气敏传感器及信号调理电路
传感器信号调理电路
传感器信号调理电路传感器信号调理电路传感器信号调理电路信号调理往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。
模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。
通常，传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。
调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。
然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到微控制器或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。
此链路工作的关键是选择运放，运放要正确地接口被测的各种类型传感器。
然后，设计人员必须选择ADC。
ADC应具有处理来自输入电路信号的能力，并能产生满足数据采集系统分辨率、精度和取样率的数字输出。
传感器传感器根据所测物理量的类型可分类为：测量温度的热电偶、电阻温度检测器(RTD)、热敏电阻；测量压力或力的应变片；测量溶液酸碱值的PH电极；用于光电子测量光强的PIN光电二极管等等。
传感器可进一步分类为有源或无源。
有源传感器需要一个外部激励源(电压或电流源)，而无源传感器不用激励而产生自己本身的电压。
通常的有源传感器是RTD、热敏电阻、应变片，而热电偶和PIN二极管是无源传感器。
为了确定与传感器接口的放大器所必须具备的性能指标，设计人员必须考虑传感器如下的主要性能指标：·源阻抗——高的源阻抗大于100KΩ——低的源阻抗小于100Ω·输出信号电平——高信号电平大于500mV满标——低信号电平大于100mV满标·动态范围在传感器的激励范围产生一个可测量的输出信号。
它取决于所用传感器类型。
放大器功用放大器除提供dc信号增益外，还缓冲和定标送到ADC之前的传感器输入。
放大器有两个关键职责。
一个是根据传感器特性为传感器提供合适的接口。
另一个职责是根据所呈现的负载接口ADC。
6.1气敏传感器基本原理及测量电路.pptx
其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁 作用）。
— 20 —
8. 气体检测使用注意事项
2）温度补偿 半导体气敏电阻在气体中的电阻值与温度和湿度有关。当温度和湿度较低时，电
测量转换电路
据分压比定律，Uo不受温度影响，减小了
测量误差。
汽车尾气分析
二氧化钛氧浓度传感器可 用于汽车或燃烧炉排放气 体中的氧浓度测量。
观察右图看说明非线性特性对 浓度超限报警是否有利？
气敏半导体的灵敏度特性曲线
— 18 —
— 19 —
8. 气体检测使用注意事项
1）气敏电阻使用时一定要加热 一般由变压器二次绕组交流输出或直流电压提供低电压加热。加热温度对气敏电
阻值较大；温度和湿度较高时，电阻值较小。因此，即使气体浓度相同，电阻值也会 不同，需要进行温度补偿。
如前所述，TiO2氧浓度传感器的测量转换电路中，与TiO2气敏电阻串联的热敏电 阻Rt 起温度补偿作用。
— 21 —
8. 气体检测使用注意事项
• 温度补偿中实用的热敏电阻工作原理 • 半导体热敏电阻简称热敏电阻，是一种新型的半导体测温元件。 • 热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度的变化而显著变化的特性实现测
气敏传感器类型：
半导体气敏传感器 接触燃烧式气敏传感器 电化学气敏传感器
2.气敏传感器外形
— 5—
半导体气敏传感器应用最多。它的 应用主要有：一氧化碳气体的检测、 瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟 利昂的检测、呼气中乙醇的检测、 人体口腔口臭的检测等等。
— 6—
电化学气体传感器工作原理及电路图
P
0-20ppm
P/F
0-20ppm
P/F
0-5ppm
P
0-10ppm
P/F
0-10ppm
P/F
0-3ppm
P
0-10ppm
P/F
0-10ppm
P
0-3ppm
P/F
0-3ppm
P
0-3ppm
P/F
0-3ppm
P/F
0-50ppm
P/F
0-10ppm
P/F
0-5ppm
P/F
0-10ppm
P/F
0-10ppm
Carbon monoxide
300
50
60(30)
30
200
35
Hydrogen sulphide
15
10
20(10)
10
15
10
Sulphur dioxide
5
2
4(5)
2
5
2
Nitric oxide
35
25
---
---
---
25
Nitrogen dioxide
5
3
10(5)
5
1
3
Chiorine
标以 F。
P6
气体
型号
Carbon monoxide 4CO
4CF
7E
7E/F
Hydrogen sulphide 4H
4HS
7H
7HH
Sulphur dioxide 4S
7ST/F
7SH
Nitric oxide
4NT
7NT
Nitrogen dioxide 4ND
信号调理电路
信号调理电路信号调理电路就是信号处理电路，把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号。
是指利用内部的电路，如滤波器、转换器、放大器等来改变输入的讯号类型并输出。
在实际应用中工业信号有些是高压，过流，浪涌等，不能被系统正确识别，必须调整理清。
信号调理电路原理信号调理电路往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。
模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。
但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。
调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器（ADC）的输入。
然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到微控制器或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。
信号调理电路技术1.放大放大器提高输入信号电平以更好地匹配模拟－数字转换器（ADC）的范围，从而提高测量精度和灵敏度。
此外，使用放置在更接近信号源或转换器的外部信号调理装置，可以通过在信号被环境噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号－噪声比。
2.衰减衰减，即与放大相反的过程，在电压（即将被数字化的）超过数字化仪输入范围时是十分必要的。
这种形式的信号调理降低了输入信号的幅度，从而经调理的信号处于ADC范围之内。
衰减对于测量高电压是十分必要的。
3.隔离隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术，无需物理连接即可将信号从它的源传输至测量设备。
除了切断接地回路之外，隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压，从而既保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。
4.多路复用通过多路复用技术，一个测量系统可以不间断地将多路信号传输至一个单一的数字化仪，从而提供了一种节省成本的方式来极大地扩大系统通道数量。
多路复用对于任何高通道数的应用是十分必要的。
5.过滤滤波器在一定的频率范围内去处不希望的噪声。
传感器信号调理电路
传感器信号调理电路传感器信号调理电路信号调理往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。
模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。
通常，传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。
调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。
然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到微控制器或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。
此链路工作的关键是选择运放，运放要正确地接口被测的各种类型传感器。
然后，设计人员必须选择ADC。
ADC应具有处理来自输入电路信号的能力，并能产生满足数据采集系统分辨率、精度和取样率的数字输出。
传感器传感器根据所测物理量的类型可分类为：测量温度的热电偶、电阻温度检测器(RTD)、热敏电阻；测量压力或力的应变片；测量溶液酸碱值的PH电极；用于光电子测量光强的PIN光电二极管等等。
传感器可进一步分类为有源或无源。
有源传感器需要一个外部激励源(电压或电流源)，而无源传感器不用激励而产生自己本身的电压。
通常的有源传感器是RTD、热敏电阻、应变片，而热电偶和PIN二极管是无源传感器。
为了确定与传感器接口的放大器所必须具备的性能指标，设计人员必须考虑传感器如下的主要性能指标：·源阻抗——高的源阻抗大于100KΩ——低的源阻抗小于100Ω·输出信号电平——高信号电平大于500mV满标——低信号电平大于100mV满标·动态范围在传感器的激励范围产生一个可测量的输出信号。
它取决于所用传感器类型。
放大器功用放大器除提供dc信号增益外，还缓冲和定标送到ADC之前的传感器输入。
放大器有两个关键职责。
一个是根据传感器特性为传感器提供合适的接口。
另一个职责是根据所呈现的负载接口ADC。
气敏传感器的应用电路
气敏传感器的应用电路
气敏传感器应用电路
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
由于气敏传感器元件自身的特性(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。
下图是一温度补偿电路:。
电化学气体传感器工作原理及电路图
Hydrogen
7HYT
Hydrogen cyanide 7HCN
Hydrogen chloride 7HL
Ammonia
A7AM
7AM
Ozone
7OZ
Ethylefe oxide
7ETO
便携式或 最小范围 定点式
P
0-20ppm
P
0-20ppm
P/F
0-20ppm
P/F
0-20ppm
P
0-20ppm
P
0-20ppm
P/F
0-20ppm
P/F
0-5ppm
P
0-10ppm
P/F
0-10ppm
P/F
0-3ppm
P
0-10ppm
P/F
0-10ppm
P
0-3ppm
P/F
0-3ppm
P
0-3ppm
P/F
0-3ppm
P/F
0-50ppm
P/F
0-10ppm
P/F
0-5ppm
P/F
0-10ppm
P/F
0-10ppm
标以 F。
P6
气体
型号
Carbon monoxide 4CO
4CF
7E
7E/F
Hydrogen sulphide 4H
4HS
7H
7HH
Sulphur dioxide 4S
7ST/F
7SH
Nitric oxide
4NT
7NT
Nitrogen dioxide 4ND
7NDH
Chlorinr
4CL
7CLH
两个电极的反应方程式可以结合起来并简化成总的电池反应。例如在一氧化碳的情况下，总个电池反 应可写成：
信号调理电路的原理、功能
什么是信号调理？信号调理电路的原理，信号调理模块的功能[导读] 信号调理电路往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。
模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。
但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。
信号调理电路原理信号调理电路往往是把来自的模拟信号变换为用于、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。
模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。
但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。
调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。
然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。
信号调理电路技术1.放大提高输入信号电平以更好地匹配模拟-数字转换器(ADC)的范围，从而提高测量精度和灵敏度。
此外，使用放置在更接近信号源或转换器的外部信号调理装置，可以通过在信号被环境噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号-噪声比。
2.衰减衰减，即与放大相反的过程，在电压(即将被数字化的)超过数字化仪输入范围时是十分必要的。
这种形式的信号调理降低了输入信号的幅度，从而经调理的信号处于ADC范围之内。
衰减对于测量高电压是十分必要的。
3.隔离隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术，无需物理连接即可将信号从它的源传输至测量设备。
除了切断接地回路之外，隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压，从而既保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。
4.多路复用通过多路复用技术，一个测量系统可以不间断地将多路信号传输至一个单一的数字化仪，从而提供了一种节省成本的方式来极大地扩大系统通道数量。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
N型半导体吸附气体时的器件电阻变化。
• 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。
--主要用于可燃性气体的检 测
可燃性气体(H2、CO、CH4等)与空气中的氧 接触，发生氧化反应，产生反应热(无焰接触 燃烧热)，使得作为敏感材料的铂丝温度升高， 电阻值相应增大。一般情况下，空气中可燃 性气体的浓度都不太高(低于10％)，可燃性 气体可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体 的浓度有关。
• 图中F1是检测元件；F2是补偿元件，其作用是补偿可燃性 气体接触燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引 起的偏差。工作时，要求在F1和F2上保持100mA～200mA 的电流通过，以供可燃性气体在检测元件F1上发生氧化反 应(接触燃烧)所需要的热量。当检测元件F1与可燃性气体 接触时，由于剧烈的氧化作用(燃烧)，释放出热量，使得 检测元件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不再平 衡，在A、B间产生电位差E。
MOS二极管气敏器件的C—U特性
•
其漏极电流ID有栅压控制，将栅
极和漏极短路，在源极和漏极之间加
电压，ID的计算式为ID=β（UG-UT）2， 始终UT为ID流过时最小临界电压值。
• 在测量中，UT会随空气中所含H2浓度 的增高而降低。
S
Pd栅
D
Al
Si O2
N＋
N＋
P—Si
5 接触燃烧式气敏传感器
民 用
乙醇
厨
房
集 油气 体
住
宅
群 可燃气
工厂
各种 气体
研究所
各种 气体
农林
H2O C O2 O 2
某些机关
CO H2O
安全 民用
工农业
气敏 元件
防灾
环保 医用
大
NO X
气
SO X
污
CO
染
锅
H2S
炉
HCN 及
引
O2 CO CO 2
擎 医
院
LP 有害气
工业
CO 农业
CO 可燃气
船舶
CO 有机气
地铁等
2 气敏传感器的分类
电 阻(KΩ )
1000-
-
500 200100-
空气 CH 4
H2
i-CH
CC23HH58OH 4H10
-
50 0.05 0.1 0.2 0.5 1.0
气体浓度(%Vol)
4 非电阻型气敏传感器
非电阻型气敏传感器目前主要有二 极管、场效应管及电容型集中。它是利 用MOS二极管的电容—电压特性的变化 以及MOS场效应晶体管(MOSFET)的阈 值电压的变化等物性而制成的气敏元件。
由于空气中的含氧量大体上是恒定的， 因此氧的吸 附量也是恒定的，器件阻值也相对固定。若气体浓 度发生变化，其阻值也体的种类和浓度。
R ( K Ω)
100 -
加热
响应时间 < 60s
稳
氧化性气 体吸附
定
50 -
5-
10s 2min 4min 大气中
还原性气 体吸附 气体吸附
E
E0
RF1 RF RF1 RF2 RF
R1
R1 R2
因为ΔRF很小，且RF1•R1=RF2•R2
E
E0
R1 R2
R1 RF1
RF2
RF2 RF1
RF
化反应热)成比例的。即ΔRF可用下式表示
RF
T
H C
mQ
C
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。
气敏传感器
及信号调理电路
一．概述 二．分类 三．电阻型传感器 四．非电阻型传感器 五．接触燃烧式气敏传感器 六．气敏传感器的应用
一
概述
气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分 的传感器。它将气体种类及其浓度等有关的信息转 换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得与待 测气体在环境中存在情况有关的信息。
3.2体电阻控制型传感器
• 体电阻控制型气敏元件，受到外界氧 分压强，或还原性气体的还原作用， 致使晶体中的结构缺陷发生变化，随 之体电阻发生变化。这种变化是可逆 的，当待测气体脱离后气敏元件又恢 复原状。
氧化铁系气敏元件 γ-Fe2O3气敏元件
• 当它与气体接触时，随着气体浓度的增加形 成 阻F下e降2+离。子当，被而测变气成体F脱e离3O后4，，使它器又件被的氧体化电， 即恢复原状态。
MOS结构的钯-MOS二极 管敏感原件，总电容C是栅 极偏压U的函数，其函数关 系称为MOS管的电容—电 压特性利用其C-U特性明显 地有变化。
MOS二极管气敏器件 结构和等效电路
当传感器工作时，由于钯 在吸附H2后，会使钯的功 函数降低，从而引起MOS 管的C—U特性向负偏压方 向平移，如图所示，由此 可测定H2浓度。
E0
如果令 k E0 R1
R1 R2
RF1 RF2
则有
E
k
RF2 RF1
RF
这样，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
气体与人类的日常生活密切相关：如在用气体、
煤炭作为燃料的场合，由于燃烧不完全，会产生大 量有毒一氧化碳气体，如果室内通风不良或排气不 畅就会使人中毒；在煤矿井下，甲烷等可燃性气体 超标易产生瓦斯爆炸；司机饮酒过度易造成交通事 故等。说以气体检测在改善和保护人类的生活环境 具有重要意义。
气敏传感器的主要应用领域
从构成材料可将 气敏传感器归为两类类： 半导体、非半导体
•
由于气体种类繁多, 性质各不相同，不可能用
一种传感器检测所有类别的气体，因此，能实现气
-电转换的传感器种类很多。
• 半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用 是在其表面，还是内部，可划分为表面控制型和体 控制型两类；
• 按照半导体变化的物理性质，又可分为电阻型 和非电阻型两种。
类别
电 阻 型
类型
原件结构
表面控制型 体控制性
SnO2、ZnO等 的烧结体、薄 膜、厚膜
氧化钛、氧化镁、 SnO2
检测对象 可燃性气体
酒精、可燃性气 体、氧气
非
铂-硫化镉、铂
电
-氧化钛
阻
表面控制型
型
铂栅、钯栅
氢气、一氧化 碳、酒精
氢气、硫化 氢
3 电阻型传感器
3.1表面电阻控制型传感器
当表面吸附某种气体时会引起电导率的变化。 图为烧结体N型半导瓷的模型，导电通路的等效电路如图所示。 Rn为颈部等效电阻，Rb为晶粒的等效体电阻，Rs为晶体的等效表 面电阻。Rb的阻值较低，不受吸附气体影响。Rn、Rs受吸附气体 控制， Rn远大于Rb ，Rs远大于Rb，所以Rs被短路，因而只等效成Rn串联 的电路。半导陶瓷气敏电阻的阻值随气体的数量和种类而改变。