气敏电阻传感器的原理及应用
电子仪表Z101 段志达学号：104662
气敏电阻传感器就是一种将检测到的气体的成分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，人们往往会接触到各种各样的气体，需要对它们进行检测和控制。比如化工生产中气体成分的检测与控制；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；燃烧情况的检测与控制等等。
一、器皿电阻的工作原理及其特性
气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化这一机理来进行检测的。人们发现某些氧化物半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、Ni O、BaTiO3等都具有气敏效应。
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；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。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。
以SnO2气敏元件为例，它是由0.1--10um的晶体集合而成，这种晶体是作为N型半导体而工作的。在正常情况下，是处于氧离子缺位的状态。当遇到离解能较小且易于失去电子的可燃性气体分子时，电子从气体分子向半导体迁移，半导体的载流子浓度增加，因此电导率增加。而对于P型半导体来说，它的晶格是阳离子缺位状态，当遇到可燃性气体时其电导率则减小。
图4.42所示为典型气敏元件的阻值一浓度关系。可以看出，元件对不同气体的敏感程度不同，如对乙醚、乙醉、氢气等具有较高的灵敏度，而对甲烷的灵敏度较低。一般地，随着气体的浓度增加，元件阻值明显增大，在一定范围内，呈线性关系。
二、气敏电阻器主要参数
(1)加热功率。它是加热电压与加热电流的乘积。
(2)允许工作电压范围。在保证基本电参数的情况下，气敏电阻工作电压允许变化范囤。
(3)工作电压。它是指工作条件下，气敏电阻两极间的电压。
(4)加热电压。它是指加热器两端的电压。
(5)加热电流。它是指通过加热器的电流。
(6)灵敏度。它是指气敏电器在最佳工作条件下， ON3133接触气体后其电阻值随气体浓度变化的特性。如果采用电压测量法，其值等于接触某种气体前后负载电阻上电压降之比。
(7)响应时间。气敏电阻器在最佳工作条件下，接触待测气体后，负载电阻的电压变化到规定值所需的时间。
(8)恢复时间。气敏电阻器在最佳工作条件下，脱离被测气体后，负载电阻上电压恢复到规定值所需要的时间。
三、半导体气敏器件的应用
半导体气敏器件由于具有灵敏度高, 响应时间和恢复时间快, 使用寿命长及成本低等优点, 所以自从它实现商品化以后, 得到了广泛的应用。按其用途可分为以下几种类型: 检漏仪、报警器、自动控制仪器和测试仪器等。气敏器件在电路中是作为气电转换器件而应
用的, 各种应用电路, 都必须从气敏器件获得信号,其信号的取出有以下几种类型。
( 1) 利用吸附平衡状态稳定值取出信号
气敏器件接触被检测气体后, 气敏器件电阻将随气体种类和浓度而变化, 最后达到平衡, 器件电阻变为该气体浓度下的稳定值。利用这一特性, 在器件电阻稳定后取出信号, 可以设计各种电路。这是一种常用的取出信号的方法, 现在使用的大部分, 都采用这种方法。
( 2) 利用吸附平衡速度取出信号
气敏器件表面对气体吸附平衡速度, 因气体不同而有差异, 因此在不同时刻, 器件电阻具有不同值。利用这一特性, 可以设计在不同时刻取出信号,以检测气体的电路。
( 3) 利用吸附平衡值与温度的依存性取出信号
气敏器件表面对气体的吸附, 强烈地依存于其工作温度, 并且每种气体都有特定的依存系。利用这种特性, 可以设计器件在不同工作温度下, 取出信号的应用电路。在混合气体中, 可以对特定气体进行选择性检测。下面以家用气体报警器为例, 说明气敏传感器在实际生活中的应用。图是用QM- N5 型气敏器件的家用气体报警器电路。该电路由交流220 V 电压供电, 经C1 降压后, 输入给桥式整流电器, 整流后的电压经C2 滤波,D W 稳压管稳压, 输出6V 直流电压。该电压一方面供给QM- N5 型气敏器件加热丝加热, 另一方面供给晶体管V1、V2 组成的开关电路和T3 ~ T6 组成的报警声响电路。调节R3 可使QM- N5 型气敏器件获得最佳的加热电压值。QM- N5 与R4、W1 组成报警信号取样电路, 调节电位器W1 可调整报警器的
报警点。当气敏器件接触可燃性气体达到报警点浓度时, QM- N5 型气敏器件的阻值降低, 电位器W1两端电压升高, 使V1 由截止转为导通状态, R5 两端电压升高又使V2 导通, 经R7 输出直流电压报警器声电响路, 发出报警声响。
