《电气测试技术第5版》 课件 3.16 气敏传感器

02December20243.16气敏传感器3.16.1概述3.16.2半导体式气敏电阻3.16.3热导式气敏传感器3.16.4气敏传感器的应用实例02December20243.16.1概述气敏传感器利用了气体的某些物理化学性质，将被测气体的某些特定成分转换成便于测量的电信号。气敏传感器具有测量范围宽、精度高、灵敏度高、工作可靠、体积小、成本低等一系列优点。它的应用范围已渗透到各个领域，见图3-153。图3-153气敏传感器的主要应用领域02December2024气敏传感器大致可分为物理性和化学性两大类。物理性的气敏传感器是通过电流、电导率、光的折射等物理量的变化来实现气体成分的测定的。化学性气敏传感器是通过化学反应或电化学反应引起物理量的变化实现测量的。气敏传感器的种类繁多，就其检测方法来分，计有：半导体式、光干涉式、红外吸收式、热导率式、氢焰离化式、隔膜离子电极式、定电位电解式和浓度差电池式等。在为数众多的气敏传感器中，半导体式气敏元件的发展最为迅速，因它便于与后继的晶体管放大器集成化，故它的应用最为广泛。由于篇幅所限，本节仅介绍半导体式和热导式气敏电阻及其应用。02December20243.16.2半导体式气敏电阻工作原理气敏电阻由非化学配比的金属氧化物按一定的比例混合，并加入粘合剂成型和高温烧结而成，其结构见图3-154a。图3-154气敏电阻的结构及原理02December2024气敏电阻还有薄膜型、厚膜型和场效应晶体管等。工作原理见图3-154b，通电后，元件被加热，阻值迅速下降，一般经2～10min后，阻值达稳定状态，这一状态称为初始稳定状态。到达初始稳定状态时间的长短与环境条件有关。必须指出，使用元件时必须预热，待元件达到初始稳定状态时，才能开始测量。当被测气体与加热的气敏电阻接触时，首先气体分子在其表面扩散，然后被气敏电阻吸附。加热电极的作用是提高气敏电阻的吸附能力。气敏电阻对被测气体的吸附作用有两种形式，一是以阴离子形式被吸附；二是以阳离子形式被吸附。半导体气敏电阻的特性差别很大，单一种基质材料的半导体气敏电阻不可能检测所有气体，只能选择性地检测某种特定性质地气体。在选择时，应引起注意。02December2024半导体气敏电阻的测量电路图3-155气敏电阻的测量电路由前述可知，半导体气敏电阻将被测气体浓度的变化转换成电阻值的变化，测量电路的作用是将电阻值的变化转换成电压或电流的变化。半导体气敏电阻按其加热方式有直热式和旁热式两种。直热式的加热电极与信号检测电极没有隔离，会互相影响，应用独立电源分别对加热回路和信号检测回路供电。旁热式的加热电极与信号检测电极隔离，避免信号检测回路与加热回路之间的相互影响，是目前应用最广泛的气敏电阻。图3-155示出了旁热式气敏电阻的测量电路。02December2024半导体气敏电阻的主要特性参数固有电阻在常温下，气敏元件在洁净的空气中的电阻值称为气敏元件的固有电阻值。一般在数十到数百千欧范围。灵敏度表征气敏元件的灵敏度通常有下列几个参数：电阻比灵敏度指元件的固有电阻与在规定气体浓度下气敏元件的电阻

之比。气体分离度电压灵敏度指气敏元件在固有电阻值时的输出电压与在规定浓度下负载电阻的输出电压

之比。分辨率

指气敏元件对被测气体的识别以及对干扰气体的抑制能力。时间常数

从气敏元件与某一特定浓度的气体接触开始，直到元件的阻值达到此浓度下稳定阻值的63.2%为止，所需时间称为元件在该浓度下的时间常数。恢复时间

由气敏元件脱离某一浓度的气体开始，到元件的阻值恢复到固有电阻的36.8%为止所需时间称为恢复时间。02December20243.16.3热导式气敏传感器见图3-156。图a为热导式气敏元件的结构。在小容器内绕有铂丝，在铂丝上烧结金属氧化物作为敏感元件，被测气体可进出小容器。热导式气敏传感器广泛应用于气体的成分分析仪中。图3-156热导式气敏传感器a）结构

b）测量电路02December20243.16.4气敏传感器的应用实例油烟机自动起动及报警

本装置（见图3-157）利用对阳离子吸附作用的N型半导体气敏元件作为敏感元件，对所有还原性气体起敏感作用。检测灵敏度高于0.1%。利用双向晶体闸流管VT作为控制元件。本装置除用于厨房抽油烟机外，还可用于公用场合（如舞厅、卡拉OK厅）、非易爆易燃场合的自动抽风、报警以及消防等。图3-157抽油烟机自动起动及报警器02December2024防止司机酗酒开车控制器

酒后开车易出事故，为防止酒后开车，保障人民生命及财产安全，需安置防止酒后开车控制器，其原理见图3-158。图3-158防止酒后开车控制器02December2024便携矿井瓦斯超限报警器

本装置体积小，重量轻，电路简单，工作可靠。其电子线路见图3-159。图3-159矿井瓦斯超限报警器02December2024空气污染程度检测仪

电路原