4.1 气敏传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（电工版）

4.1 气敏传感器 定义：气敏传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置，它对于环境保护和安全监督方面起着极重要的作用。 气敏传感器类型 半导体式气敏传感器 气敏传感器 绝缘体气敏传感器 电化学气敏传感器 光干涉式气敏传感器 热传导式气敏传感器 红外线吸收式气敏传感器 4 电阻型 非电阻型 接触燃烧式型 电容式 恒电位电解式 伽伐尼电池式 接触燃烧式气敏传感器 又称热导式气体传感器。它的检测元件是在铂丝线圈(Ф0.05）上包以氧化铝和粘合剂形成球状, 经烧结而成, 其外表敷有铂、钯等稀有金属的催化层, 其结构如图4.1.1所示。对铂丝线圈通以电流, 使检测元件保持高温(300~400℃),此时若与可燃性气体接触,可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧,因此铂丝线圈的温度就会上升, 铂丝线圈的电阻值也上升。发热量与可燃性气体的浓度有关，测量铂丝电阻变化的大小就可以知道可燃性气体的浓度。 Pt丝 接触燃烧式气敏元件结构示意图 (a)元件的内部示意图 触媒 Al2O3载体 (0.8-2)mm 元件 (b)敏感元件外形图 热导式气体传感器 导热气敏材料根据不同可燃性气体与空气导热系数的差异来测量气体浓度。通常导热系数的差异通过电路转化为电阻的变化，传统的检测方法是将待测气体送入气室，气室的中心是热敏元件，如热敏电阻、铂丝或钨丝，加热到一定温度。 电化学气敏传感器 电化学气体传感器利用气敏电极或者气体扩散电极等构成一系列电池测量各种气体含量。其中气敏电极测量一些溶解在溶液中气体的含量或者用于环境监测,如O2、CO2、SO2、NH3、HCN、HF等气体,尤其是固体电解质气敏传感器能适应高温、高压等恶劣环境和高浓度的场合。这些气体传感器结构简单,选择性好,而且能快速响应, 便于自动测量和控制。 电化学式传感器采用恒电位电解方式和伽戈尼电池方式工作。 光干涉式气敏传感器 光波干涉计用于测定透明的固体、液体、气体等的光的折射率，这种方法由来已久，已广泛应用于已知折射率的液体和气体混合物组成的检测。 应用光波干涉计式气敏传感器的气体测定器，亦称气体检测器。光由气体中通过时，其折射率随气体的种类、组成、温度、压力等而变化。若气体的种类、温度、压力等为恒定，则通过测定混合气体的折射率，就可知道2成分混合气体的混合比率(气体成分的浓度)。 红外吸收式气敏传感器 基于气体的红外吸收光谱特性，非单元素的极性气体分子在中红外（2.5～25μm）波段存在着分子振动能级的基频吸收谱线，因此红外气体传感器灵敏度高，既可以用于常量分析，又可以用于微量分析；且选择性好，可以实现背景气体对测量分析基本没有影响。 声表面波式气敏传感器 声表面波（SAW）器件由压电材料、叉指换能器（IDT）和振荡电路构成，广泛地应用于通信、雷达、电子对抗、广播电视等民用和军用领域中。声表面波气敏传感器通常有延迟线和谐振器两种结构，目前国内外大多数SAW气敏传感器都是基于SAW延迟线振荡器的气敏元。 特点：精度高、分辨率高、抗干扰能力强、适合远距离传送；输出信号为振荡器频率的变化，易于与计算机接口组成自适应实时处理系统；灵敏度高，有效检测范围线性好；采用集成电路中的平面工艺制作，实现单片多功能化、集成化、智能化，减小了传感器的体积和重量，携带方便。 半导体气敏传感器的种类如表 主要物理特性 传感器举例 工作温度 典型被测气体 电阻式 表面控制型 氧化锌 室温～450℃ 可燃性气体 体控制型 氧化钛、氧化镁、氧化钴 室温～700℃ 酒精、氧气 非电阻式 表面电位 氧化银（Silver oxide） 室温 硫醇 二极管整流特性 铂/硫化镉、铂/氧化钛 室温～200℃ 氢气、一氧化碳、酒精 晶体管特性 铂栅MOS场效应晶体管 室温～150℃ 氢气、硫化氢 4.1 半导体气体传感器 气敏电阻品种繁多，主要有可测量还原性气体和测量氧气浓度的两大类。 气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率)发生变化。半导体气敏传感器有：电阻式和非电阻式。 一、还原性气体传感器 所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。 测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。 气敏电阻外形 酒精传感器 其他可燃性气体传感器 图 MQN型气敏电阻结构及测量电路 内热式