气体传感器及其应用

1、长江工程职业技术学院自动化教研室模块五 气体传感器及其应用 课题 气体传感器的分类及特性 任务目标 熟悉气体传感器的主要特性； 会分析常见的气体传感器应用电路； 能够完成带有自动控制排气扇和报警功能的电路设计和调试。长江工程职业技术学院自动化教研室一、气敏传感器概述 我们生活在气体的环境之中，气体与我们的日常生活密切相关。我们对气体的感知是用鼻子这个器官，而气敏传感器其作用就相当于我们的鼻子，可“嗅”出空气中某种特定的气体或判断特定气体的浓度，从而实现对气体成分的检测和监测，以改善人们的生活水平，保障人们的生命安全。需要检测的气体种类繁多，它们的性质也各不相同，所以不可能用一种方法来检测所有气

2、体。对气体的分析方法也随气体的种类、成分、浓度和用途而异。目前主要应用的气体检测方法有电气法、电化学法和光学法等。长江工程职业技术学院自动化教研室电气法是利用气敏器件（主要是半导体气敏器件）检测气体，是目前应用最为广泛的气体检测方法。电化学法是利用电化学方法，使用电极与电解液对气体进行检测。光学法是利用气体的光学折射率或光吸收等特性检测气体。长江工程职业技术学院自动化教研室二、半导体气体传感器 半导体气体传感器主要是以氧化物半导体为基本材料制成，当半导体气敏元件同气体接触时，气体吸附于元件表面，使得半导体的导电率发生变化，从而检测待测气体的成分及浓度。半导体气体传感器大体上分为电阻式和非电阻式

3、两种。电阻式半导体气体传感器是用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料制作的敏感元件，利用其阻值的变化来检测气体的浓度。非电阻式半导体气体传感器主要有金属/半导体结型二极管和金属栅的MOS场效应管的传感器，利用它们与气体接触后整流特性或阈值电压的变化来实现对气体的测量。在此只介绍电阻式气体传感器。长江工程职业技术学院自动化教研室1气敏电阻的工作原理气敏电阻的材料是金属氧化物如氧化锡、氧化锌等，它们在常温下是绝缘的，制成半导体后却显出气敏特性。通常元件工作在空气中，空气中的氧、二氧化氮这样的氧化性气体电子接收性气体，接受来自半导体材料的电子，结果使N型半导体材料的载流子数量减少，使表面电导率减小，从而使

4、元件处于高阻状态。一旦元件与被测还原性气体电子供给性气体（如H2、CO、碳氢化合物和酒类）接触，半导体的载流子增多，使元件电阻减小。长江工程职业技术学院自动化教研室该类气敏元件通常工作在高温状态（200450），目的是为了加速上述的氧化还原反应。例如，用氧化锡制成的气敏元件，在常温下吸附某种气体后，其电导率变化不大，若保持这种气体浓度不变，该元件的电导率随元件本身温度的升高而增加，尤其在100300范围内电导率变化很大，显然半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度增加的结果。由上可知，气敏电阻工作时需要本身的温度比环境温度高很多。因此，气敏电阻结构上有电阻丝加热器。长江工程职业技术学院自动化教研

5、室气敏电阻的基本测量电路 ：图5-1 气敏元件的测量电路及气敏元件输出电压与温度的关系 长江工程职业技术学院自动化教研室2氧化锡气敏器件 SnO2是一种白色粉末状的金属氧化物，其多结晶体材料具有气敏特性。SnO2气敏器件当前主要有三种类型：烧结型、薄膜型和厚膜型。（1）烧结型SnO2气敏器件这种器件是以多孔质陶瓷SnO2为基本材料，添加不同物质，采用传统制陶工艺进行烧结。烧结时在材料中埋入加热电阻丝和测量电极，制成管芯，然后将加热电阻丝和测量电极引线焊在管座上，并将管芯罩覆在不锈钢网中而制成器件。这种器件主要用于检测还原性气体、可燃性气体和液体蒸汽。器件工作时需加热至300左右，按其加热方式不

6、同，又分为直热式和旁热式两种气敏器件。 长江工程职业技术学院自动化教研室 直热式SnO2气敏器件：直热式器件的结构如图5-2所示。器件管芯由三部分组成：SnO2基本材料、加热电阻丝和电极丝。加热电阻丝和电极丝直接埋在SnO2材料内，然后烧结制成。工作时加热电阻丝通电加热，使器件达到工作温度，测量电极丝用于器件电阻值变化的测量。图5-2 直热式气敏器件结构与符号 这种器件的优点是：制造工艺简单、功耗小、成本低，可在高压回路中使用，可制成价格低廉的可燃气体报警器。 这种器件的缺点是：热容量小，易受环境气流的影响，测量回路和加热回路之间没有隔离，互相影响。长江工程职业技术学院自动化教研室 旁热式Sn

7、O2气敏器件：旁热式气敏器件如图5-3所示。其管芯增加了一个陶瓷管，在管内放进一个高阻加热丝，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂SnO2材料。图5-3 QMN5外形和符号 这种结构克服了直热式器件的缺点，其测量极与加热电阻丝分开，加热丝不与热敏材料接触，避免了测量回路与加热回路之间的互相影响。而且器件热容量大，降低了环境气温对器件加热温度的影响，并容易保持SnO2材料结构稳定。 长江工程职业技术学院自动化教研室（2）薄膜型SnO2气敏元件薄膜型SnO2气敏元件一般是在绝缘基板上蒸发或溅射一层SnO2薄膜，再引出电极即成。这种器件制作方法简单，但器件特性一致性差，灵敏度不如烧结型器件高。（3

8、）厚膜型SnO2气敏元件厚膜型SnO2气敏元件一般采用丝网印刷技术制作，器件强度好，特性比较一致，便于生产。长江工程职业技术学院自动化教研室三、常见气体传感器及其应用 1QMN5型气敏传感器及应用 QMN5是一种应用广泛的国产气敏传感器，它由绝缘陶瓷管、加热器、电极及氧化锡烧结体等构成。工作时，电热丝通电加热，当无被测气体流入时，由于空气中的氧成分大体上是恒定的，因而氧的吸附量也是恒定的，气敏元件的阻值大致保持不变。当有被测气体流入，元件表面将产生吸附作用，元件的阻值将随气体浓度而变化，然后由测量回路按照浓度和阻值的变化关系即可推算出气体的浓度。长江工程职业技术学院自动化教研室QMN5型气敏传

9、感器的极间电压为10V，加热电压为50.5V，负载电阻为2k，适用环境温度为-2040。适用于检测煤气、液化石油气、煤油、汽油、乙炔、乙醇、酒精、氢气、硫化氢、一氧化碳、烷类气体、烯类气体、氨类气体及烟雾等。图5-3列出QMN5外形和符号。其中A、B为信号电极（电极），H为加热丝极（丝极）。 图5-3 QMN5外形和符号 长江工程职业技术学院自动化教研室（1）一氧化碳报警器图5-4 CO检测换气报警自动控制电路 长江工程职业技术学院自动化教研室（2）集成可燃性气体检测器图5-6 可燃性气体检测器电路长江工程职业技术学院自动化教研室工作原理如下： 9V直流电源经电阻RP1限流，为QMN5的丝极h

10、-h提供了110mA左右的电流；将A-A与B-B测量极预热；在清洁的空气中，两测量极间的电阻较大，B-B端对地电位较低，气敏元件无信号输出 ，1IC为SL322型发光显示电平指示驱动电路，其脚为第一组的输入端， 无信号输入时、脚均为低电位，因此，2IC、3IC均不工作,无报警信号； 可燃性气体检测器电路长江工程职业技术学院自动化教研室当气敏元件的检测到一定浓度的可燃气体时 ，B-B端对地电位上升 ，使1IC 的脚的电压也上升，当电压升高到0.2V时 ，1IC的脚立即由低电位变为高电位，这时2IC、3IC相继工作。 2IC、3IC均为5G1555组成的自激多谐振荡器，不过2IC工作在超低频，而3

11、IC工作在音频范围内。适当调整R1或R2，使2IC工作频率为1Hz，这时作指示灯用的发光二极管LED将闪烁发光，电压蜂鸣器YD便发出“嘀、嘀”的报警声。 可燃性气体检测器电路长江工程职业技术学院自动化教研室（3）矿灯瓦斯报警器图5-8 矿灯瓦斯报警器电路 长江工程职业技术学院自动化教研室工作原理如下：而当瓦斯浓度较低时，由于电位器RP的输出电压较低，VT1截止，所以VT2、VT3也截止，矿灯不闪烁报警；当矿内瓦斯浓度超过设定浓度时，电位器RP的输出信号通过二极管VD加到三极管VT1的基极，使VT1导通，从而使VT2、VT3得到供电而开始工作，由VT2、VT3、R2、R3、C1和C2组成的是一个

12、互补式自激多谐振荡器 驱动继电器开关K不断地断开和闭合，使矿灯形成闪光，说明瓦斯浓度已超过了设定值。 长江工程职业技术学院自动化教研室调试过程：该报警器的调试方法为：通电15min后，先将电位器RP调到输出为零的一端，再将矿灯瓦斯报警器置于设定浓度的瓦斯气样中，缓慢调节电位器RP，使报警器刚好产生报警即可。长江工程职业技术学院自动化教研室2TGS系列气敏传感器及应用TGS系列气敏传感器是日本费加罗公司生产的半导体气敏传感器。当吸附还原性气体（例如液化气、天然气、氢气、一氧化碳、有机溶剂及蒸汽等）时，电导率上升。当恢复到清洁空气中时，电导率恢复。TGS传感器就是将这种电导率变化，以输出电压的方式

13、取出，从而检测出气体的浓度。图5-9 几款TGS气敏传感器实物及结构图 长江工程职业技术学院自动化教研室（1）火灾烟雾报警器利用TGS109气敏器件对烟雾的敏感，设计出火灾烟雾报警器。在火灾初期，总要产生可燃性气体和烟雾，因此可以利用SnO2气敏器材作烟雾报警器，在火灾酿成之前进行预报。火灾报警器具有双重报警机构：当火灾发生时，温度升高，达到一定温度时热传感器动作，蜂鸣器鸣响报警；当烟雾或可燃气体达到预定报警浓度时，气敏器件发生作用时报警电路动作，蜂鸣器也鸣响报警。长江工程职业技术学院自动化教研室（2）实用酒精测试仪图5-10为酒精测试仪电路。该测试仪只要被试者向传感器吹一口气，便可显示出醉酒

14、的程度，确定被试者是否还适宜驾驶车辆。气体传感器选用二氧化锡器敏元件。此类仪器目前已在国内一些大城市投入使用，并成为交警的必备标准装备。图5-10 酒精测试仪电路 长江工程职业技术学院自动化教研室当气体传感器探测不到酒精时，加在A5脚的电平为低电平；当气体传感器探测到酒精时，其内阻变低，从而使A5脚电平变高。图5-10中A为显示驱动器，它共有十个输出端，每个输出端可以驱动一个发光二极管，显示驱动器A根据第脚电平高低来确定依次点亮发光二极管的级数，酒精含量越高则点亮二极管的级数越大。上五个发光二极管为红色，表示超过安全水平。下五个发光二极管为绿色，表示安全水平（酒精含量不超过0.5%）。工作原理

15、如下：长江工程职业技术学院自动化教研室自动控制排气扇和声光报警电路的设计具有自动控制排气扇和声光报警功能的报警电路，设计时可根据情况分别对待，有害气体浓度达到0.15%时，排气扇首先自动开启，使有害气体排出，且发光二极管LED2发光。空气洁净后，排气扇自动关闭。只有当有害气体泄漏严重，排气无效，浓度达到0.2%时，报警电路才发出声光报警。任务要求：长江工程职业技术学院自动化教研室任务实施：图5-13电路中，A1、A2和A3构成比较器，调节RP1可设定排气扇启动点，调节RP2可设定报警点，调节RP3可使LED1平时熄灭，当MQK2气敏传感器的加热丝烧断时，A3翻转输出高电平，VT3导通，LED1

16、发光，表示MQK2气敏传感器失效。VD3为温度补偿二极管。R2、VD1、VD2、C3组成开机延时电路，可避免初期特性造成的开机误报警，R2阻值可根据延时时间长短选择，报警电路采用KD9561发出警车声。电电 路路 图图长江工程职业技术学院自动化教研室任务实现：该电路有四个明显的特点，使用时应注意。 通电数秒钟等MQK2型气敏传感器加热线圈稳定后，再进行测试工作。 使用时严密观察发光二极管LED1的状态，因为MQK2正常工作时，R1两端的电压，即运放A3的反相输入端的电位高于同相输入端的电位，LED1熄灭，一旦MQK2的加热线圈被烧断，即运放A3的反相输入端的电位低于同相输入端的电位，LED1发光。所以，LED1是监测MQK2加热线圈的指示灯。电电 路路 图图长江工程职业技术学院自动化教研室 该电路设计是有害气体浓度达到0.15%时，排气扇首先自动开启，当有害气体排出，空气洁净后，排气扇自动关闭。只有当有害气体泄漏严重，排气无效，浓度达到0