6.1气敏传感器基本原理及测量电路.
气敏传感器的原理
气敏传感器的原理
气敏传感器的原理是利用气敏材料的电学性能随环境气体浓度的变化而发生改变。
气敏材料通常是一种半导体材料，其电阻随着环境气体浓度的变化而发生变化。
当环境气体浓度较低时，气敏材料的电阻较高；当环境气体浓度增加时，气敏材料的电阻逐渐减小。
这是因为当有害气体接触到气敏材料表面时，会发生在表面吸附和体内扩散的过程，导致电子和离子的迁移，从而改变材料的电阻。
气敏传感器一般采用两种不同的工作模式来检测环境气体浓度：阻性传感模式和电容传感模式。
在阻性传感模式下，气敏材料作为电阻器的一部分，其电阻值会随环境气体浓度的变化而改变。
此时，通过测量气敏材料两端的电压或电流，可以间接得知环境气体浓度的变化。
在电容传感模式下，气敏材料作为电容器的一部分，当气敏材料表面吸附气体时，会改变电容器之间的电容值。
通过测量电容器的电容值，可以判断环境气体浓度的变化。
总之，气敏传感器利用气敏材料的电学性能随环境气体浓度的变化而改变的原理，实现对环境气体浓度的检测和监控。
气敏传感器及信号调理电路概要
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Fe2+离子，而变成Fe3O4，使器件的体电 阻下降。当被测气体脱离后，它又被氧化， 即恢复原状态。
ρ —检测元件的电阻温度系数； Δ T—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； Δ H—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。
RF1 RF R1 E E0 RF1 RF2 RF R1 R2
因为Δ RF很小，且RF1•R1=RF2•R2
R1 E E0 R1 R2 RF1 RF2
RF2 RF1
接触燃烧式气敏传感器
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。
--主要用于可燃性气体的检 测
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。
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）。
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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
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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。
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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
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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。
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传感器原理及工程应用——气敏传感器原理及应用
传感器原理及工程应用——气敏传感器原理及应用传感器原理及工程应用题目：气敏传感器系部：专业：班级：姓名：学号：年月日摘要气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。
它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。
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（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。
它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。
一、气敏传感器工作原理气体传感器的测试原理如图1所示。
将气体传感器RS和固定采样电阻R1进行串联分压,测得总回路电压Ui、采集R1两端电压Uo,并通过公式RS=(Ui/Uo-1)*R1就可以计算出气体传感器的电阻值。
当气体传感器检测不同浓度的待测气体时,其电阻值会发生一定的变化,通过动态检测这一变化,就可以获得响应时间、恢复时间、感应前后的电阻值、灵敏度等参数。
其中,RH是加热电阻。
二、所用到的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。
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。
气敏传感器及其工作原理
气敏传感器及其工作原理指导老师：雷家珩汇报者：周华汇报时间：2011.11.2目录•气敏传感器定义•气敏传感器分类•气敏传感器工作原理•气敏传感器的应用•气敏传感器研究现状与发展趋势•参考文献1 气敏传感器定义气敏传感器是一种将检测到的气体成份和浓度转换为电信号的传感器。
它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。
2 气敏传感器分类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散式气敏传感器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3 气敏传感器工作原理3.1 半导体气敏传感器工作原理●半导体气敏传感器(见图1,2)由气敏部分、加热丝及防爆网等构成,它是在气敏部分的SnO2、Fe2O2、ZnO2等金属氧化物中添加Pt、Pd等敏化剂的传感器。
●半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体(主要是金属氧化物)表面接触时,产生的电导率等物性变化来检测气体。
半导体气敏器件被加热到稳定状态下,当气体接触器件表面而被吸附时,吸附分子首先在表面自由地扩散(物理吸附) ,失去其运动能量,其间的一部分分子蒸发,残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸附)。
这时,如果器件的功函数小于吸附分子的电子亲和力,则吸附分子将从器件夺取电子而变成负离子吸附。
具有负离子吸附倾向的气体有O2和NOx,称为氧化型气体或电子接收性气体。
如果器件的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分子将向器件释放电子,而成为正离子吸附。
具有这种正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和酒类等,称为还原型气体或电子供给性气体。
图1 半导体气敏传感器结构图图2 半导体气敏传感器的符号表示●当氧化型气体吸附到N型半导体上,还原型气体吸附到P型半导体上时,将使载流子减少,而使电阻增大。
电化学气敏传感器的原理及其应用
考电极为 R, 电池 E 提供基准电 压 , R 确定参 考电极 电压 , 同时 由外部电压保 持电路也确定了工作电 极 ( W) 与对电 极 ( C) 相对 于 R 之间的电压。当传感器 检测到毒气后 , 毒气在阴阳 电极间 通过内部电解池发生氧化还 原的化 学反应 , 在 阴极 ( W) 发 生还 原反应 , 失去电子 ; 在 阳极 ( C) 发生 氧化 反应 , 得到 电子 , 因 此 , W- C 间电位随即 发生了 变化 , C 端 电位上 升 , W 端电 位下 降。 运算放大器 A1 构成了 R 和 C 端的 负反馈 电路 , 调 整参考 极 R 的电 位 , 直 到 R- C 端电位 差保持 到原状 态恒定 电位即可。 W 极电化反应 产生 的电 流 , 经 过 R 2 负 反 馈调 节 , 即 可从 输出 端 Uo 得到毒性气体浓度与电解电 流的线 性比率 曲线。气敏 传感 器的灵敏度与温度有着 很大的关系 , 无论是同 类敏感材料 的不 同掺杂 , 还是对于不 同的 气体敏 感的 不同 敏感材 料 , 其阻 抗都
这类传感器体积小巧敏感度高适用于医学或者军事防毒领域20氯气传感器的底视图它是一种恒电位电解式传感器nh31000氨气传感器也和此图类似毒性传感器的功能特性主要有测量范围最大负荷工作寿命输出信号分辨率温度范围压力范围压力系数t80应时间相对湿度范围典型曲线范围洁净空气最大零点漂长时间输出漂移偏置电压线性度输出等由于温度和湿度对不同传感器影响程度不同在不同的工作环境下还要考虑到传感器的适应度温度灵敏度曲线就能反映传感器在不同温度环境下的敏感程度如图次漂移这种灵敏度是在20用一个百分比信号表达所示可看出h21000氨气传感器交叉体积分数气体体积分数10灵敏度10气体体积分数10灵敏度10co2008015h2200no220so220ethylene200h2s2030防毒面具设计原理防毒面具用在毒性气体浓度大于人体所能承受的安全毒气浓度环境中它通过气敏传感器检测毒气使毒气通过滤块吸收有毒气体后成为洁净空气通过吸气活门进入面罩内该防毒面具用在医学人员救助演习的碱性或者酸性气体的检测环境中故选用了cl220氯气传感器和nh31000氨气传感器
气敏传感器的工作原理
气敏传感器的工作原理气敏传感器是一种用于监测周围环境气体浓度的设备，它可以检测和检测气体浓度，从而为相关研究和应用提供测量信息。
它主要由传感器元件、放大电路、输出电路组成。
传感器电路中的检测气体电路是气敏传感器最重要的部分，它的工作原理是将待测气体的浓度通过物理应变变化为电流或电压变化，其变化值可以通过测量来得出结论。
气敏传感器的典型结构是一个封闭的检测元件，它可以测量待测气体的浓度。
该检测元件由一个内部绝缘体和一个延伸到外部的金属探针组成，其中绝缘体是由聚合物组成的，金属探针一般是铂金和银的混合体，其表面上具有半导体性质。
当外部环境中的气体浓度发生变化时，该检测元件的电阻值也会发生变化，因此该电阻值的变化可以通过电路中的变阻器测量出来。
气敏传感器的放大电路将获得的传感器输出信号放大，并将扩大的信号转换为可读取并显示出来的数值。
转换时，可以使用不同的接口，如模拟输出接口或数字接口，以此实现相应的气体浓度值。
气敏传感器输出电路是将传感器元件输出电流或电压信号转换为有用信息的可读取输出形式，它可以将一定范围内的输出电压转换为对应气体浓度的数字输出。
由于气敏传感器具有体积小、反应时间短、性能可靠、成本低等特点，已经在众多领域得到了广泛应用，如家用空气净化器、汽车碳氢分析仪、工厂自动化系统、室内污染物检测系统等。
此外，气敏传感器还可用于工业、农业环境监测、污染控制、排放测量等领域。
总之，气敏传感器是一种用于检测气体浓度的重要传感器，它的工作原理是将待测气体的浓度通过物理应变变化为电流或电压变化，再通过放大电路和输出电路输出可读取信息。
气敏传感器在家用净化器、碳氢分析仪、工厂自动化系统、环境监测、污染控制、排放测量等领域都得到了广泛应用，它将给社会提供更多可靠的信息。
气敏传感器的原理及应用
气敏传感器的原理及应用半导体气体传感器：半导体气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件组织发生变化而制成的。
当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在物体表面自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解吸附在物体表面。
当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力，则吸附分子将从器件夺走电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。
[1]例如氧气，等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体。
如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。
具有正离子吸附倾向的气体有氢气、一氧化碳等，它们被称为还原性气体。
当氧化型气体吸附到n型半导体，还原性气体吸附到p型半导体上时，将使半导体载流子减少，而使电阻增大。
当还原型气体吸附到n型半导体上，氧化型气体吸附到p 型半导体上时，则载流子增多，半导体阻值下降。
非电阻型气体传感器也是半导体气体传感器之一。
它是利用mos二极管的电容-电压特性的变化以及mos场效应晶体管的阈值电压变化等特性而制成的气体传感器。
由于这类传感器的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳定价格便宜。
利用特定材料还可以使传感器对某些气体特别敏感。
催化燃烧式传感器：可燃气体报警器的原理基本上都是催化燃烧式催化燃烧式气体传感器是采用惠斯通电桥原理，由检测元件和补偿元件配对构成测量电桥，在一定温度条件下，可燃气体在检测元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧，载体温度就升高，通过它内部的铂丝电阻也相应升高，从而使平衡电桥失去平衡，输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号，再经过后期电路的放大、稳定和处理zui终显示可靠的数值。
电化学传感器：电化学传感器是两电极系统。
其工作电极和对电极由一薄层电解液隔开并经由一个很小的电阻联通外电路。
当气体扩散进入传感器后，在敏感电极表面进行氧化或还原反应，产生电流并通过外电路流经两个电极。
气敏传感器解析
一.气敏传感器简介
气敏传感器是一种将检测到的气体成份和浓度转 换为电信号的传感器。
在现代社会的生产和生活中，会接触到各种各样 的气体，需要进行检测和控制。比如煤矿瓦斯浓 度的检测与报警；环境污染情况的监测；煤气泄 漏；火灾报警等等。
家庭用煤气报警器
酒精传感器
二氧化碳传感器
二.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ敏传感器的原理及分类
➢ 按照半导体变化的物理特性分为电阻式和非电阻式。
电阻式半导体气敏传感器：
其电阻随着气体含量不同而变化;
主要是指半导体金属氧化物陶瓷气敏传感器， 是 一 种 用 金 属 氧 化 物 薄 膜 （ 例 如 SnO2 、 ZnO 、 Fe2O3、TiO2等）制成的阻抗器件。
表面控制型电阻式半导体气敏传感器：
➢当半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力，吸附分子从 半导体夺走电子成为负离子吸附，半导体载流子数减少，电 阻率增大，阻值增大。具有负离子吸附倾向的气体被称为氧 化性气体(例O2、NOx等)。
100 元件电阻 元件加热
正常状态
50
吸附氧化性气体 元件阻值变化
0 空气中
吸附还原性气体 时间
吸附气体后
（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RH表示。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ＰＨ表示。一般在(0.5～2.0)W范围。
当表面吸附某种气体时会引起电导率的变化. 1、结构与分类
由气敏元件、加热器、封装部分组成； 按制造工艺可分为烧结型、薄膜型、厚膜型。 按加热方式分为内热式和旁热式。
气敏传感器的工作原理及应用
气敏传感器的工作原理及应用本帖最后由茅草屋于 2016-9-29 15:45 编辑气敏传感器的是一种检测特定气体的设备，主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器，被广泛用于多个领域中。
小编主要来介绍一下气敏传感器的工作原理及应用，希望可以帮助到大家。
气敏传感器的工作原理声表面波器件之波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。
气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用(化学作用或生物作用，或者是物理吸附)，使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移;气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。
通过测量声表面波频率的变化就可以获得准确的反应气体浓度的变化值。
气敏传感器的应用气敏传感器的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂勠11、R12蓠检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。
它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息从而可以进行检测、监控、报警还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。
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按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。
目前实际使用最多的是半导体气敏传感器因此本文主要讲述半导体气敏元件的有关原理及应用。
半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体表面接触时，产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。
按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控制型，前者半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子接受，结果使半导体的电导率等物理性质发生变化，但内部化学组成不变，后者半导体与气体的反应，使半导体内部组成发生变化而使电导率变化。
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教学
设计
学习项目名称
气体传感器基本原理
本单元学时
1
学习指南
（1）气敏传感器的工作原理及典型应用。
（2）气敏传感器的选择
（3）具有分析典型气敏传感器测量电路的能力。
（4）具有电子元器件检测的能力。
项目教学
设计思想
介绍气敏传感器的工作原理及分类，介绍气敏传感器的测量电路。
教学方法与教学手段
基本知识的教学方法：讲述法、分组法、任务教学法、案例教学法
常规实训的教学方法：分组法、任务教学法、实践操作法、
拓展实训的教学方法：分组法、任务教学法、实践操作法
参阅资料
传感器电路制作与调试项目教程，王迪，电子工业出版社
校本教材，重庆电子工程职业学院。
《传感器应用电路400例》，王煜东，中国电力出版社，2008.8.
具体教学
实施计划
首先介绍气敏传感器的工作原理，分类，外形。通过讲解几种常用的气敏传感器的工作原理，使用方法，重点讲解酒精及可燃气体传感器的使用方法。教师制定实训任务，引导学生进行原理分析及方案设计，确定具体的参数指标。学生分析讨论传感器的应用范围、参数指标，进行传感器的选型，设计测量电路，进行电路参数的攒则，通过电路仿真软件进行电路功能的模拟，优化电路设计。通过实物的搭建学会气敏传感器产品的制作，安装使用方法等。
评价方式：教师评价、小组评价、自我评价
（4）、学生应具备的知识与能力
安全生产与文明生产常识、常用电子测量仪器使用能力、典型元器件识别能力、简单电路识别与分析能力。
（5）、对教师知识与能力的要求
熟悉压力检测原理、熟悉各类典型压力传感器及外围电路、具有娴熟的电路设计与调试能力、具有娴熟的教学组织与管理能力
《传感器原理及应用》，于彤，机械工业出版社，2008.1.
教学说明
（1）、教学材料
引导文件、参考资料、相关视频资料、检查单、评价表、练习题、参考网站与网址
（2）、使用工具与材料
镊子、剥线钳、电铬铁等电子装接工具、直流稳压电源、万用表、示波器、电子秤配件、常用装配工具
（3）、考核与评价
考核内容：作业完成情况、实践操作技能、工作作风与职业道德、学习态度