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氣敏電阻傳感器
氣敏電阻傳感器的原理及應用
電子儀表Z101 段志達 學號：104662
氣敏電阻傳感器就是一種將檢測到的氣體的成分和濃度轉換為電信號的傳感器。 在現代社會的生產和生活中，人們往往會接觸到各種各樣的氣體，需要對它們進行檢測和控制。比如化工生產中氣體成分的檢測與控制；煤礦瓦斯濃度的檢測與報警；環境污染情況的監測；煤氣泄漏：火災報警；燃燒情況的檢測與控制等等。
一、器皿電阻的工作原理及其特性
氣敏電阻是一種半導體敏感器件，它是利用氣體的吸附而使半導體本身的電導率發生變化這一機理來進行檢測的。人們發現某些氧化物半導體材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有氣敏效應。
常用的主要有接觸燃燒式氣體傳感器、電化學氣敏傳感器和半導體氣敏傳感器等。接觸燃燒式氣體傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲（也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層），使用時對鉑絲通以電流，保持300℃～400℃的高溫，此時若與可燃性氣體接觸，可燃性氣體就會在稀有金屬催化層上燃燒，因此，鉑絲的溫度會上升，鉑絲的電阻值也上升；通過測量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道可燃性氣體的濃度。電化學氣敏傳感器一般利用液體（或固體、有機凝膠等）電解質，其輸出形式可以是氣體 直接氧化或還原產生的電流，也可以是離子作用于離子電極產生的電動勢。半導體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應快、穩定性好、使用簡單的特點；半導體氣敏元件有N型和P型之分。
N型在檢測時阻值隨氣體濃度的增大而減��；P型阻值隨氣體濃度的增大而增大。SnO2金屬氧化物半導體氣敏材料，屬于 N型半導體，在200～300℃溫度它吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當遇到有能供給電子的可燃氣體時，原來吸附的氧脫附，而由可燃氣體以正離子狀態吸附在金屬氧化物半導體表面；氧脫附放出電子，可燃行氣體以正離子狀態吸附也要放出電子，從而使氧化物半導體導帶電子密度增加，電阻值下降。可燃性氣體不存在了，金屬氧化物半導體又會自動恢復氧的負離子吸附，使電阻值升高到初始狀態。這就是半導體氣敏元件檢測可燃氣體的基本原理。 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型半導體而工作的。在正常情況下，是處于氧離子缺位的狀態。當遇到離解能較小且易于失去電子的可燃性氣體分子時，電子從氣體分子向半導體遷移，半導體的載流子濃度增加，因此電導率增加。而對于P型半導體來說，它的晶格是陽離子缺位狀態，當遇到可燃性氣體時其電導率則減小。
圖4.42所示為典型氣敏元件的阻值一濃度關系。可以看出，元件對不同氣體的敏感程度不同，如對乙醚、乙醉、氫氣等具有較高的靈敏度，而對甲烷的靈敏度較低。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，呈線性關系。
二、氣敏電阻器主要參數
(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。如果采用電壓測量法，其值等于接觸某種氣體前后負載電阻上電壓降之比。
(7)響應時間。氣敏電阻器在最佳工作條件下，接觸待測氣體后，負載電阻的電壓變化到規定值所需的時間。
(8)恢復時間。氣敏電阻器在最佳工作條件下，脫離被測氣體后，負載電阻上電壓恢復到規定值所需要的時間。
三、半導體氣敏器件的應用
半導體氣敏器件由于具有靈敏度高, 響應時間和恢復時間快, 使用壽命長及成本低等優點, 所以自從它實現商品化以后, 得到了廣泛的應用。按其用途可分為以下幾種類型: 檢漏儀、報警器、自動控制儀器和測試儀器等。氣敏器件在電路中是作為氣 電轉換器件而應 用的, 各種應用電路, 都必須從氣敏器件獲得信號,其信號的取出有以下幾種類型。
( 1) 利用吸附平衡狀態穩定值取出信號
氣敏器件接觸被檢測氣體后, 氣敏器件電阻將隨氣體種類和濃度而變化, 最后達到平衡, 器件電阻變為該氣體濃度下的穩定值。利用這一特性, 在器件電阻穩定后取出信號, 可以設計各種電路。這是一種常用的取出信號的方法, 現在使用的大部分, 都采用這種方法。
( 2) 利用吸附平衡速度取出信號
氣敏器件表面對氣體吸附平衡速度, 因氣體不同而有差異, 因此在不同時刻, 器件電阻具有不同值。利用這一特性, 可以設計在不同時刻取出信號,以檢測氣體的電路。
( 3) 利用吸附平衡值與溫度的依存性取出信號
氣敏器件表面對氣體的吸附, 強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, 可以設計器件在不同工作溫度下, 取出信號的應用電路。在混合氣體中, 可以對特定氣體進行選擇性檢測。下面以家用氣體報警器為例, 說明氣敏傳感器在實際生活中的應用。圖是用QM- N5 型氣敏器件的家用氣體報警器電路。該電路由交流220 V 電壓供電, 經C1 降壓后, 輸入給橋式整流電器, 整流后的電壓經C2 濾波,DW 穩壓管穩壓, 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 組成的開關電路和T3 ~ T6 組成的報警聲響電路。調節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 組成報警信號取樣電路, 調節電位器W1 可調整報警器的
報警點。當氣敏器件接觸可燃性氣體達到報警點濃度時, QM- N5 型氣敏器件的阻值降低, 電位器W1兩端電壓升高, 使V1 由截止轉為導通狀態, R5 兩端電壓升高又使V2 導通, 經R7 輸出直流電壓報警器聲電響路, 發出報警聲響。
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