传感器的设计
气体传感报警器
气体传感器在生活防范安全中离不开,比如检查工业上的天然气、煤气、石油化工等一些易燃、易爆、有毒、有害的气体的检测,并且进行预报和自动控制,在防治公害方面检测污染的气体,在家庭中检测因易燃气体引起的火灾。
电阻式气体传感器是用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料制成,利用其阻值被气体浓度改变二变化的特性来检测气体浓度。
半导体气体传感器的工作原理
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阻值的变化制成的。
当半导体元件被加热到稳定的状态时,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,失去运动的能量,一部分分子被蒸发掉,另外一部分残留分子生产热分解而化学吸附在吸附处。
当半导体的工函数小于吸附分子的亲和力时,则吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附,半导体表面呈现电荷层。
如果半导体的工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
例如:O 2(负)(氧化气体)、H 2、CO 、碳氢化合物和醇类(正)(还原反应)。 当氧化型气体吸附到N 型半导体,还原型气体吸附到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,使半导体电阻值下降。如图
1
(图1)
电阻型半导体气敏传感器的结构
件从制造工
艺来分有烧结型、薄膜型和厚膜型三类
A .烧结型气敏元件:烧结型气敏器件以SnO 2半导体,将铂电极和加热丝埋入SnO 2材料中,用加热、加压、温度为700—900°C 的制陶工艺烧结形成。因此,称为半导体导瓷,简称半导瓷。半导瓷内的晶粒直径为1um 左右,晶粒的大小对电阻有一定的影响,,但是对气体检测灵敏度则无很大影响。这种器件寿命长、但是烧结不充分,器件机械强度不高,电极材料教为贵重,电性能一
致性较差,应用
上有一定的限
度。如图2
(图2)
B .加热器:加热器的作用是将附在敏感元件表面上的尘埃、油雾等烧掉,加速气体的吸附,提高其灵敏度和响应速度。加热器一般控制在200°C 到400°C 较为最好
C. 加热器的种类:如图
3
3)
1. 直热式:直热式是将加热丝直接埋入SnO 2、ZnO 粉末中烧结而成,因此,直热式常用与烧结型气敏结构:下图为其的结构图图4(a )和符号图图4(b )
(a )直热式结构 (b )符号
2. 旁热式:旁热式是将加热丝和敏感元件同置于一个陶瓷管内,管外涂梳状金电极作测量级,在金电极外再涂上SnO 2等材料,下图5为其的符号图
(图5) 气敏电阻的基本特性
SnO 2系
(如图6)是SnO 2气敏元件对空气的灵敏度特性,由其中可以知道,气敏元件的阻值Rc 与空气中被测气体的浓度C 成对数关系变化
(图6)
LogRc=mLogC+n
式中,n 与气体的检测灵敏度有关,m 为气体分离度,随气体的浓度的变化而变化,对可燃性气体,1/3
SnO 2气敏元件容易受到温度的影响和湿度的影响(如图7),由于温度对其特性有影响,所以使用时,通常需要加温补偿。
(图7)
气敏传感器的主要参数与特性
1. 灵敏度
灵敏度(S )是气敏元件的一个重要参数,标志着气敏元件对气体的敏感程度,决定了测量精度,用其阻值变化量△R 与气体浓度变化量△P 之比来表示: S=△R/△P
灵敏度的另外一种表示方法,即是气敏元件在空气中的阻值R 0与在被测气体中的阻值R 之比,以K 表示:
K=R0/R
2. 响应时间
从气敏元件与被测气体接触,到气敏元件的阻值达到新的恒定值所需要的时间称为响应时间,它表示气敏元件对被测气体浓度的反应速度。
选择性
在多种气体共存的条件下,气敏元件区分气体种类的能力称为选择性,对某种气体的选择性好,就表示气元敏元件对它有较高的灵敏度。选择性是气敏元件的重要参数,也是目前较难解决的问题之一
4. 稳定性
当气体浓度不变时,若其他条件发生变化,在规定的时间内气敏元件输出特性维持不变的能力,称为稳定性。稳定性表示气敏元件对于气体浓度以外的各种因素的抵抗能力
5. 温度特性
气敏元件灵敏度随温度变化的特性称为温度特性。温度有元件自身温度与环境温度之分。这两种温度对灵敏度都有影响。元件自身温度对灵敏度的影响相当大,解决这个问题的措施之一就是采用温度补偿方法。
6. 湿度特性
气敏元件的灵敏度随环境湿度变化的特性称为湿度特性。湿度特性是影响检测精度的另外一个因素。解决这个问题的措施之一就是采用湿度补偿法
7. 电源电压特性
气敏元件的灵敏度随电源电压变化的特性称为电源电压特性,为改善这种特性,需采用恒压源。
智能气体传感器
智能气体传感器又名电子鼻, 其工作原理是建立在模拟人的嗅觉形成过程基础上的, 如下图8所示:
图8
(1) 气敏传感器阵列, 相当于初级嗅觉神经元。由具有广谱响应特性、交叉灵敏度较大、对不同气味气体灵敏度不同的气敏元件组成。通常, 气敏传感器阵列可以采用集成工艺制作专用的气敏传感器阵列, 这种阵列体积小, 功耗低, 便于信号的集中采集与处理。单个气敏传感器与传感器阵列在特性上有质的区别, 单个气敏传感器对气味或气体的响应可用强度来表示, 而气敏传感器阵列除了各个传感器的响应外, 在全部传感器组成的多维空间中形成响应模式, 而这正是电子鼻能对多种气味和气体进行辨识的关键所在。
(2) 信号预处理单元, 它对传感器阵列的响应模式进行预加工, 完成特征提取。如在气味或气体的定性辨识中, 采用归一化算法可在一定程度上消除浓度对传感器输出的影响。
(3) 模式识别单元, 相当于动物和人类的大脑, 它运用一定的算法完成气味或气体的定性定量辨识. 电子鼻中, 模式识别算法有:相关算法、最小二乘法、聚类方法、主成分分析法、偏最小二乘法、人工神经网络法模糊逻辑法等。
模式识别过程可以概括为建立已知气味的信息数据库、处理待测气味信息、提取待测气味信息的特征、特征分类和判定等5 个步骤 。
电子鼻可在多种气体共存的复杂混合气体中定量地对多种气体进行识别分析, 灵敏度可达几个ppb , 具有智能、小型化等优点, 具有广泛而重要的应用前途。
可燃性气体浓度检测电路(图9)
这是一个气敏传感器警报器的检测电路原理图,它可以对于家庭对煤气、一氧化碳、液化石油等泄漏监测报警。
U257B 是LED 条形驱动集成电路,其输出量(LED 点亮只数)与输入成线性关系。LED 被点亮的只数取决于输入端7脚电位高低有关。
当IC7脚电位低于0.18V 时,其输出端2-6脚均为低电平,LED 1到LED 7均不亮。
当7脚电位等于0.18V 时,LED 1被点亮
当7脚电压为0.53V 时,LED 1和LED 2均点亮
当7脚电压为0.84V 时,LED 1-LED 3均点亮
当7脚的电压为1.19V 时,LED 1-LED 4均点亮
当7脚的电压为2.0V 时,LED 1-LED 5全部点亮
图9
U257B 的额定工作电压范围为8V-25V ,输入电压最大5V ,输入电流0.5mA ,功率690mW 。
采用低功率、高灵敏的QM-N10型气敏检测管,它和电位器R P 组成气敏检测电路,气敏检测信号从R P 的中心端旋臂取出。
当QM-N10不接触可燃性气体时,其A-B 两电极间呈高阻抗,使得7脚电压趋于0V ,相应LED 1-LED 5均不亮。当QM-N10处在一定的可燃气体浓度中时,其A-B 两端电极电阻变得很小,这时7脚端存在一定的电压0.18V ,使得相应的发光二极管点亮。如果可燃性气体的浓度越高,则LED 1-LED 5依次被点亮的只数越多。
参考文献
图解电子电路基础系列《传感器入门》(孙惠芹 刘南平 张材中编)科学出版社
张亚凡 邓洪敏编)清华大学出版社
《传感器与检测技术》(徐科军主编 马修水 李晓林等副主编 王化祥主审)电子工业出版社