汽敏传感器:气敏传感器,什么是气敏传感器,气敏传感器介绍

2021/11/10 01:25 · 传感器知识资讯 ·  · 汽敏传感器:气敏传感器,什么是气敏传感器,气敏传感器介绍已关闭评论
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汽敏传感器:气敏传感器,什么是气敏传感器,气敏传感器介绍引言人的嗅觉系统的性能是相当出色的。过去几十年人们对嗅觉过程的认识迅速增加,但是目前的成果还少于人们的期望值。利用气体在电极上的氧化-还原反应研制的第一个气敏传感器是由Wikens和Hatman在1964年报道的。Buc

汽敏传感器:气敏传感器,什么是气敏传感器,气敏传感器介绍

  引言
  人的嗅觉系统的性能是相当出色的。过去几十年人们对嗅觉过程的认识迅速增加,但是目前的成果还少于人们的期望值。利用气体在电极上的氧化-还原反应研制的第一个气敏传感器是由Wikens和Hatman在1964年报道的。Buck等人利用气体调制电导和Dravieks等人利用气体调制电位研制的气敏传感器在1965年也做了报道,1982年英国 Warwick大学的Persaud 等人提出了利用气敏传感器模拟动物嗅觉系统的结构。气敏传感器是一种对于某种气体敏感的化学传感器,它能随着外部气体的浓度或者气体的种类的不同而改变敏感膜的电阻。现在的气体检测中使用的是气敏传感器绘图仪对传感器的电压信号直接绘制,由于绘图仪的动态跟随性差、反应速度慢、缺乏灵活性、测量精度低等缺点,难以画出高频率高精度的气敏传感器的时间电压曲线。对于气敏传感器的动态测试,绘图仪根本无法达到要求。本文根据气敏传感器的性质研究开发了利用RS232与计算机建立连接的气敏传感器信号采集,以此提高气敏传感器信号采集的精度和试验的人工效率。
   1、气敏传感器工作原理及其控制任务
  1.1 气敏传感器工作原理
  从材料上分,最常用的气敏传感器有金属氧化物,高分子聚合物材料,压电材料,胶体敏感膜等;从用途上分有广普型和专一型。根据试验需要选择气敏传感器,本测量系统能够适用于所有气敏传感器。
  气敏传感器的两个关键部分是加热电阻和气体敏感膜。加热电阻改变传感器的工作温度, 使其工作在气体敏感的工作温度,由于外部气体的变化从而使得气敏传感器的敏感材料的电阻发生变化,金电极连接气敏材料的两端,使得它成为一个阻值随外部气体变化的电阻。
  气敏传感器的结构与测试原理如图1所示。
  1.2 控制任务
  根据气敏传感器的特性设计采集任务,传感器的温度要求在250℃左右(或更高),在此温度下气体表现出很高的灵敏度 [2]。鉴于传感器气敏阻值的不确定性,取样电阻的阻值应与气敏电阻(气敏材料的阻值变化在15倍以内)的阻值相匹配。取样电阻和加热电压是由计算机控制,加热电阻 Ro的功率要求在0.3~1.5W之间,R o的值在30W左右,所以可知Ro的电压值在1~7V之间。加热电阻的温度与加热电压的大小近似成线性关系,通过加大电压来提高温度,以选择一个适合于气体测试的温度(通常选用5V的加热电压),如果是动态测量则是使加热电压为一个矩形波,占空比可以由软件设定。
  取样电阻要求为一个离散值,它们可为1k, 2k,5k,10k。就气敏传感器自身特性而言,它可分为几个档次,其气敏膜的电阻是不恒定的。文中以气敏膜电阻值在空气中为10kW到有待测气体中其阻值变化到1kW为标准介绍此系统的设计,其中测试电压为一个固定值,它的精度影响到信号电压。在实际试验中选定测试电压值为5V,要求测得测试信号的值(电压)由获取的采样信号可以在计算机内快速地计算出所需要测量的气敏传感器电阻(一般而言只需要直接看电压的变化值),从而描绘出气敏传感器的阻值随外界气体变化的波形图。
  2、气敏传感器信号采样与控制电路
  通过计算机来控制测试装置能使得整个测试过程变得更简单和更精确。
  2.1 采样周期的确定
  采样周期Ts决定了采样信号的质量和数量: Ts太小,会使采样信号xs (nTs)的数量剧增,占有大量的内存单元; Ts太大,会使采样点之间相距太远,模拟信号的某些信息丢失,会使采样后的信号恢复为原来的信号时产生信号失真。因此,选择合适地采样保持器直接关系到信号的真实性,当连续信号下X(t)的频谱X(f )为有限频谱且Ts<=1/2f c,(fc为采样周期内的最高频率),信号可以无失真的采集。气敏传感器在动态测量下, fc约为500Hz,Ts应取1ms可满足要求。   2.2 芯片的选择   为了克服由于气敏传感器在制造中其阻值 Rs不固定的特点,采样前,采样电阻的值应根据气敏传感器的值来调节,以确保得到的信号在测量范围之内。同时考虑信号的值与采集电压相匹配,信号电压若低于采样电压太大则影响测量的精度。测试电压V c为5V,ADC采用12位相对分辨率0.0244[%](1LSB),ADC的分辨率为1.22mV(1LSB)。   Vout=[Vc/(R c+Rs)]×Rc   根据气敏传感器选择为10k到1k档而选择 Rc为5k的取样电阻,可得到信号电压V out的值在1.666~4.166V。   使用模数转换芯片实现气敏传感器信号的采集,选取以下芯片制作单片机控制电路。   (1) ADC:外部的测试信号是模拟量,先进行模/数转化。选取ADC1678芯片,它的分辨率是12位,转换时间是5ms,转换误差小于1LSB,输出电平为TTL电平,不需要外部时钟和基准电压,工作电压为+5V或±12V。它的最大的优点是自带有采样保持器;   (2)多路模拟开关:选择所需的取样电阻。 AD7502芯片采用16脚双列直插封式封装,是一种双4通道多路开关芯片,依据二位二进制地址线 A0、A1及选通断(EN)的状态来选择8路输入的两路,分别与两个输出端相接通;   (3) 单片机:集成了1个8位中央处理器;4kB的只读存储器;128的读写存储器;32条I/O口线; 2个定时器/事件计数器;1个具有5个中断器、4个优先级的嵌套中断结构;用于多处理器通信、I /O拓展或全双工UART(通用异步接受发送器)的串行I/O口以及一个内振荡器和时钟电路。单片机控制着测试电路的各个部分,建立计算机与单片机的联系就可实现计算机对外部的控制。   2.3 通信接口的设计   IBM-PC机与单片机的连接采用零调制三线型,即只需用RDX、TXD和地线三线连接PC机和单片机。鉴于单片机的串口是一个标准的TTL电平接口(3.8~5V表示"1",0~0.3V表示"0"),而PC机配置的是RS232标准串行口,二者的电器规则不一致,因此要完成单片机到PC机的通信问题必须首先解决电平的转换问题。   单片机通过T C232CPE芯片连接计算机, 一片TC232CPE只需一个+5V电源供电,即可解决两组信号电平转换。该芯片内部可自动产生RS232C所需要的逻辑电平,可实现单片机与IBM-PC机的接口直接连接。IBM-PC机的RS232接口是通用异步发送/接收8250UART为核心构成的,PC机的BIOS中提供了专门用于串行通信的中断调用。   采用光电隔离器将电压隔离,防止高电压对低电压和数字电压产生影响。   计算机和单片机的数据采集的系统如图2所示。   3、软件设计   在单片机中使用MICRO-C51编译器,8051C语言编译器经济实用、编译速度快,按照标准的UNIX C语言编译语法设计,提供多种函数库供程序设计使用,提供嵌套注释、可嵌入汇编语言,可以用C语言设计中断程序[4]。   使用Delphi6建立串行通信程序及组件, Delphi调用 Windows API函数来建立通信机制。表1是所使用的API函数,使用Delphi调用API函数建立计算机与COM口的通信。源程序在uses区段中加入Windows。   4、结论   图3是传感器在200PPM乙酰甲胺磷与200PPM 敌百虫1:1混合下测试的动态特征图谱。它记录了测试点到结束点的整个过程的电压变化,对于分析气敏传感器的气氛环境起了重要的作用。   实验结果证明,计算机数据采集的输出动态响应高,能灵敏地反应出外界气体的变化,达到了气敏传感器绘图仪无法达到的动态特性,在多传感器的测量上可以比较同一时间的气敏传感器各个信号值。

汽敏传感器:气敏传感器的原理及应用

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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。该电流的大小比例于气体的浓度,可通过外电路的负荷电阻予以测量。
电化学气体传感器大都是以水溶液作为电解质,电解质的蒸发或污染,常会导致传感器的信号下降,使用寿命短;由于在空气中有被测物质存在,传感器中的有效成分被消耗,因此传感器一旦被启封,就视为参加了使用,即使没用于测量,它的生命也在缩短;电化学型气体传感器的寿命期望值为2年,使用不当它的寿命可能更短,而传感器更换的费用较高。因此如何保证其使用寿命,传感器的正确维护对烟气分析仪的使用尤为重要。
电化一般应用于硫化氢、甲醛、氯气等有毒气体的检测!
光离子气体传感器(PID):
光离子气体传感器又称PID气体传感器。采用光离子电离气体的原理制成的光离子气体传感器,具有体积小,灵明度高,即插即用,本安型等特点,光离子气体传感器在有机挥发物(VOCs)等微量气体的检测方面具有无可比拟的优势,由于封装模式完全兼容City Technology - 4P封装,因此可以非常便捷的集成到手持/台式/固定式气体探测系统中
1.光离子气体传感器工作原理:
光离子气体传感器(PID)是采用光离子电离气体的原理进行气体检测的。 具体的说,就是使用离子灯产生的紫外光对目标气体进行照射/轰击,目标气体吸收了足够的紫外光能量后就会被电离,通过检测气体电离后产生的微小电流,即可检测出目标气体的浓度。
典型的光离子型气体传感器结构示意图如下:

绝大多数空气成分(N2、O2和CO2)的光离子能量都高于离子灯所能提供的能量,所以空气的成分是不会被检测到的。因此,光离子气体传感器(PID)非常适合用来检测环境气体中的有机挥发物(VOCs),而且不受空气的干扰,检测精度可以达到ppb级别.。
2. 光离子气体传感器(PID)检测气体类型:
光离子气体传感器(PID)是检测有机挥发物(VOCs)的zui便捷、zui灵敏的检测手段,特别是对于哪些浓度非常低的气体泄漏(leak)有着其他类型传感器不可比拟的优势, 概括的讲,光离子气体传感器(PID)主要用于有机挥发物(VOCs)的检测,这些挥发物包括:
· 芳香类:苯、二甲苯、萘等;
· 饱和烃和不饱和烃类:辛烷、乙烯、环己烷等;
· 酮、醛、醚类:丙酮、丙醛、丙甲醚等;
· 卤代烃类、硫代烃类、醇类、酯类、肼类等。
· 此外,可检测的无机物包括:砷、氨。
下列物质是不能用光离子传感器去探测的:
· 空气,包括:N2,O2,CO2和水,
· 有毒有害气体:CO, HCN,SO2。
· 天然气:CH4、C2H6.
· 酸类:HCL,HF,HNO3。
· 其他:氟利昂、O3
目前,光离子气体传感器(PID)已经被集成到手持、固定式、台式气体探测器以及专业的实验检测仪器上,广泛应用在化工、石油、环保、制药、酿酒等诸多行业,为安全生产、环境保护和危害检测保驾护航。
红外气体传感器:
光谱吸收法表明许多气体分子在红外波段存在特征吸收;根据朗伯-比尔定律,特征吸收强度与气体浓度成正比例关系。据此原理设计而成的红外气体分 析器可用于分析混合气体中某种或某几种待测气体组分的浓度,是一类非常重要、非常经典的气体分析器。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,因此红外气体分析器灵敏度高,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。
红外传感器的应用很广,在检测很多种的气体中都使用到它,而且它的可靠性很高,选择性很好,精度也高,没有毒,受到环境的干扰较小,寿命比较长,对氧气不依赖等等的优点,在未来的市场中很可能会成为主流的。当然,它也有缺点,因为处在刚刚起步的阶段,技术不够,而且市场上很少,制造的成本比较高,这些种种的缺点对它在市场上的使用都有一定的限制。但是,希望在未来的技术发展中,可以发现更多更好的技术让它变得更加成熟,更加实用,在市场上的占有位置更高。
汽敏传感器:气敏传感器,什么是气敏传感器,气敏传感器介绍  第1张

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传感器的常见种类及主要分类

传感器英文名称transducer/sensor是一种检测装置,在日常生活中得到了非常广泛的应用。如今传感器所检测的信号近来显著地增加,因而其种类也极其繁多。那么传感器都有哪几种呢?接下来给大家介绍一下。

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气敏传感器信号采集系统设计

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气敏传感器信号采集系统设计开题报告

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2020-10-03 17:49:00

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2020-06-15 08:52:09

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如何对传感器进行分类

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汽敏传感器:气敏元件传感器

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气敏元件传感器
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本实验所采用的SnO2(氧化锡)半导体气敏传感器属电阻型气敏元件;它是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化:若气浓度发生变化,其阻值又将变化,根据这一特性,可以从阻值的变化得知,吸附气体的种类和浓度·
中文名
气敏元件传感器
测量回路电压
5~15V
负载电阻
0.5~2.2K
加热电压
4.5~5.5V
目录
1
原理
2
技术数据
气敏元件传感器原理
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教材仅要求简单的热敏电阻和光敏电阻特性实验。由于气体与人类的日常生活密切相关,对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段,气敏传感器发挥着极其重要的作用。例如生活环境中的一氧化碳浓度达0.8~1.15 ml/L时,就会出现呼吸急促,脉搏加快,甚至晕厥等状态,达1.84ml/L时则有在几分钟内死亡的危险,因此对一氧化碳检测必须快而准。利用SnO2金属氧化物半导体气敏材料,通过颗粒超微细化和掺杂工艺制备SnO2纳米颗粒,并以此为基体掺杂一定催化剂,经适当烧结工艺进行表面修饰,制成旁热式烧结型CO敏感元件,能够探测0.005%~0.5%范围的CO气体。还有许多易爆可燃气体、酒精气体、汽车尾气等有毒气体的进行探测的传感器。常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器等。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。电化学气敏传感器一般利用液体(或固体、有机凝胶等)电解质,其输出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流,也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点,应用极其广泛;下面重点介绍半导体气敏传感器及其气敏元件。半导体气敏元件有N型和P型之分。N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小;P型阻值随气体浓度的增大而增大。像SnO2金属氧化物半导体气敏材料,属于N型半导体,在200~300℃温度它吸附空气中的氧,形成氧的负离子吸附,使半导体中的电子密度减少,从而使其电阻值增加。当遇到有能供给电子的可燃气体(如CO等)时,原来吸附的氧脱附,而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面;氧脱附放出电子,可燃行气体以正离子状态吸附也要放出电子,从而使氧化物半导体导带电子密度增加,电阻值下降。可燃性气体不存在了,金属氧化物半导体又会自动恢复氧的负离子吸附,使电阻值升高到初始状态。这就是半导体气敏元件检测可燃气体的基本原理。国产的气敏元件有2种。一种是直热式,加热丝和测量电极一同烧结在金属氧化物半导体管芯内;旁热式气敏元件以陶瓷管为基底,管内穿加热丝,管外侧有两个测量极,测量极之间为金属氧化物气敏材料,经高温烧结而成。气敏元件的参数主要有加热电压、电流,测量回路电压,灵敏度,响应时间,恢复时间,标定气体(0.1%丁烷气体)中电压,负载电阻值等。QM-N5型气敏元件适用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、烯类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气、烟雾等的检测,属于N型半导体元件。灵敏度较高,稳定性较好,响应和恢复时间短,市场上应用广泛。QM-N5气敏元件参数如下:标定气体(0.1%丁烷气体,最佳工作条件)中电压≥2V,响应时间≤10S,恢复时间≤30S,最佳工作条件加热电压5V、测量回路电压10V、负载电阻RL为2K,允许工作条件加热电压4.5~5.5V、测量回路电压5~15V、负载电阻0.5~2.2K。在气敏元件的简单测试电路(组成传感器)中,电压表指针变化越大,灵敏度越高;只要加一简单电路可实现报警。常见的气敏元件还有MQ-31(专用于检测CO),QM-J1酒敏元件等。煤气传感器SX-213测量原理: SX- 213 是基于4-20 mA变送器的锡氧化半导体,它可测量周围一氧化碳浓度,周期间隔为1秒。气体横向灵敏度干扰相对比较低。SX-213 用于新一代锡氧化半导体一氧化碳传感器组件,它是 Sensorex多年经验积累研发的。SX-213 传感器适用于工业上一氧化碳浓度的控制。
气敏元件传感器技术数据
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操作电压15-28VDC or 18-24VAC 功率消耗约 0,5W 最大10W 输出4-20mA 线/log. or 2-10V 标准测量范围0-200/400 ppm 操作温度-30...+55OC操作湿度max. 98% RH (无冷凝)反映时间<120sec. (90%满刻度)摘自Sensorex 英文技术资料 煤气传感器:SX-213 词条图册 更多图册

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