《传感器技术及应用》-3.项目三 气敏电阻测氧气浓度

什么是气体检测？人类生活在一个气体环境中，人们使用气体，依赖气体，但有些气体易燃易爆，如氢气、煤气等；有些气体对人体有害，如CO、氨气等，因此需要对各种气体在环境中存在的状况进行检测。气体检测就是感知环境中是否存在某种气体，如存在，检测出其浓度。知识目标：1.掌握气体传感器的工作原理；2.熟悉气体传感器的主要特性及分类；3.熟悉气体传感器的结构及使用；4.了解气体传感器的应用；能力目标：1.能够对气敏传感器进行选型；2.能够正确安装和使用气敏传感器。气敏电阻基本原理

气敏传感器是能够感知环境中某种气体及其浓度得一种敏感器件，它将气体种类及其浓度有关的信息转换成电信号，根据这些信号的强弱便可获得待测气体在环境中存在情况的信息。常用的气敏传感器类型：1、接触燃烧式2、电化学式3、半导体气敏传感器适用范围：接触燃烧式气体传感器

接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持300℃～400℃的高温，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，铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。坑内沼气化工厂的可燃性气体量的探测城市煤气泄漏报警半导体敏感元件（不适合空气污染厉害的餐馆）接触燃烧式气体传感器结构及测量电路R1是补偿元件，其作用时补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温度和电源电压变化等因素所引起的偏差。工作时，要求在R1和R2上保持有100~200mA的电流通过，以供可燃性气体在检测元件R2上发生氧化反应（接触燃烧）所需要的热量。电化学式气体传感器——氧化锆氧量计电化学式气体传感器——氧化锆氧量计

电解质溶液导电是靠离子导电，某些固体也具有离子导电的性质，具有某种离子导电性质的固体物质称为固体电解质。凡是传导氧离子的固体电解质称为氧离子固体电解质。氧化锆也称二氧化锆（ZrO2），分子是由一个锆原子和两个氧原子结合而成。由于钙离子和锆离子的离子价不同，因此在晶体中形成许多氧空穴。在高温（600℃以上）下，如有外加电场，就会形成氧离子占据空穴的定向运动而导电。带负电荷的氧离子占据空穴的运动，也就相当于带正电荷的空穴做反向运动，因此，也可以说固体电解质是靠空穴导电的，这和P型半导体靠空穴导电机理相似。电化学式气体传感器——氧化锆氧量计纯净的氧化锆基本上是不导电的，是不能进行氧量测量的，真正用于测量氧量的是在氧化锆中加入氧化钙（CaO）或三氧化二钇后，就具有高温导电性，这样就可以进行氧量测量。固体电解质的导电性能与温度有关，温度越高，导电性能越强。电化学式气体传感器——氧化锆氧量计电势和氧浓度差的关系:当氧浓差电池工作温度T一定，参比气体的氧浓度一定时，电池产生的氧浓差电势与被测气体的含氧浓度（即含氧量）成单值函数关系。通过测量氧浓差电势E就可以得到被测气体的含氧量。E——氧浓差电势（V）；R——理想气体常数，为8.314J／（mol·K）；F——法拉弟常数，为96487C／mol；T——热力学温度（K）；n——一个氧分子输送的电子个数，=4；P1——被分析气体（如烟气）的氧分压；p2——参比气体（如空气）的氧分压。

电化学式气体传感器——氧化锆氧量计

由于空气的含氧量为20.8%，且成本低廉，所以一般常用空气作为参比气体。上图是以空气作为参比气体的情况下，不同温度下，氧浓差电势与被测气体的含氧量之间的关系。电化学式气体传感器——结构半导体式气敏传感器

半导体气敏元件的敏感部分是金属氧化物微结晶粒子烧结体，当它的表面吸附有被测气体时，半导体微结晶粒子接触界面的导电电子比例就会发生变化，从而使气敏元件的电阻值随着被测气体的浓度改变而改变。烟雾传感器酒精传感器二氧化碳传感器半导体式气敏传感器所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化合价升高的气体，还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸汽、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。还原性气体传感器（MQN型气敏电阻）测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO、Fe2O3等金属氧化物添加少量铂催化剂、激活剂及其他添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。半导体式气敏传感器由半导体材料二氧化钛（属于N型半导体）制成，对氧气十分敏感。其电阻值取决于周围环境的氧气浓度。浓度增加时，电阻增大；浓度减少，电阻减小。氧浓度传感器（

TiO2型气敏电阻）1、TiO2气敏电阻必须在上百度的高温条件下才能工作。2、一般与热敏电阻Rt串联，起温度补偿作用，减小测量误差。气体传感器的应用1.电源电路：一般气敏元件的工作电压不高（3V-10V），其工作电压，特别是供给加热的电压，必须稳定。否则，将导致加热器的温度变化幅度过大，使气敏元件的工作点漂移，影响检测准确性。检测、报警、监控2.辅助电路：由于气敏元件自身的特性（温度系数、湿度系数、初期稳定性等），在设计、制作应用电路时，应予以考虑。采用温度补偿电路，减少气敏元件的温度系数引起的误差；设置延时电路，防止通电初期，因气敏元件阻值大幅度变化造成误报；使用加热器失效通知电路，防止加热器失效导致漏报现象。气体传感器的应用矿灯瓦斯报警器气体传感器的应用烟雾报警器气体传感器的应用酒精检测报警器气体传感器的应用电路中，BG1、BG2的参数应力求一致，最好选用差分对管。采用这种差分电路，