。取决于系统的设计目标(检测其中一种，还是所有成分)，可以采用高选择性传感器，也可以选用具有部分交叉选择性的传感器。第一种选择时，每一只传感器只对混合气中某一种成分敏感。如果混合气中含有的气体组分数量多于设计的传感器数目时，该系统就没有能力鉴别所有的组成气体。当然，那些只对一种成分敏

16、感的传感器，应是在它工作时能够不受其他气体组成影响的。但是，现实情况是，大多数传感器不是只对某种特定气体敏感，而是对一类气体(例如还原性气体，或者是氧化性气体等)敏感。当混合气体中的组成成分不能被分别直接测定时，还可以利用微处理器，由它将从各传感器那里获取的信息进行二级处理。然后使用模式识别方法进行气体性质分析。最常用的气敏传感器信号二级处理方法汇列如下：线性回归 偏微分最小二乘方多重线性回归 顺序淹没因素分析背景情况鉴别 人工神经网络主要组成回归文献中描述了一个鉴别气味的系统，采用了六只厚膜技术制造的传感器，以及相应的微处理器。各个传感器都是用不同的半导体氧化物制造的，并对气味有特别的灵敏度

17、。微处理器鉴定气味的方法是，把从气敏传感器处发送来的信息与标准信号进行比较，标准信号是预先存储在存贮器中的。而气味的数量的确定则是利用对该气味有最大灵敏度的气敏元件发送的信息。文献提出了一个模拟人类嗅觉系统的、利用人工神经网络的多传感器系统。这个多传感器系统能够感知蒸汽和气味，同时利用微型计算机处理信息的能力制造了电子鼻。作者也探讨了检测蒸汽和气味的问题，设计了一个由12只传感器组成的多传感器系统。在进行实验研究时，将12只以氧化锡为基材的气敏传感器暴露在五种酒精和六种饮料的环境中，然后使用模式识别技术进行分析。回归法和控制信息分析的结果表明，数据中的共线性的程度很高，只有五个传感器的子系统需要进一步归类。氧化锡传感器对所有蒸汽的响应问题采用主要组成分析法和分组抽象法分析。结果表明，将数据按理论推算的归一化可以实质性地改善蒸汽和饮料的归类能力。各种酒精被分成了五个不同的组，但饮料类仅只分出了三个有区别的组，具体来说是啤酒、lages(一种特色工艺的啤酒)和