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* * 11.4 气敏传感器 第11章 其他传感器 烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器 11.4 气敏传感器 接触燃烧式气敏元件 金属氧化物半导体气敏元件 氧化锆气敏元件 工作原理、主要类型及应用 一、接触燃烧式气体传感器 1、检测原理 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。 发热量与可燃性气体的浓度有关。 空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应(燃烧)产生的反应热量(燃烧热)愈多，铂丝的温度变化(增高)愈大，其电阻值增加的就越多。 只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值(ΔR)，就可检测空气中可燃性气体的浓度。 使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。 接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路 F1是检测元件； F2是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起的偏差。 工作时，要求在F1和F2上保持100mA～200mA的电流通过，以供可燃性气体在检测元件F1上发生氧化反应(接触燃烧)所需要的热量。 A F2 F1 M R1 R2 C B D W2 W1 E0 当检测元件F1与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用(燃烧)，释放出热量，使得检测元件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不再平衡，在A、B间产生电位差E。 A F2 F1 M R1 R2 C B D W2 W1 E0 触媒 Al2O3载体 Pt丝 元件 (0.8-2)mm (b)敏感元件外形图 接触燃烧式气敏元件结构示意图 (a)元件的内部示意图 2、接触燃烧式气敏元件的结构 二、半导体气体传感器 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。 1、半导体气敏元件的特性参数 （1）气敏元件的电阻值 （2）气敏元件的灵敏度 （3）气敏元件的加热电阻和加热功率 （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。 （2）气敏元件的灵敏度 是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表示气体敏感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）与被测气体浓度之间的依从关系。 表示方法有三种 （a）电阻比灵敏度K （b）气体分离度 （c）输出电压比灵敏度KV （a）电阻比灵敏度K Ra—气敏元件在洁净空气中的电阻值； Rg—气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值 （b）气体分离度 RC1—气敏元件在浓度为C1的被测气体中的阻值： RC2—气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。通常，C1＞C2。 （c）输出电压比灵敏度KV Va:气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出； Vg:气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出 （3）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。 2、烧结型SnO2 SnO2气敏元件 SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。 烧结型应用最广泛性。 其敏感体用粒径很小(平均粒径≤１μm)的SnO2粉体为基本材料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为原料。 主要用于检测可燃的还原性气体，其工作温度约300℃。 根据加热方式，分为直接加热式和旁热式两种。 （1）直接加热式SnO2气敏元件(直热式气敏元件) 内热式气敏器件结构及符号 1 2 3 4 SnO2烧结体 加热极兼电极 (a)结构 4 3 2 1 (b)符号 （2）旁热式SnO2气敏元件 电极 加热器 瓷绝缘管 旁热式气敏器件结构及符号 SnO2烧结体 1 2 3 4 5 6 （a）结构 （b）符号 三、氧化锆氧气传感器 固体电解质是具有离子导电性能的