第10章气敏传感器Word格式文档下载.docx
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如果令
(式10-3)
则有
(式10-4)
由此可得,在检测元件F1和补偿元件F2的电阻比RF2/RF1接近于1的范围内,A、B两点间的电位差E,近似地与ΔRF成比例。
在此,ΔRF是由于可燃性气体接触燃烧所产生的温度变化(燃烧热)引起的,是与接触燃烧热(可燃性气体氧化反应热)成比例的。
ΔRF可用下式表示:
(式10-5)
ρ—检测元件的电阻温度系数;
ΔT—由于可燃性气体接触燃烧所引起的检测元件的温度增加值;
ΔH—可燃性气体接触燃烧的发热量;
C—检测元件的热容量;
Q—可燃性气体的燃烧热;
m—可燃性气体的浓度[%(Vol)];
α—由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。
ρ,C和α的数值与检测元件的材料、形状、结构、表面处理方法等因素有关。
Q是由可燃性气体的种类决定。
因而,在一定条件下,都是确定的常数。
则:
E=k•m•b其中
(式10-6)
即A、B两点间的电位差与可燃性气体的浓度m成比例。
如果在A、B两点间连接电流计或电压计,就可以测得A、B间的电位差E,并由此求得空气中可燃性气体的浓度。
若与相应的电路配合,就能在空气中当可燃性气体达到一定浓度时,自动发出报警信号,其感应特性曲线如图。
图10-2接触燃烧式气敏元件的感应特性
3.接触燃烧式气敏元件的结构
用高纯的铂丝,绕制成线圈,为了使线圈具有适当的阻值(1Ω~2Ω),一般应绕10圈以上。
在线圈外面涂以氧化铝或氧化铝和氧化硅组成的膏状涂覆层,干燥后在一定温度下烧结成球状多孔体。
将烧结后的小球,放在贵金属铂、钯等的盐溶液中,充分浸渍后取出烘干。
然后经过高温热处理,使在氧化铝(氧化铝一氧化硅)载体上形成贵金属触媒层,最后组装成气体敏感元件。
也可以将贵金属触媒粉体与氧化铝、氧化硅等载体充分混合后配成膏状,涂覆在铂丝绕成的线圈上,直接烧成后备用。
另外,作为补偿元件的铂线圈,其尺寸、阻值均应与检测元件相同。
并且,也应涂覆氧化铝或者氧化硅载体层,只是无须浸渍贵金属盐溶液或者混入贵金属触媒粉体,,形成触媒层而已。
图10-3接触燃烧式气敏元件结构示意图
10.2金属氧化物半导体气敏元件
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。
目前流行的定性模型是:
原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。
1.半导体气敏元件的特性参数
(1)气敏元件的电阻值
将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值,称为气敏元件(电阻型)的固有电阻值,表示为Ra。
一般其固有电阻值在(103~105)Ω范围。
测定固有电阻值Ra时,要求必须在洁净空气环境中进行。
由于经济地理环境的差异,各地区空气中含有的气体成分差别较大,即使对于同一气敏元件,在温度相同的条件下,在不同地区进行测定,其固有电阻值也都将出现差别。
因此,必须在洁净的空气环境中进行测量。
(2)气敏元件的灵敏度
是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。
它表示气体敏感元件的电参量(如电阻型气敏元件的电阻值)与被测气体浓度之间的依从关系。
表示方法有三种:
电阻比灵敏度K:
(式10-7)
Ra—气敏元件在洁净空气中的电阻值;
Rg—气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值
气体分离度:
(式10-8)
RC1—气敏元件在浓度为C1的被测气体中的阻值;
RC2—气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。
通常,C1>C2。
输出电压比灵敏度
:
(式10-9)
Va:
气敏元件在洁净空气中工作时,负载电阻上的电压输出;
Vg:
气敏元件在规定浓度被测气体中工作时,负载电阻的电压输出。
(3)气敏元件的分辨率
表示气敏元件对被测气体的识别(选择)以及对干扰气体的抑制能力。
气敏元件分辨率S表示为:
(式10-10)
Va—气敏元件在洁净空气中工作时,负载电阻上的输出电压;
Vg—气敏元件在规定浓度被测气体中工作时,负载电阻上的电压;
Vgi—气敏元件在i种气体浓度为规定值中工作时,负载电阻的电压。
(4)气敏元件的响应时间
表示在工作温度下,气敏元件对被测气体的响应速度。
一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时,直到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的63%时为止,所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间,通常用符号
表示。
(5)气敏元件的加热电阻和加热功率
气敏元件一般工作在200℃以上高温。
为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻(指加热器的电阻值)称为加热电阻,用
直热式的加热电阻值一般小于5Ω;
旁热式的加热电阻大于20Ω。
气敏元件正常工作所需的加热电路功率,称为加热功率,用
一般在(0.5~2.0)W范围。
(6)气敏元件的恢复时间
表示在工作温度下,被测气体由该元件上解吸的速度,一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时,直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值的63%时所需时间。
(7)初期稳定时间
长期在非工作状态下存放的气敏元件,因表面吸附空气中的水分或者其他气体,导致其表面状态的变化,在加上电负荷后,随着元件温度的升高,发生解吸现象。
因此,使气敏元件恢复正常工作状态,需要一定的时间,称为气敏元件的初期稳定时间。
一般电阻型气敏元件,在刚通电的瞬间,其电阻值将下降,然后再上升,最后达到稳定。
由开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间,称为初期稳定时间。
初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数。
存放时间越长,其初期稳定时间也越长。
在一般条件下,气敏元件存放两周以后,其初期稳定时间即可达最大值。
2.烧结型SnO2气敏元件
SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。
烧结型应用最广泛性。
其敏感体用粒径很小(平均粒径≤1μm)的SnO2粉体为基本材料,根据需要添加不同的添加剂,混合均匀作为原料。
主要用于检测可燃的还原性气体,其工作温度约300℃。
根据加热方式,分为直接加热式和旁热式两种。
(1)直接加热式SnO2气敏元件(直热式气敏元件)
由芯片(敏感体和加热器),基座和金属防爆网罩三部分组成。
因其热容量小、稳定性差,测量电路与加热电路间易相互干扰,加热器与SnO2基体间由于热膨胀系数的差异而导致接触不良,造成元件的失效,现已很少使用。
图10-4内热式气敏器件结构及符号
(2)旁热式SnO2气敏元件
加热器电阻值一般为30Ω~40Ω。
图10-5旁热式气敏器件结构及符号
图10-6气敏元件外形和引出线分布
10.3氧化锆气敏元件
固体电解质是具有离子导电性能的固体物质。
一般认为,固体物质(金属或半导体)中,作为载流子传导电流的是正、负离子。
可是,在固体电解质中,作为载流子传导电流的,却主要是离子。
二氧化锆(ZrO2)在高温下(但尚远未达到熔融的温度)具有氧离子传导性。
纯净的二氧化锆在常温下属于单斜晶系,随着温度的升高,发生相转变。
在1100℃下,为正方晶系,2500℃下,为立方晶系,2700℃下熔融,在熔融二氧化锆中添加氧化钙、三氧化二钇、氧化镁等杂质后,成为稳定的正方晶型,具有莹石结构,称为稳定化二氧化锆。
并且由于杂质的加入,在二氧化锆晶格中产生氧空位,其浓度随杂质的种类和添加量而改变,其离子电导性也随杂质的种类和数量而变化。
在二氧化锆中添加氧化钙、三氧化二钇等添加物后,其离子电导都将发生改变。
尤其是在氧化钙添加量为15%mol左右时,离子电导出现极大值。
但是,由于二氧化锆一氧化钙固溶体的离子活性较低,要在高温下,气敏元件才有足够的灵敏度。
图10-7ZrO2中杂质含量与电导关系
添加三氧化二钇的ZrO2-Y2O3固溶体,离子活性较高,在较低的温度下,其离子电导都较大,如图。
因此,通常都用这种材料制作固定电解质氧敏元件。
添加Y2O3的ZrO2固体电解质材料,称为YSZ材料。
10.4气体传感器的应用
分为检测、报警、监控等几种类型。
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。
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。
如采用温度补偿电路,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。
图10-8是一温度补偿电路,当环境温度降低时,则负温度热敏电阻(R5)的阻值增大,使相应的输出电压得到补偿。
图10-8温度补偿电路
图10-9为正温度系数热敏电阻(R2)的延时电路。
刚通电时,其电阻值也小,电流大部分经热敏电阻回到变压器,蜂鸣器(BZ)不发出报警。
当通电1~2min后,阻值急剧增大,通过蜂鸣器的电流增大,电路进入正常的工作状态。
图10-9延时电路
3.检测工作电路
这是气敏元件应用电路的主体部分。
下图是设有串联蜂鸣器的应用电路。
随着环境中可燃性气体浓度的增加,气敏元件的阻值下降到一定值后,流入蜂鸣器的电流,足以推动其工作而发出报警信号。
图10-10简单家用可燃性气体报警器电路
图10-11是差分式可燃性气体检测仪电路原理图。
在此电路中,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,检测气体的灵敏度很高。
图10-11差分式可燃性气体检测仪电路
4.应用案例一
本装置是酒精气味检测报警器,当驾驶员饮酒上车后,该检测器接触到酒精气味后立即发出响亮而又连续不断的“酒后别开车”的语音报警声,并切断车辆的点火电路,强制车辆熄火。
该报警器既可以安装在各种机动车上用来限制驾驶员酒后驾车,也可以安装成便携式,用来供交通人员用于交通现场,检测驾驶员是否酒后驾驶之用具有很高的实用性。
图10-12酒精检测报警电路
当酒精气敏元件接触到酒精味后,B极的电压升高,升高的电压随检测到的酒精浓度增大而升高,这就产生了气电信号。
当该信号电压达到1.6V时,使IC2导通,语音报警电路IC3得电发出报警声,同时继电器J动作,其常闭触点断开,切断车辆点火电路,强制发动机熄火。
IC3和IC4组成语言声光报警器,IC3得电后即输出连续不断的“酒后别开车”的语音报警声,经C6输入到IC4进行功率放大后,由扬声器发出响亮的报警声,并驱动LED闪光。
5.应用案例二
如图10-13是烟雾报警器电路,整个电路分为电源、检测、定时报警输出三部分。
烟雾检测检测器件所需的10V和5V直流电源由三端稳压器7810、7805供给。
AB间的电阻,在无烟环境中为几十千欧,在烟雾环境中阻值可下降为几千欧。
当检测到有烟雾时,IC1通过RP1所取得的分压随之增加,比较器IC1便迅速翻转,使VT2导通。
IC2在IC1翻转之前输出高电平,因此VT1也处于导通状态。
只要IC1一翻转,输出端便可输出报警信号。
输出端可接蜂鸣器或发光器件。
IC1翻转后,由R3、C1组成的定时器开始工作。
当电容C1补充电压达到阈值电位时,IC2翻转,则VT1关断,停止输出报警信号。
烟雾消失后,比较器复位,C1通过IC1放电。
图10-13烟雾报警器电路
6.应用案例三
如图10-14是厨用气体监测装置电路,可在一氧化碳等有害气体超过规定值时自动接通排气扇电源,并发出声光报警信号,待有害气体浓度降到标准值以下时即切断电源。
图10-14厨用气体监测装置控制器
在通常情况下,QM-N5型半导体气敏传感器呈现的电阻值较高,一旦接触到可燃性气体,该器件两端的电阻迅速降低,从而使R1两端的电压随之上升。
当该电压达到由一半LM358双运放组成的迟滞比较器的上限电压时,LM358的1脚由低电平转为高电平。
1脚输出的高电平一路经LED1和R6驱动VT1导通,使继电器吸合接通换气扇电源;
另一路经R7使IC4的4脚变为高电平。
由IC4组成的多谐振荡器起振,驱动扬声器发出声音,同时LED1的闪光也可兼作报警用。
气敏元件在刚接通电源时,即使在新鲜空气里,它的测量电极也会输出一定幅值的电压。
所以,电路中由另一半LM358组成延时电路。
刚接通电源时,由于C5作用,IC3的6脚为低电平,因此比较器的输出端即IC3的7脚输出高电平,驱动VT2导通,将IC2的3脚对地短路,此时报警电路将不会产生误动作。
当IC3两端的电压通过R13充电逐渐升到约2/3电源电压时,该比较器将输出低电平,解除对IC2的3脚的封锁。
7.应用案例四
如图10-15是家用煤气安全报警电路,一部分是煤气报警器,在煤气浓度达到危险界限前发生警报;
另一部分是开放式负离子发生器,其作用是自动产生空气负离子,使煤气中主要有害成分一氧化碳与空气负离子中的臭氧(O3)反应,生成对人体无害的二氧化碳。
图10-15家用煤气(CO)安全报警电路
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- 10 章气敏 传感器