KC04050108-m06-气敏传感器的使用学习辅导.

1、传感器及应用学习辅导物联网应用技术专业教学资源库第1页/共5页气敏传感器现状及发展状况气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等， 其中用的最多的是半导体气敏传 感器。气敏传感器信号采集的研究人的嗅觉系统的性能是相当出色的。过去几十年人们对嗅觉过程的认识迅速 增加，但是目前的成果还少于人们的期望值。利用气体在电极上的氧化-还原反应研制的第一个气敏传感器是由 Wikens 和 Hatman 在 1964 年报道的。Buck 等人利用气体调制电导和 Dravieks 等人利用气体调制电位研制的气敏传感器在 1965 年也做了报道，19

2、82 年英国 Warwick 大学的 Persaud 等人提出了利用 气敏传感器模拟动物嗅觉系统的结构。气敏传感器是一种对于某种气体敏感的化 学传感器，它能随着外部气体的浓度或者气体的种类的不同而改变敏感膜的电 阻。现在的气体检测中使用的是气敏传感器绘图仪对传感器的电压信号直接绘 制，由于绘图仪的动态跟随性差、反应速度慢、缺乏灵活性、测量精度低等缺点， 难以画出高频率高精度的气敏传感器的时间电压曲线。对于气敏传感器的动态测试，绘图仪根本无法达到要求。本文根据气敏传感器的性质研究开发了利用 RS232与计算机建立连接的气敏传感器信号采集，以此提高气敏传感器信号采 集的精度和试验的人工效率。一、气

3、敏传感器工作原理及其控制任务1.气敏传感器工作原理从材料上分，最常用的气敏传感器有金属氧化物，高分子聚合物材料，压电 材料，胶体敏感膜等；从用途上分有广普型和专一型。 根据试验需要选择气敏传 感器，传感器及应用学习辅导物联网应用技术专业教学资源库第2页/共5页本测量系统能够适用于所有气敏传感器。气敏传感器的两个关键部分是加热电阻和气体敏感膜。加热电阻改变传感器的工作温度，使其工作在气体敏感的工作温度，由于外部气体的变化从而使得 气敏传感器的敏感材料的电阻发生变化， 金电极连接气敏材料的两端，使得它成 为一个阻值随外部气体变化的电阻。2.控制任务根据气敏传感器的特性设计采集任务，传感器的温度要求

4、在 250C左右（或更高），在此温度下气体表现出很高的灵敏度2。鉴于传感器气敏阻值的不确定性，取样电阻的阻值应与气敏电阻（气敏材料的阻值变化在 15 倍以内）的 阻值相匹配。 取样电阻和加热电压是由计算机控制， 加热电阻Ro的功率要求在 0.31.5W之间，R o 的值在 30W 左右，所以可知 Ro 的电压值在 17V 之间。 加热电阻的温度与加热电压的大小近似成线性关系，通过加大电压来提高温度， 以选择一个适合于气体测试的温度（通常选用 5V 的加热电压），如果是动态测 量则是使加热电压为一个矩形波，占空比可以由软件设定。取样电阻要求为一个离散值，它们可为 1k， 2k，5k，10k。就气

5、敏传感器 自身特性而言，它可分为几个档次，其气敏膜的电阻是不恒定的。文中以气敏膜 电阻值在空气中为 10kW 到有待测气体中其阻值变化到 1kW 为标准介绍此系统 的设计，其中测试电压为一个固定值，它的精度影响到信号电压。在实际试验中 选定测试电压值为5V，要求测得测试信号的值（电压）由获取的采样信号可以 在计算机内快速地计算出所需要测量的气敏传感器电阻（一般而言只需要直接看 电压的变化值），从而描绘出气敏传感器的阻值随外界气体变化的波形图。传感器及应用学习辅导物联网应用技术专业教学资源库第3页/共5页二、气敏传感器信号采样与控制电路通过计算机来控制测试装置能使得整个测试过程变得更简单和更精确

6、。1.采样周期的确定采样周期 Ts 决定了采样信号的质量和数量：Ts 太小，会使采样信号 xs（nTs）的数量剧增，占有大量的内存单元；Ts 太大，会使采样点之间相距太远，模拟信号的某些信息丢失，会使采样后的信号恢复为原来的信号时产生信号 失真。因此，选择合适地采样保持器直接关系到信号的真实性，当连续信号下X（t）的频谱 X（f ）为有限频谱且 Ts=1/2f c，（fc 为采样周期内的最高频率）， 信号可以无失真的采集。气敏传感器在动态测量下，fc 约为 500Hz，Ts 应取1ms 可满足要求。2.芯片的选择为了克服由于气敏传感器在制造中其阻值Rs 不固定的特点，采样前，采样电阻的值应根据

7、气敏传感器的值来调节，以确保得到的信号在测量范围之内。同时考虑信号的值与采集电压相匹配， 信号电压若低于采样电压太大则影响 测量的精度。 测试电压 V c 为 5V ,ADC 采用 12 位相对分辨率 0.0244% （ 1LSB） ，ADC的分辨率为 1.22mV （ 1LSB ）。Vout=Vc/（R c+Rs）XRc根据气敏传感器选择为 10k 到 1k 档而选择 Rc 为 5k 的取样电阻，可得到信号电压 V out 的值在 1.6664.166V。传感器及应用学习辅导物联网应用技术专业教学资源库第4页/共5页使用模数转换芯片实现气敏传感器信号的采集，选取以下芯片制作单片 机控制电路。

8、（1）ADC :外部的测试信号是模拟量，先进行模/数转化。选取ADC1678 芯片，它的分辨率是 12 位，转换时间是 5ms，转换误差小于 1LSB， 输出电平为 TTL 电平，不需要外部时钟和基准电压，工作电压为+ 5V 或土 12V。 它的最大的优点是自带有采样保持器；（2）多路模拟开关：选择所需的取样电阻。AD7502 芯片采用 16 脚双 列直插封式封装，是一种双 4 通道多路开关芯片，依据二位二进制地址线 A0、 A1 及选通断（EN）的状态来选择 8 路输入的两路，分别与两个输出端相接通；（3）单片机： 集成了 1 个 8 位中央处理器； 4kB 的只读存储器； 128 的 读写

9、存储器；32 条 I/O 口线;2 个定时器/事件计数器；1 个具有 5 个中断器、4 个优先级的嵌套中断结构；用于多处理器通信、I /O 拓展或全双工 UART （通用 异步接受发送器）的串行 I/O 口以及一个内振荡器和时钟电路。单片机控制着测 试电路的各个部分，建立计算机与单片机的联系就可实现计算机对外部的控制。3. 通信接口的设计IBM-PC 机与单片机的连接采用零调制三线型，即只需用RDX、TXD和地线三线连接 PC 机和单片机。鉴于单片机的串口是一个标准的 TTL 电平接口（3.85V 表示1，00.3V 表示0），而 PC 机配置的是 RS232 标准串行口， 二者的电器规则不一

10、致，因此要完成单片机到 PC 机的通信问题必须首先解决电 平的转换问题。传感器及应用学习辅导物联网应用技术专业教学资源库第5页/共5页单片机通过 T C232CPE 芯片连接计算机， 一片 TC232CPE 只需一个 + 5V电源供电，即可解决两组信号电平转换。该芯片内部可自动产生 RS232C 所需要的逻辑电平，可实现单片机与 IBM-PC 机的接口直接连接。IBM-PC 机的 RS232 接口是通用异步发送/接收 8250UART 为核心构成的，PC 机的 BIOS 中 提供了专门用于串行通信的中断调用。采用光电隔离器将电压隔离，防止高电压对低电压和数字电压产生影响。碳纳米管气敏传感器气敏传感器作为把有毒气体成分检测出来并转化成适当电信号的器件在工业成产、家庭安全、环境监测和医疗等领域发挥极其重要的作用。随着气敏传感 器的应用越来越广，对其性能要求也越来越高，因此新型气敏传感器的研究和开 发势在必行。目前发展的趋势主要是通过对传感器中气敏材料和核