气敏电阻传感器的应用

1.MQN型气敏电阻

所谓还原性气体，就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。

测量还原性气体的气敏电阻一般由Sn O2、Zn O或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂及其他添加剂，按一定比例烧结而成。表2－3所示为几种国产气敏电阻的主要特性。图2－28所示为MQN型气敏电阻的结构及测量转换电路。

表2－3 几种国产气敏电阻的主要特性

MQN型气敏半导体器件是由塑料底座、电极引线、不锈钢网罩、气敏烧结体以及包裹在烧结体中的两组铂丝组成。一组铂丝为工作电极，另一组为加热电极兼工作电极。

气敏电阻工作时必须加热到200℃～300℃，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）。

气敏电阻的基本测量转换电路如图2－28（c）所示，E为加热电源，Ei为测量电源。电路中气敏电阻值的变化引起电路中电流I0的变化，输出电压（信号电压）由RL上得出。

图2－28 MQN型气敏电阻的结构及测量转换电路

（a）气敏烧结体；（b）气敏电阻外形；（c）基本测量转换电路1—引脚；2—塑料底座；3—烧结体；4—不锈钢网罩；5—加热电极；6—工作电极；7—加热回路电源；8—测量回路电源

气敏半导体的灵敏度较高，在被测气体浓度较低时有较大的电阻变化，而当被测气体的浓度较大时，其电阻率的变化逐渐趋缓，有较大的非线性。这种特性较适用于气体的微量检漏、浓度检测或超限报警。控制烧结体的化学成分及加热温度，可以改变它对不同气体的选择性。例如，制成煤气报警器，可对居室或地下数米深处的管道漏点进行检测；还可以制成酒精检测仪，以防止酒后驾车。目前，气敏电阻传感器已广泛用于石油、化工、电力、家居等各种领域。图2－29所示为MQN型气敏电阻对不同气体的灵敏度特性曲线。

图2－29 MQN型气敏电阻对不同气体的灵敏度特性曲线

2.二氧化钛氧浓度传感器

半导体材料二氧化钛（Ti O2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。上述过程是可逆的，当氧气浓度下降时，氧原子析出，电阻值减小。

图2－30所示为于汽车或燃烧炉排放气体中的氧浓度传感器结构及测量转换电路。二氧化钛气敏电阻与补偿热敏电阻同处于陶瓷绝缘体的末端。当氧气含量减少时，RTi O2的阻值减小，Uo增大。

在图2－30（b）中，与Ti O2气敏电阻串联的热敏电阻Rt起温度补偿作用。当温度升高时，Ti O2气敏电阻的阻值会逐渐减小，只要Rt也以同样的比例减小，根据分压比定律，Uo不受温度影响，减小了测量误差。事实上，Rt与Ti O2气敏电阻是半导体材料制作的，只不过是Rt用陶瓷密封起来，以免与燃烧尾气直接接触。

图2－30 二氧化钛（Ti O2）氧浓度传感器结构及测量转换电路

（a）结构；（b）测量转换电路1—外壳 （接地）；2—安装螺栓；3—搭铁线；4—保护管；5—补偿电阻；6—陶瓷片；7—Ti O2气敏电阻；8—进气口；9—引脚

Ti O2气敏电阻必须在100℃以上的高温下才能工作。汽车之类的燃烧器刚启动时，排气管的温度较低，Ti O2气敏电阻无法工作，所以还必须在Ti O2气敏电阻外面套一个加热丝（图2－30中未画出），进行预热，以激活Ti O2气敏电阻。

3.气体报警器

该类仪器是对泄露气体达到危险值时自动进行报警的仪器。图2－31所示为一种简单的家用气体报警器电路，气敏电阻采用测试回路高压的直热式气敏元件TGS109。当室内可燃性气体增加时，气敏元件因接触到可燃性气体而降低阻值，这样流回回路的电流就增加，直接驱动蜂鸣器进行报警。

图2－31 家用气体报警器电路

设计报警时应注意选择开始报警浓度，既不要过高也不要过低。选高了，灵敏度低，容易造成漏报，起不到报警的目的；选低了，灵敏度过高，容易造成误报。一般情况下，对于甲烷、丙烷、丁烷等气体，都选择在爆炸的下限的1／10。对于家庭用报警器，考虑到温度、湿度和电源电压的影响，开始报警浓度应有一定的范围，出厂前按标准条件调整好，以确保环境条件变化时，不至于发生误报和漏报。

使用气体报警器时，可根据使用气体的种类不同，分别安放在易检测气体泄漏的地方，如丙烷、丁烷气体报警器，安放于气体源附近地板上方20cm以内；甲烷和一氧化碳报警器，安放于气体源上方靠近天棚处。这样就可以随时检测气体是否漏气，一旦泄漏的气体达到一定危险程度，便会自动产生报警信号，进行报警。