第10章气敏传感器及其应用
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。
气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。它的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。
它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。
气敏传感器的实物如图10-1所示。
图10-1 气敏传感器实物图
10.1气敏电阻
气敏电阻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。
10.1.1气敏传感器的工作原理
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（氧化锡）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。象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。
目前国产的气敏元件有两种。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。
10.1.2 常用的气敏传感器
常用气敏传感器见表10-1所示：
表10-1 常用气敏传感器类型、原理、检测对象和特点对比明细表
10.2 QM-N5气敏传感器介绍
QM-N5型气敏元件是以金属氧化物SnO2为主体材料的N型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。
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。
主要特点：
1、 用于可燃性气体的检测（CH4、C4H10、H2等）
2、 灵敏度高
3、 响应速度快
4、 输出信号大
5、 寿命长，工作稳定可靠
10.2.1 QM-N5气敏传感器外形和引脚介绍
QM-N5气敏传感器外形和引脚如图10-2所示
A
B
f f
a 实物图
b 引脚图
图10-2 QM-N5气敏传感器实物和引脚图
其中：a 为实物图、b 为引脚图。 图b 中：
1脚和3脚并联，记做B
4脚和6脚并联，记做A
2脚记做f ’、5脚记做f ，f ’—f 之间接加热电源。 A 、 B 作为输出端 具体连线如图10-3所示
A
B
图10-3 QM-N5气敏传感器连线图
特别提示：QM-N5气敏传感器输出信号为模拟信号，如果和单片机连接时必须将其转换成数字信号。
10.2.2 QM-N5气敏传感器主要参数和技术指标
1、主要参数
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
2、技术指标
主要技术指标如表10-2所示
表10-2 QM-N5气敏传感器主要技术指标
表中：PPM用溶质质量占全部溶液质量的百万分比来表示的浓度,也称百万分比浓度。ppm就是百万分率或百万分之几。
百万分率＝百分率/10 000
10.2.3 QM-N5气敏传感器使用方法及注意事项
1、元件开始通电工作时,没有接触可燃性气体,其电导率也急剧增加1分钟后达到稳定,这时方可正常使用,这段变化在设计电路时可采用延时处理解决.
2、加热电压的改变会直接影响元件的性能,所以在规定的电压范围内使用为佳.
3、元件在接触标定气体1000ppm C4H10后10秒以内负载电阻两端的电压可达到(V dg- V a)差值的80%(即响应时间);脱离标定气体1000ppm C4H1030秒钟以内负载电阻两端的电压下降到(V dg- V a)差值的80%(即恢复时间).
4、符号说明
检测气体中电阻- R dg 检测气体中电压- V dg
R dg与V dg的关系: R d g=R L(V C/V dg-1)
5、负载电阻可根据需要适当改动,不影响元件灵敏度.
6、使用条件:温度-15~35℃;相对湿度45~75%RH;大气压力80~106KPa
7、环境温湿度的变化会给元件电阻带来小的影响,当元件在精密仪器上使用时,应进行温湿度补偿,最简便的方法是采用热敏电阻补偿之.
8、避免腐蚀性气体及油污染,长期使用需防止灰尘堵塞防爆不锈钢网.
9、元件六脚位置可与电子管七角管座匹配使用.
10、使用元件前请详细参看本说明.
10.3 模拟量与数字量的转换（即A/D转换）
在工业控制和智能化仪表中，常用单片机进行实时控制及实时数据处理。单片机所加工的信息都是数字量，而被控制或测量对象的有关参量往往是连续变化的模拟量，如温度、压力、流量等，通过传感器将这些信号转换成模拟电信号。单片机要处理这种信号，首先必须将模拟量转换成数字量，这一转换过程就是模—数转换，实现模/数转换的设备称为A/D 转换器或ADC。
在前面讲到，QM-N5气敏传感器输出信号是模拟信号，和单片机连接时必须先将其转换成数字信号。这里介绍一种新型串行模/数转换器---- TLC1543
10.3.1 A/D转换转换相关知识
A/D 转换电路种类很多，在选择模/数转换器时，主要考虑以下的一些技术指标：转换时间和转换频率、量化误差与分辨率、转换精度、接口形式等。
常用并行A/D 转换电路有8位的ADC0800系列、并行A/D 转换电路有10位的ADC1000系列、并行A/D 转换电路有12位的ADC1200系列。
由于并行A/D 转换电路占用较多的硬件资源，为了节省硬件资源，目前较为流行的A/D 转换器件有很多都采用了串行接口，这使得这类芯片与单片机的硬件连接非常简单，而软件编程相对要复杂一些，下面，我们以TI 公司的TLC1543 为例，介绍这类芯片的相关知识。
10.3.2 TLC1543 引脚介绍
TLC1543 是由TI 公司开发的开关电容式AD 转换器，该芯片具有如下的一些特点：10 位精度、11 通道、三种内建的自测模式、提供EOC（转换完成）信号等。该芯片与单片机的接口采用串行接口方式，引线很少，与单片机连接简单。
TLC1543 的引脚示意图如图10-4所示，其中：
A0~A10 是11路输入。
Vcc 和GND 分别是电源引脚。
REF+和REF-分别是参考电源的正负引脚，使用时一般将REF-接到系统的地，达到一点接地的要求，以减少干扰。
CS 为片选端，如不需选片，可直接接地。
I/O Clock 是芯片的时钟端。
Address 是地址选择端。
Data Out 是数据输出端。
EOC 用于指示一次A/D 转换已完成，CPU 可以读取数据，该引脚是低电平有效，根
据需要，该引脚可接入CPU 的中断引脚，一旦数据转换完成，向CPU 提出中断请求；此外，也可将该引脚接入一个普通的I/O 引脚，CPU 通过查询该引脚的状态来了解当前的状态，甚至该引脚也可以不接，在CPU 向TLC1543发出转换命令后，等待一段固定的时间去读取数据即可。
图10-4 TLC1543 的引脚示意图
详细操作见表10-3所示
10.3.3TLC1543时序介绍
本器件可以用6种基本的串行接口时序方式。这些方式取决于I/OCLOCK的速度与/CS 的工作, 这六种方式见表10-4所示：
表10-4 TLC1543的6种工作方式
其中：
方式1为具有10时钟和/CS在转换周期无效的快速转换方式。
方式2为具有10时钟和/CS连续有效（低）的快速转换方式。
方式3为具有11~16时钟和/CS在转换周期无效（高）的快速转换方式
方式4为具有16时钟和/CS连续有效（低）的快速转换方式。
方式5为具有11~16时钟和/CS在转换周期无效的慢速转换方式。
方式6为具有16时钟和/CS连续有效（低）的慢速转换方式。
需要说明的是所用串行时钟脉冲的数目也取决于工作的方式，从10个到16个不等，但要开始进行转换，至少需要10个时钟脉冲。在第10个时钟的下降沿EOC 输出变低，而当转换完成时回到逻辑高电平。需要进一步说明的是：如果I/O CLOCK的传送多于10个时钟，在第10个时钟的下降沿内部逻辑也将DA TAOUT变低以保证剩下的各位的值是零。
转换开始于第4个I/O CLOCK的下降沿之后，片内转换器对采样值进行逐次逼近式A/D 转换，其工作由I/O CLOCK 同步了的内部时钟控制。转换结果锁存在输出数据寄存器中，待下一个I/O CLOCK周期输出。
下面以方式1为例介绍TLC1543的时序。
在这种方式中，在串行I/O CLOCK传送期间/CS无效（高），并且每次传送10个时钟。/CS的下降沿使DAT OUT脱离高阻状态并启动一次I/O CLOCK的工作过程，/CS的上升沿将终止这个过程并在规定的延迟时间内使DATA OUT回到高阻状态。同时，/CS的上升沿经过一个设置时间加两个内部系统时钟的下降沿后禁止I/O CLOCK和ADDRESS端。
TLC154的工作由/CS使能或禁止。工作时/CS必须为低，/CS 被置高时I/O CLOCK 和ADDRESS被禁止以及DATA OUT 为高阻状态。
方式1是一种具有10时钟和/CS在转换周期的无效（高）的快速转换方式，/CS下降沿使DATA OUT 引脚脱离高阻抗状态并启动一次I/O CLOCK 的工作过程。上一次转换结果的MSB出现在DATA OUT的下降沿，以MSB 前导方式从DATA OUT 口输出数据，在前4个I/O CLOCK的上升沿将下一次转换模拟通道地址打入ADDRESS 端。整个构成需要10个时钟周期。
TLC1543模拟/数字转换器时序详见图10-5所示：
图10-5 TLC1543模拟/数字转换器时序详图
10.3.4 TLC1543的地址
在I/O CLOCK的前4个上升沿将ADDRESS端呈现的下一个转换周期的4位模拟通道选择
位（MSB在前）输入地址寄存器。这个地址选择14个输入（11路模拟输入,3 路内部测试电压）中的一个。
表10-5为11路模拟输入通道对应的地址。
表10-6为3路内部测试电压通道对应的地址。
表10-5 11路模拟输入通道对应的地址。
表10-6 3路内部测试电压通道对应的地址单极性输出结果
10.4单片机与TLC1543连接
以目前应用广泛的8051单片机为例进行电路设计。
10.4.1 硬件连线
图10-5单片机与TLC1543连接图10.4.2 程序设计
EOC BIT P1.4
I/OCLOCK BIT P1.2
ADDR BIT P1.1
DATAOUT BIT P1.3
NCS BIT P1.0
ADDRESS EQU 25H ；存放地址
ADH EQU 26H ；存放转换结果的高字节ADL EQU 27H ；存放转换结果的低字节
ORG 0000H
AJMP START
ORG 0100H
START: CLR EOC ；清除转换标志
MOV SP,#70H ；设置栈指针
MOV P1,#0FFH ；置P1口输入方式
MOV IE,#00H ；关中断
NEXT: CLR I/OCLOCK ；时钟端清零
MOV ADDRESS,#00H；设置通道0
JNB EOC,$ ；等待上次转换结束
MOV A,#0 ；将存放结果单元清零
MOV ADH,A
MOV ADL,A
ACALL XDDS ；调用子程序
JNB EOC,$ ；等待转换结束信号
MOV A,ADH ；保存数据的高字节
MOB B,ADL ；保存数据的低字节
JMP NEXT ；进入下一轮写地址和读数据XDDS: SETB NCS ；置片选信号无效
CLR NCS ；置片选信号有效
MOV R0,#2 ；读D9、D8数据和写高2位地址XDDS1: MOV A,ADH
MOV C,DATAOUT
RLC A
MOV ADH,A
MOV A,ADDRESS
RLC A
MOV ADDR,C
MOV ADDRESS,A
SETB I/OCLOCK
NOP
CLR I/OCLOCK
DJNZ R0,XDDS1
MOV R0,#2 ；读D7、D6数据和写低2位地址XDDS2: MOV A,ADL
MOV C,DATAOUT
RLC A
MOV A,ADL
MOV A,ADDRESS
RLC A
MOV ADDR,C
MOV ADDRESS,A
SETB I/OCLOCK
NOP
CLR I/OCLOCK
DJNZ R0,XDDS2
MOV R0,#6 ；读D5、D4、D3、D2、D1、D0数据
XDDS3: MOV A,ADL
MOV C,DATAOUT
CPL A
MOV ADL,A
SETB I/OCLOCK
NOP
CLR I/OCLOCK
DJNZ R0,XDDS3
SETB NCS
RET
END
10.5家用单片机天然气泄漏报警器
随着天然气在城市的普及应用，给人们的生活带来了极大的便利。任何好的东西都有其负面的因素，如果使用不当也会给城市人们带来灾难。当出现天然气泄漏时如果不被察觉那灾难将是毁灭性的。当然如果能够得到及时报警就会可以做到防范于未然。解决的办法是厨房加装防天然气泄漏报警器。
10.5.1 单片机天然气泄漏报警器硬件连接
通过前面４节的学习和具备单片机相关知识的情况下，设计一个天然气泄漏报警器已经变得十分方便。下面是一个天然气泄漏报警器应用实例。其硬件连接图如图10-6所示.
图10-6 单片机天然气泄漏报警器硬件连接图
图中:
传感器采用10.2中介绍的QM-N5气敏传感器，由于该传感器在检测到有天然气泄漏时发出的是模拟量的电压信号，在和单片机连接时必须经过模拟/数字转换。为了实现单片机控制，这里采用由10.3中介绍的串行输出的模拟/数字转换器TLC1543。由TLC1543的0通道输入传感器发出的模拟量，经过转换后输送给单片机作为报警依据，再由单片机发出报警信号。
将TLC1543的EOC、I/OCLOCK、ADDRESS、DATAOUT、/CS分别与单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4连接，由单片机产生控制转换过程需要的时钟信号、控制信号和转换数据的获得。根据有无天然气泄漏决定报警器是否报警。
报警声响是由单片机产生固定频率的信号，经过P0.0输出到三极管C9013放大后驱动报警器发出报警声响。
10.5.2 应用程序设计
1、程序流程图
单片机天然气泄漏报警系统程序流程图如图10-7所示：
主程序中断子程序
图10-7 单片机天然气泄漏报警系统程序流程图
程序设计思路是：
1）、主程序的任务是完成中断管理、工作单元初值、输入输出口状态设置等等的初始化；发送TLC1543转换的口地址；启动转换；获取转换后的数据；判断是否有泄漏现象；启动报警器工作等。
2）、中断子程序的功能是产生1kHz的音频信号供报警器发出报警声响。由于将T0设置成方式1，故每次中断时一定要恢复定时器初值。
2、程序清单
EOC BIT P1.4
I/OCLOCK BIT P1.2
ADDR BIT P1.1
DATAOUT BIT P1.3
NCS BIT P1.0
ADDRESS EQU 25H ；存放地址
ADH EQU 26H ；存放转换结果的高字节
ADL EQU 27H ；存放转换结果的低字节
ORG 0000H
AJMP START
ORG 000BH
INT: PUSH ACC
PUSH PSW
MOV TL0,#18H
MOV TH0,#0FCH
CPL P0.0
POP PSW
POP ACC
RETI
ORG 0100H
START: CLR EOC ；清除转换标志
MOV SP,#70H ；设置栈指针
MOV P1,#0FFH ；置P1口输入方式
MOV TL0,#18H ；置定时器T0初值 MOV TH0,#0FCH
MOV IE,#82H ；开中断
NEXT: CLR I/OCLOCK ；时钟端清零
MOV ADDRESS,#00H；设置通道0
JNB EOC,$ ；等待上次转换结束
MOV A,#0 ；将存放结果单元清零 MOV ADH,A
MOV ADL,A
ACALL XDDS ；调用子程序
JNB EOC,$ ；等待转换结束信号 MOV A,ADH ；保存数据的高字节 MOB B,ADL ；保存数据的低字节
ANL A,#03H ；保留D9、D8位
CJNE A,#00H,NEXT1
MOV A,B
CJNE A,#00H,NEXT1
CLR TR0 ；关中断
AJMP NEXT ；进入下一轮写地址和读数据NEXT1: SETB TR0
AJMP NEXT
XDDS: SETB NCS ；置片选信号无效
CLR NCS ；置片选信号有效
MOV R0,#2 ；读D9、D8数据和写高2位地址XDDS1: MOV A,ADH
MOV C,DATAOUT
RLC A
MOV ADH,A
MOV A,ADDRESS
RLC A
MOV ADDR,C
MOV ADDRESS,A
SETB I/OCLOCK
NOP
CLR I/OCLOCK
DJNZ R0,XDDS1
MOV R0,#2 ；读D7、D6数据和写低2位地址XDDS2: MOV A,ADL
MOV C,DATAOUT
RLC A
MOV A,ADL
MOV A,ADDRESS
RLC A
MOV ADDR,C
MOV ADDRESS,A
SETB I/OCLOCK
NOP
CLR I/OCLOCK
DJNZ R0,XDDS2
MOV R0,#6 ；读D5、D4、D3、D2、D1、D0数据
XDDS3: MOV A,ADL
MOV C,DATAOUT
CPL A
MOV ADL,A
SETB I/OCLOCK
NOP
CLR I/OCLOCK
DJNZ R0,XDDS3
SETB NCS
RET
END
练习10
图10-6中，当出现天然气泄漏时只有声音报警，为了安全起见，请帮主人加装一套光报警。
摘要 本设计采用单片机和酒敏传感器为主要核心器件，酒精检测仪是通过电压频率转换将酒敏传感器传出的电压值转换成数字量，经单片机系统对传感器输出的非线性进行查表式校正、译码后，用软件将被测量的最大值保留并最终显示。着重介绍了该仪器的工作原理及性能特点。 本文介绍了气敏传感器检测气体的工作原理，详细讲述了系统的组成、原理和检测方法。系统采用硬件兼软件对测量过程及测量结果进行处理。与传统的检测技术相比，此种传感器检测装置有结构简单、新颖、易于实现的特点。 【关键词】 酒精检测仪8039单片机非线性校正酒敏传感器
目录 一.设计目的 (1) 1.1设计背景 (1) 二.设计任务与要求 (1) 2.1设计任务 (1) 2.2 设计要求 (3) 三.设计步骤及原理分析 (3) 3.1设计方法 (3) 3.2设计步骤 (4) 3.3设计原理分析 (5) 四.课程设计小结与体会 (7) 五. 参考文献 (8)
一.设计目的 各行各业的工作，例如机动车驾驶员酗酒后开车以及从事危险工作行业的人员酗酒后操作，都会造成严重的事故。用简便、准确、卫生的检测仪器进行检测，对违章饮酒者进行重罚，促使每个人增强遵章守纪的意识，消除隐患，对减少因酗酒造成的事故具有很大的意义。根据人呼出气体中乙醇的含量来确定酗酒的标准，从医学的角度看是可行的。人体摄入乙醇越多，血液中乙醇的溶解量就越大，从肺部呼出气体中乙醇的含量就越高。根据医学上对人饮酒的血醇含量的试验结果进行分析就可以确定酗酒的标准。而酒精的即时检测，有助于社会各方面的安全，特别是交通的安全。 二.设计任务与要求 2.1设计任务 系统的设计要求考虑到方方面面。本系统各个重要方面，如两个方面： 1.呼出气体的测量方法 对人呼出气体的测量不同于对其它气体的测量。因为人呼出一口气的时间仅一秒种左右，而且传感器感受到的乙醇气体浓度有一个从低到高再到低的过程，在这个过程中，浓度有一个最大值。 2.数据的显示方法 如果采用即时显示，检测者在短短的一秒钟内既要观察被检 1
气体传感器在工业安全领域的应用(一) 2016-02-01 10:23:24 气体传感器在工业安全领域的销量是最大的，产值大约占到60%。工业安全类的传感器的全球出货量约500万只。 工业安全的分类比较多，凡是有可能产生气体爆炸、窒息或中毒的场合都会用到，这些场合包括：煤矿、天然气、钢铁厂、石油开采、炼化、空气分离、石油化工、煤化工、氨化工等。 最近十年，中国煤矿的产能大增，随着矿难的频发，国家在煤矿安全上颁布了大量的法规和行政命令，因此用在煤矿里的气体传感器数量快速增长。主要需要检测的气体是甲烷、一氧化碳和硫化氢。甲烷传感器的用量每年约100万只，CO传感器约10万只，H2S传感器约1万只。因为雾霾天和燃煤之间关系密切，国家从环保战略考虑，要求减少燃煤。因此，从2013年下半年开始，矿用仪表企业的产品销售量呈现下跌趋势。到目前为止，还看不到缓解的趋势。 天然气行业却得益于国家的环保战略。燃煤消减的这部分能源供给，需要天然气、核电、风电、太阳能发电来填充，其中绝大部分需要天然气来填充。天然气行业所需要的检测的气体包括：甲烷、一氧化碳、硫化氢、氧气。天然气行业利润较高，因此可以接受的安全仪表价格也较高，性能要求也较高。天然气管道沿线都会有加压站、每个加压站内几乎都会配红外原理的CH4检测仪表。每个加压站之间的距离少则1、2公里，多则7、8公里，因此计算一下中国天然气管道就知道大概需要多少仪表了。除了管道，沿海的LNG船只的接气站也需要配置大量的气体监测仪表。随着燃气商用车的大量推广，车载的低成本天然气监测仪表的需求也是会有爆发式增长的。 气体传感器在工业安全领域的应用(二) 2016-02-01 10:23:42 在石油开采、除杂质、运输的过程中也会用到大量气体检测仪表和传感器。石油成分很复杂，不仅含有大量液态烃，还含有水、泥沙、甲烷CH4、一氧化碳CO、硫化氢H2S，以及挥发出来的有机物气体VOC。石油工业安全隐患有两点，一是爆炸和燃烧，二是毒气扩散导致人体中毒。所用到的传感器包括: 1. 催化燃烧原理和红外原理的CH4传感器，全中国所用到的量大约20万只，用在固定表和便携表中。 2. 电化学原理的CO和H2S的用量差不多，各5万只左右。 3. 测VOC主要靠光离子化传感器PID。和石油炼化、化工合并在一起，销量约5千只。 现如今，石油最主要的用途还是提炼成汽油、煤油、航空煤油、柴油，这个产业叫炼化。在提炼的过程中，石油裂解的成分非常复杂，而且还有加氢H2工艺。因此，所需要测的气体包括CH4、H2、CO、H2S、乙烷C2H6、乙烯C2H4、丙烯C3H6，和很多种VOC。提炼完成的油品需要大型的储油罐储存，为提供漏油预警，在储油罐和管线周边都要安装气体监测仪。油品的挥发性各不相同:汽油挥发性最强、柴油较弱、航空煤油最弱。要侦测到油品的泄露，最理想的还是用能够检测到PPB——PPM级别VOC的PID，但价格也是最贵。 气体传感器在工业安全领域的应用(三) 2016-02-01 10:24:00 钢铁冶金是气体传感器应用的大户，所用到的传感器种类不多，但数量较大。
第四章力敏传感器 教学目标： 1．了解弹性敏感元件的特性和要求。 2．了解几种常用测力称重传感器的特点、 3．掌握电阻应变效应及半导体的压阻效应 4．了解电桥电路的作用。 5．掌握单臂、双臂和全桥测量电路的异同点。 6．理解压电式传感器的工作原理。了解它的特点。 7．了解它们的应用。 力敏传感器是使用很广泛的一种传感器。它是生产过程中自动化检测的重要部件。它的种类很多，有直接将力变换为电量的如压电式、压阻式等，有经弹性敏感元件转换后再转换成电量的如电阻式、电容式和电感式等。它主要用于两个方面：测力和称重。本章介绍电阻应变式传感器、压阻式和压电式传感器。 §4-1（传感器中的）弹性敏感元件 一、弹簧管压力表的组成：（如图4-1） 图4-1弹簧管压力表的组成框图 弹簧管——弹性敏感元件：将输入压力转换成自身的变形量（应变、位移或转角）。 二、弹性元件的基本特性： 1．变形：物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象。 2．弹性：物体因受外力作用而产生变形，外力去掉后又恢复原状的特性。3．弹性元件：具有弹性变形特性的物体。 4．弹性变形：弹性元件受外力作用而产生的变形。 5．弹性特性：作用在元件上的外力与相应变形（应变、位移或转角）之间的关系。 （1）刚度：弹性元件产生单位变形所需的力。 （2）灵敏度：在单位力作用下弹性元件产生的变形。 刚度和灵敏度表示了弹性元件的软硬程度。元件越硬，刚度越大，单位力作用下变形越小，灵敏度越小。 6．线性弹性元件：刚度和灵敏度为常数，作用力F与变形X成线性关系。三、弹性敏感元件的基本要求及类型： 弹性元件在传感器技术中占有极其重要的地位。它首先把力、力矩或压力转换成相应的应变或位移，然后配合各种形式的传感元件，将被测力、力矩或压力变换成电量。
传感器制作报告 基于气敏传感器的厨房火灾报警系统 摘要： 厨房是人们日常生活的重要活动场所之一。随着我国经济的飞速发展，厨房也经历了一场变革，许多市民家庭、酒楼饭店实现了厨房电气化，但同时也增加了火灾负荷。近年来因为厨房失火而造成的火灾频繁发生，不仅极大地影响了民众生活，对财产造成了极大破坏，更有可能危及人们的生命。厨房火灾的危害性不容轻视。本文基于以上考虑，通过基于气敏传感器的厨房火灾报警系统设计，旨在尽早提醒人们厨房火灾将要发生或已经发生，及早发现灾害，进行灭火措施的操作，避免火灾的发生，尽量减少其危害。该报警系统适用于一般家庭厨房、酒楼饭店较大型的厨房。 Abstract: Kitchen is one of the most important activity places in people’s life.Along with the rapid development of China's economy, kitchens are also experiencing a great change. While many families and restaurants are kitchen-electrification realized, the fire load are also increased. In recent years, fire happened in the kitchen occurs frequently, which not only greatly influence the public, leading to great loss of property, but alse endanger people's life. The damange of kitchen-fire can’t be ignored. According to the considerations mentioned above, the Design of Kitchen-fire Alarming System based on Gas Sensors, aims to alarm people the disaster of fire , trying to minus the damage. This alarming system is suitable for kitchens in normal families, as well as large kitchens in restaurants and hotels. 关键词： 厨房火灾气敏传感器报警系统 Key Words： Kitchen-Fire Gas Sensor Alarming System 一、绪论 火灾自动报警系统属于自动化范畴，是当前楼宇自动化的一个主要构成系统。其设置目的是为了防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。火灾报警技术是预防火灾的一项基础工作，应用范围广泛。报警早，损失少，不仅对发生火灾的单位和个人具有重要作用，而且对公安消防监督机构及时扑灭火灾、减少人员伤亡和财产损失同样具有十分重要的现实意义。 二、设计思路 火灾自动报警系统主要由探测器（传感器）、报警器、排气装置三部分组成。探测器主要对是否有火灾发生进行判断，判断标准为火灾参数：烟雾浓度、有毒气体浓度、光、火焰辐射、温度等。 在确认火灾发生后，通过报警器产生信号，如声音、灯光等方式告知人已有火灾发生。 具体设计思路如下： （1）探测器
模块二 力敏传感器及其应用练习题 一、填空题： 1、根据电容式传感器的电容量为d S C ε=可知，可分为 、 __和 三种 类型。电容式和电感式传感器常用 结构，以提高灵敏度，减小非线性。 2、用某直流电桥测量电阻Rx （注：Rx 和R3为相对桥臂电阻，R2和R4为另一对相对桥臂 电阻），三个桥臂电阻值分别为R2=50Ω, R3=100Ω，R4=25Ω，当电桥平衡时，则电阻Rx= 。 3、当压电式加速度计固定在试件上而承受振动时，质量块产生一可变力作用在压电晶片上， 由于 效应，在压电晶片两表面上就有 产生。 4、电阻应变片的测量电路主要有直流电桥和交流电桥，其中直流电桥中又有单臂电桥 和 。 5、电容式传感器利用电容器的原理，将非电量转换成 。电容式传感器可分为变 极距式、变面积式、 。 6、某些电介质当沿一定方向对其施力而变形时内部产生极化现象，同时在它的表面产生符 号相反的电荷，当外力去掉后又恢复不带电的状态，这种现象称为 ；在介质极化 方向施加电场时电介质会产生形变，这种效应又称 。 7、采用 电源供电的电桥称为交流电桥。 8、用于制作压电传感器的常用压电材料是 、 、 。 9、电感式传感器可分为 、 和电涡流三大类。 10、变面积电容传感器的输出特性是 的，因此灵敏度是常数。 11、用电涡流传感器探测地雷属于 测量。 12、自感式传感器常见的形式有变隙式，变面积式、 。 13、电容式传感器可分为 、 和 三种。 14、差动式电感传感器的优点有 、 和提高传感器的稳定性。 15、将超声波转化为电信号是利用压电材料的 。 16、压电式传感器的工作原理是以晶体的 效应为理论依据。 17、电阻应变片的工作原理是基于金属的 效应。 18、压电式传感器的工作原理是以晶体的 为理论基础。 19、电容式压力传感器是变 型的。
2.3 气敏、湿敏电阻传感器 2.3.1气敏电阻 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。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。 1.气敏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、NiO、BaTiO3等都具有气敏效应。 以SnO2气敏元件为例，它是由0.1～10μm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。 气敏电阻的温度特性如图2.26所示，图中纵坐标为 灵敏度，即由于电导率的变化所引起在负载上所得到的值 号电压。由曲线可以看出，SnO2在室温下虽能吸附气体， 但其电导率变化不大。但当温度增加后，电导率就发生较 大的变化，因此气敏元件在使用时需要加温。此外，在气 敏元件的材料中加入微量的铅、铂、金、银等元素以及一 些金属盐类催化剂可以获得低温时的灵敏度，也可增强对 图2.26 气敏电阻灵敏度与温度的关系气体种类的选择性。 2.常用的气敏电阻 气敏电阻根据加热的方式可分为直热式和旁热式两种，直热式消耗功率大，稳定性较差，故应用逐渐减少。旁热式性能稳定，消耗功率小，其结构上往往加有封压双层的不锈钢丝网 防爆，因此安全可靠，其应用面较广。 （1）氧化锌系气敏电阻 ZnO是属于N型金属氧化物半导体，也是一种应用较广泛的气敏器件。通过掺杂而获 得不同气体的选择性，如掺铂可对异丁烷、丙烷、乙烷等气体有较高的灵敏度，而掺钯则对氢、一氧化碳、甲烷，烟雾等有较高的灵敏度。ZnO气敏电阻的结构如图2.27所示。这种 气敏元件的结构特点是：在圆形基板上涂敷ZnO主体成分，当中加以隔膜层与催化剂分成 两层而制成。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，通过对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。
课程设计任务书 分院（系）信息学院专业测控技术与仪器学生姓名李东宾学号1003020223 设计题目气敏传感器及其应用——酒精测试仪 内容及要求： 1）根据AT89C51及其敏传感器，设计酒精测试仪。 2）能够显示吹入气体量的大小是否合格。 3）当酒精超标时有相应报警装置。 4）测量电路应包括A/D转换器、LCD及报警电路。 要求在课程设计报告中给出： 1）装置的结构和电路原理图。 2）调试过程，说明发现的向题及处理过程。 3）分析存在的问题。 4）收获与改进方案。 进度安排： 下达任务时间： 2012年12月10日 文件检索及方案设计： 2012年12月10日——16日 写报告、答辩、原理设计及仿真： 2013年1月7日——13日 指导教师（签字）： 年月日分院院长（签字）： 年月日
成绩评定表 学生姓名李东宾班级学号1003020223 专业测控技术与 仪器课程设计题目气敏传感器及其应 用——酒精测试仪 评 语 组长签字： 成绩 日期20 年月日
目录 1、引言 (4) 2、系统总体设计方案 (4) 3、系统硬件与软件设计 (5) 3.1、硬件 (5) 3.1.1、传感器选择 (5) 3.1.2、A/D转换器 (7) 3.1.3、 MCS-51系列单片 (10) 3.1.4、LED显示电路 (12) 3.1.5、键盘电路 (13) 3.1.6、报警电路 (13) 3.2、软件设计 (13) 3.2.1、主程序框图 (14) 3.2.2、数据采集子程序程序框图 (14) 3.2.3、报警子程序程序框图 (15) 4、主要器件清单： (16) 5、系统调试与测试结果： (16) 6、测量结果分析： (17) 7、总结： (17) 参考文献： (17)
1国内外气敏传感器的产生与发展 气敏传感器又称“气体传感器”，是指利用各种化学、物理效应将气体成分、浓度按一定规律转换成电信号输出的传感器件，是化学传感器中最活跃的一种。早在20世纪30年代人们就已发现金属氧化物具有气敏效应，而半导体气敏元件则是在60年代初期研制成功的，最先研制的ZnO薄膜元件，它是利用ZnO薄膜电阻接触的可燃性气体浓度增加而下降，实现对可燃性气体检测。继而又发现在SnO2中添加Pt或Pd等贵重金属做增感剂能提高其灵敏度[1]。 日本气体传感器经过20多年的发展，其制造技术与产品水平已提高到相当水准，由日本费加罗技术研究公司规模生产的SnO2系列气敏传感器达21种规格，广泛用于11种气体的测量。在美国，氧传感器主要用于汽车发动机空/燃比控制和家用报警器。英国电气阀门公司生产的催化燃烧型气敏传感器，德国DraegerwerkAG生产的医用薄膜型气敏传感器，瑞士CerbertlsLlmited生产的火灾报警用气敏传感器等，都是世人所熟悉的[2]。 20世纪70年代中期我国开始研制金属氧化物半导体气敏传感器和钯栅MOS场效应氢敏晶体管，并开始在家用燃气报警器和电力工业变压器油变质监测上应用。近年来我国的气敏传感器技术飞速发展，全国有30多所高等院校和研究所研究开发各种类型的气敏传感器，在工艺方面引入表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺；另外新研究的AL2O3气敏材料、石英晶体和有机半导体也开始用于气敏材料。但与国外发达国家相比还有较大差距，主要体现在产品生产技术和产业化等方面。 2工作原理 气敏电阻的材料是金属氧化物，在合成材料时，通过化学计量比的偏离和杂志缺陷制成，金属氧化物半导体分N型半导体，如氧化锡、氧化锌等，P型半导体，如氧化钴、氧化铅等。为了提高某种气敏元件对某些气体成分的选择性和灵敏度，合成材料有时还掺入了钯、铂、银等催化剂。 金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体后却显示气敏特性。通常器件工作在空气中，空气中的氧和二氧化氮这样的电子兼容性大的气体，接受来自半导体材料的电子而吸附负电荷，结果使N型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电子减少，使表面电导减小，从而使器件处于高阻状态。一旦元件与被测还原性气体接触，就会与吸附的氧起反应，将氧束缚的电子释放出来，敏感膜表面电子增加，使元件电阻减小。该类气敏元件通常工作在高温状态（200～450℃），目的是为了加速上述的氧化还原反应[3]。 例如用于家庭或工业可燃性气体的检测、简陋报警器电路中所采用的MQ-5型气敏传感器就属于可燃性气敏传感器，如图1所示。它对液化气、天然气、城市煤气等具有较高的灵敏度，而对乙醇、烟雾几乎不起反应，并且具有灵敏度高，响应速度快，稳定性好，寿命长，驱动电路简单等优点。 图1MQ-5型气敏传感器 MQ-5型气敏传感器由微型氧化铝陶瓷管、氧化锌敏感层、测量电极和加热器构成。敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6个管脚，其中4个用于信号输出，2个用于提供加热电流。MQ-5型气敏传感器引脚排布图如图2所示，MQ-5型气敏传感器使用接线图（如图3所示）。 图2MQ-5型气敏传感器引脚排布图 图2中H-H表示加热极（如5V），A-A、B-B表示传感器敏感元件的两个极。 图3MQ-5型气敏传感器使用接线图 图3中“V”为传感器的工作电压，同时也是加热电压。当气敏传感器加热后，环境中的可燃气体浓度加大时，传感器的内阻将迅速减小，利用该特性结合分压原理，可知输出电压的值将逐渐增大，当超过设定的阀值时，可产生相应的操作。 3主要应用 近年来，气敏传感器的应用越来越广泛，其中最主要的任务是防止突发事故，提高生活质量，保障生产过程安全性。 3.1用于监控易燃气体泄漏和检测有害气体成分 气敏传感器主要用于测定气体浓度，当安装在厨房、工厂、矿山以及其它公共场所的气敏传感器检测到有害气体浓度达到一定值时，会给出相应信号，并发出声音报警，提醒人们注意。 3.2用于检测环境质量 在办公室、住宅、汽车、飞机等较密闭环境安装气敏传感器，一方面由于即使少量的有害气体也会对人体造成伤害，所以可用于检测环境质量；另一方面也可用于检测二氧化碳浓度是否超标，提醒人们注意通风换气。 3.3用于检测酒精气体浓度 陶瓷气敏传感器可用于分析酒精蒸汽的含量。当酒后驾驶员对准传感器检测口吹气时，由于其血液中含有一定的酒精成分，传感器中电阻会发生与酒精浓度成比例的变化，并显示相应数值。 3.4用于检测气味和食物原料分类 气味检测是气敏传感器未来的主流方向之一，最有潜力的应用领域是食品工业和医学，还有家住环境和舒适度的调节（下转第312页） 气敏传感器的研究现状及发展趋势 鲁珊珊1李立峰2 (1.内蒙古机电职业技术学院，内蒙古呼和浩特010018；2.内蒙古电力勘测设计院，内蒙古呼和浩特010018) 【摘要】本文以气敏传感器为研究对象，介绍了国内外气敏传感器的产生及现状，详细分析了气敏传感器的工作原理，阐述了主要应用领域，并最终依据现状总结出气敏传感器的未来发展趋势。 【关键词】气敏传感器；应用；发展趋 势 作者简介：鲁珊珊(1981.9—)，女，山东潍坊人，硕士，内蒙古机电职业技术学院，教师。李立峰(1981.5—)，男，山东淄博人，博士，内蒙古机电力勘测设计院。 282
气敏传感器的应用 摘要：介绍其敏传感器的现状和发展趋势。随着科技技术的发展，检测技术为重要的科技手段之一。随着微电子技术的发展和普及，传感器称为新的市场需求，对传感器的性能，用途日益有着新的要求和研究价值。 引言：随着科技的发展，针对围绕着生活和工业等周围的气体中的有害物质的测定，成为了一项重要的难题。其中其敏传感器为其中味重要的科研课题。目前的气敏传感器应用到气体探测器、烟雾报警器、虚拟嗅探犬、酒精浓度测试器等领域。 1.气敏传感器的主要特征 气敏传感器大致是为了检测气体成分和含量为目的研究的传感器。包括物理和化学方法。气敏传感器主要分为，：半导体型气敏传感器、电化学型气敏传感器、固体电解质气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器、光化学型气敏传感器、高分子气敏传感器等。还有红外吸收型、石英振荡型、光线型、热传导型、声表面波型、气体色谱法等。 电阻式半导体气敏元件是根据半导体接触到气体时其阻值的改变来检测气体的浓度；接触燃烧式气体传感器是基于强催化剂是气体在其表面燃烧时产生热量，使传感器温度上升；电容式传感器是利用敏感材料给付气体后其家电常数发生改变导致电容变化；电化学式气体传感器，主要利用两个电极之间的化学电位差，一个在气体中测量气体浓度，另一个固定的参比电极。红外吸收型传感器，当红外光通过待测气体时，这些气体分子对特定波长的红外光游戏手，其吸收关系服从朗伯比尔吸收定律，通过光强的变化测出气体的浓度。 气敏传感器的主要特征有稳定性、灵敏度、选择性、抗腐蚀性等特点。 稳定性主要表现在零点漂移区间漂移，一个传感器在连续工作条件下，每年零点漂移小于10%。灵敏度是指传感器输出变化量与被测输入变化量之比，主要取决于传感器结构所使用的技术。选择性也称为交叉灵敏度。可以通过测量由某一种浓度的干扰气体所产生的传感器响应来确定。这个响应等价于一定浓度的目标气体所产生的传感器响应。抗腐蚀性是指传感器暴露于高体积分数目标其体重的能力。 2.气敏传感器的应用 SnO2是目前气敏传感器的广泛被利用的材料。它有灵敏度高，结构简单，体小质轻，坚固耐用等优点。SnO2 粉体的粒径大小,颗粒的形状、均匀性、稳定性都直接影响着制成的气敏器件的灵敏度、功耗、响应恢复特性及稳定性等重要参数。利用溶胶- 凝胶法合成SnO2 超微粒子主要以有机金属化合物为起始材料或以大批量有机试剂来制备SnO2 ,但有机金属 试剂较昂贵,给大量制备带来困难。因而通常是以廉价的SnCl4 为起始原料,加入少量溶胶形成助剂,促进其溶胶形式。溶胶- 凝胶法制备出粉体材料具有粒子分布均匀,纯度高,比表面积大,活性好,烧结温度低等优点。 但尽管SnO2 作为气敏材料日益受到重视,但由于其在应用中仍有一定缺陷,限制了它更为广泛的使用:低温条件下工作稳定性的控制;空气中湿度的影响;一些掺杂元素催化原理的探索;气敏特性测试手段的提高等等 3.纳米传感器及其在气敏传感器中的应用。纳米材料在气敏传感器的应用中有如下特点：①纳米固体材料具有庞大的界面,提供了大量气体通道,从而大大提高了灵敏度; ②工作温度大大降低; ③大大缩小了传感器的尺寸。 纳米传感器材料的发展展望。对于多壁碳纳米管制作的气敏传感器,虽然也可在室温下工作,但在复杂的气体环境中使传感器具有选择性却是一个亟待解决的问题。随着纳米技术的进一步发展,这些问题必将会被很好地解决,纳米传感器亦将获得巨大的发展。 4.气敏传感器的发展和展望 向多功能，低耗能，集成化方向发展。而且还有生物芯片的开发应用方面的展望，和应
湿敏传感器 一、湿度的表示方法 定义：湿度是指大气中所含的水蒸气量，常用绝对湿度和相对湿度表示。 1、绝对湿度 绝对湿度表示单位体积空气里所含水蒸气的质量。 定义式为 M v V ρ= 式中，M v —待测空气的水蒸气的质量； V —待测空气的体积； ρ—待测空气的绝对湿度，单位为3/g m 或3/mg m 。 2、相对湿度 相对湿度表示空气中所含水蒸气分压和相同温度下的饱和水蒸气分压的百分比，是一个无量纲的值，常用%RH 表示（RH 为相对湿度）。 即 P v =()100%RH P w ?相对湿度 式中，P v —空气温度为t C ?时空气水蒸气分压； P w —空气温度为t C ?时饱和水蒸气分压。 二、湿敏传感器特性参数 湿敏传感器将湿度转换为与其成一定比例关系的电量输出，其特性参数主要有湿度量程、感湿特征量、灵敏度、湿度、温度系数、响应时间、湿滞回差等。 1、湿度量程 在规定的精度内能够测量的最大范围，成为湿度量程。由于各种湿敏传感器的敏感元件所使用的功能材料不同，以及所依据的物理效应或化学反应不同，导致不是所有的敏感元件都能在整个相对湿度范围内（0100%RH ）具有可用的湿度敏感特性。某些湿度敏感元件就只能适用于某一段相对湿度范围，因此有时需要使用多片组合。 2、感湿特性 感湿特性表示湿敏传感器的感湿特征量（电阻）随被测相对湿度变化的规律。一般可从感湿特性曲线上确定湿敏传感器的灵敏度及最佳使用范围。性能良好的市民传感器感湿特曲线，应当在整个相对湿度范围内连续变化，其斜率保持不变， 3、灵敏度 灵敏度是指湿敏传感器输出增量与输入增量之比，它反映被测湿度作单位变化时所引起感湿特征量的变化程度。因此，它对应干事特征曲线的斜率。但是，一般湿敏传感器的特性是非线性的，即在不同的被测湿度下，传感器的灵敏度是不同的。 4、湿度温度系数 湿敏传感器的湿度温度系数是表示感湿特性曲线随环境温度变化而改变的特性参数。在
《传感器原理及应用》 创新性应用课题研究报告 题目：基于气敏传感器的酒精测试系统学院：自动化工程学院 年级专业：2012级电子信息科学与技术 姓名：韩佳林、罗荣伟、于帅、孙建超任课教师：迟宗涛 2015年12月20 日
目录 1 绪论 (1) 1.1 呼吸气体酒精浓度检测报警仪开发背景 (4) 1.2呼吸气体酒精浓度检测报警仪的简介 (4) 1.3呼吸气体酒精浓度检测报警仪课程设计基本要求与设计简介 (5) 2 单片机最小系统介绍 (6) 2.1 STC89C52简介 (6) 2.2 复位电路介绍 (8) 2.3 晶振电路介绍 (9) 3 信号采集和AD转换过程的软硬件设计 (10) 3.1 MQ-3酒精浓度传感器模块简介 (10) 3.2 AD转换软硬件件设计 (11) 3.2.1 ADC0804简介 (11) 3.2.2 本设计中ADC0804外围硬件连接 (13) 3.2.3 本设计中AD转换软件实现 (14) 4 显示模块软硬件设计 (16) 4.1 LCD1602简介 (16) 4.2 本设计中LCD1602的硬件连接介绍 (17) 4.3 本设计中LCD1602的软件设计 (17) 4.3.1 本设计的液晶写命令子函数和写数据子函数程序分析 (17) 4.3.2 本设计中用到的液晶指令介绍 (19) 4.3.3 本设计中的字符串显示和数据实时更新的实现方法 (19) 5. 其它外围设备软硬件设计 (22) 5.1 报警电路软硬设计 (22) 5.1.1 硬件部分设计 (22) 5.1.2 软件部分设计 (22) 5.2 待机指示灯软硬件设计 (23) 5.2.1 硬件部分设计 (23) 5.2.2 软件部分设计 (23)
基于单片机的气敏传感器测试系统 [摘要] 本文介绍一种新型的气敏传感器测试系统的设计方法。该系统基于具有语音处理功能的凌阳SPCE061A单片机，能同时进行多路传感器测试、过程控制，及用虚拟仪器完成数据处理，并能用语音直接播报测试结果，克服了目前气敏传感器人工操作测试带来的效率低、误差大、操作人员长时间工作等问题。 [关键词] 气敏传感器单片机语音播报 一、引言 气敏传感器是能够感知环境中某种气体及其浓度的一种敏感器件，它将气体成分、浓度等有关的信息转换成电信号，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。目前，人们对气敏传感器的测试方法主要停留在用人工手动的方式来操作，开发出一种实用高效的智能化传感器测试装置是极为必要的。而语音信号是信息的又一主要载体，如果在这些测量场合能用语音直接报出结果，将给操作人员带来极大方便，下面就介绍一种具有新功能的新型的气敏传感器测试系统。 二、气敏传感器测量原理 作为气体敏感材料的半导体氧化物的气—电转换机理是：在不同气体中，半导体氧化物材料发生的氧化—还原反应不同，从而引起材料电导（电导与电阻互为倒数）的不同变化，使传感器分辨出被测气体。因此，只要能测量出已知气体中气体传感器电导的变化，就可测量出该气敏传感器的性能指标。气敏传感器的测试电路如图1所示，负载电阻R L串联在传感器中，串联回路施加工作电压V C，V F 为热丝两端加热电压。在洁净空气中，传感器的电阻R O较大，在负载电阻R L上的输出电压 图1 气敏传感器的测试电路 较小；当在待测气体中时，传感器的电阻 R O变得较小，则负载电阻R L上的输出电压较大，其电压值与V RL器件的电阻值R O之间的关系如下： R O= RL L RL C V R V V) ( 式中：为V C测量电压，一般为5V；V RL为负载电压；为R L负载电阻（已知）；R O为元件的电阻值。随着已知气体浓度不同，负载电压产生不同变化，传感器的元件阻值也会产生相应的变化，而根据不同气体环境下元件电阻的阻值，就可判断出该传感器的指标是否符合标准值。 三、系统硬件设计 气敏传感器测试系统如图2所示，由元件测试箱和PC微机两部分组成。元件测试箱主要
湿敏传感器特点及应用 作者 704 班级 电科1401 学号 c7 在国家经济发展越来越快速的时代中，人们生活质量明显提高，对环境的温度与湿度标准越来越关注与重视。随之，我国相关部门针对温度测量以及湿度测量更进一步研究，并结合多次试验研发出新型的湿度传感器，并已经被广泛应用于各领域中。由于环境湿度参数测量难度较高，要想达到一定的精标准要求，必须要做到合理湿度控制。本文对湿度表示方法进行了一定的概括和总结，指出不同湿度测量方式各自的优缺点。并对电阻式湿敏传感器，陶瓷湿敏传感器，电容式湿敏传感器进行了论述，以说明其各自的特性，让使用者可以更加准确的使用湿敏传感器。 2016年3月，根据Narimani 和Nayeri 在关于传感器和执行机构的文献中描述，基于氧化锌纳米材料的电容式湿度传感器在高温高湿条件下取得较为稳定和快速的湿度检测效果[1]。2016年6月，根据Guo 在关于传感器和材料科学的文献中描述，以石墨烯氧化物为原材料的电容式湿度传感器在恒温密闭仓储环境中取得较为稳定和灵敏的湿度检测效果[2]。本文在上述研究的基础上，针对人体所处的普通室内环境，利用直流电源、可变电阻、湿敏电容和时基电路等器件设计通用小型高精度湿度传感器系统，并在通风环境下（T=25℃），对室内湿度变化进行快速和高精度的检测，从而达到有效调节室内温湿度的控制目的。 章丹等人[3]2017年提出了一种新型柔性电容式湿度传感器。该柔性电容式湿度传感器采用液晶高分子聚合物(LCP )作为衬底,金属铜(Cu )作为叉指电极,聚酰亚胺(PI )作为湿度传感器的湿敏介质。LCP 衬底的应用使得该传感器具有良好的柔性和可弯曲性。该柔性湿度传感器与传统硅基湿度传感器相比较具有成本低廉、结构简单、制作方便等优点。最后说明HS1101湿度传感器[4]在实际生活中的使用方法，并分析它的工作原理，最终绘出工作电路。 1 湿度及其表示 湿度是表示空气中水蒸气的含量的物理量，常用绝对湿度、相对湿度、露点等表示。 1.绝对湿度 所谓绝对湿度就是单位体积空气内所含水蒸气的质量，也就是指空气中水蒸气的密度。一般用一立方米空气中所含水蒸气的克数表示，即为 /V Ha m V (1) 式中，m V 为待测空气中水蒸气质量，V 为待测空气的总体积。单位为g/m 3。
收稿日期:2006-04-16 收修改稿日期:2006-05-30 基于ARM 的高阻气敏传感器测试电路 潘国峰,刘兰普,孙以材,何 平 (河北工业大学,天津 300130) 摘要:将ARM7应用到气敏传感器中,利用其强大的数据计算处理能力及控制能力,结合气敏薄膜材料的高阻值特 点,设计出了显示气敏元件阻值及其所处气体浓度的测试电路。该电路以LPC2131实时监测电源电压,自动调整占空比,实现对温度的准确控制,并测量气敏薄膜的电阻。经气体浓度和元件阻值的校准后,电路可显示被测气体浓度,同时提供一个友好的用户界面,并具备报警功能,实现了智能气敏传感器的测量电路。完全满足气敏测试需要,电阻的测量精度达到±012%。 关键词:ARM ;高阻测量;气敏传感器中图分类号:TP212.6;TP216 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2006)10-0045-03 N e w Testing Circult B ased on ARM for H igh Eesistance G as Sensors PAN G uo 2feng ,LI U Lan 2pu ,S UN Y i 2cai ,HE Ping (H ebei U niversity of T echnology ,Tianjin 300130,China) Abstract :The increasingly popular ARM microprocess or was applied to the testing circuit for gas sens ors.C ombining the powerful data calculation and control capability of ARM with the high resistance characteristic of gas sensitive film ,the microprocess or LPC2131controls instantly power πs v oltage ,the functions of the circuit are controlling the gas sens ors w orking temperatures ,and measuring the re 2sistance of gas sensitive film.A fter calibration of relationship between the gas concentration and component resistance ,this circuit not on 2ly can display the gas sens or πs resistance and the tested gas concentration ,but als o can provide us with a user πs interface very friendly ,it fulfill the needs of gas sens or test perfectly ,the resistance measuement precision is 012%.K ey w ords :ARM ;high resistance test ;gas sens ors 0 引言 近些年来,我国的气敏传感器研究发展迅速,对气敏传感器的检测与应用也越来越普遍[1-3]。文中采用了当前普遍用于工业控制与测量中的具有ARM7内核的LPC2131,成功设计了高阻值气敏传感器测量电路。ARM7系列为低功耗32位微控制器,最适用于低价位、低功耗和高敏感器件的应用,它具有嵌入式在线仿真调试逻辑,非常低的功耗,能提供0.9MIPS/MH z 的3级流水线和冯?诺依曼结构。用带ARM7核的微处理器为核心构成的系统,可以大大简化主机电路和外围电路的设计,真正做到根据仪器、仪表的功能需求进行配置、裁剪、扩充和移植,以实现强实时和高可靠性[4]。1 气敏传感器的工作原理 气敏传感器以陶瓷管为框架,外覆一层敏感膜的材料,利用膜两端的镀金引脚进行测量。敏感膜的材料最常用的有金属氧化物、高分子聚合物材料和胶体敏感膜等。它的两个关键部分是加热电阻和气体敏感膜,其结构原理如图1所示。金电极连接气敏材料的两端,使其等效为一个阻值随外部待测气体浓度变化的电阻。当待测气体的浓度发生变化时,电阻阻值也相应发生变化[6],该电路即以测量气敏传感器的电阻值为基础,通过中心处理单元———带有ARM7内核的LPC2131,进行数据处理、误差补偿,经校准气体的浓度和元件的阻值后,间接得到气体的浓度值,将其输出到显示电路进行显示。 图1 气敏传感器结构原理 2 系统设计2.1 系统总体设计 系统共分为6个部分:电源电路、加热电路、传感器信号采集电路、中心处理电路、显示电路、电压转换电路。总体电路框图如图2所示。 图2 系统原理框图 2.2 电源电路 该系统为9V 单电源供电,但由于系统内各芯片工作电压 及对电源稳定性的要求不同,所以电源部分由几部分构成: (1)微控制器的工作电压为313V ,采用的AS1117进行电 2006年 第10期 仪表技术与传感器 Instrument T echnique and Sens or 2006 N o 110
第10章气敏传感器及其应用 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。 气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。它的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。 它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。 气敏传感器的实物如图10-1所示。 图10-1 气敏传感器实物图 10.1气敏电阻 气敏电阻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。 10.1.1气敏传感器的工作原理 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（氧化锡）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
检测技术大作业 机械工程学院2013 届 题目气敏传感器介绍与应用 学生姓名X X 学号200901XXXXXX 专业机械设计制造及其自动化 得分 任课老师X X
摘要： 气敏传感器是一种检测特定气体的传感器，用来检测气体类别、浓度和成分。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。 关键词：电阻型非电阻型有毒气体保护环境保证安全 ABSTRACT： Gas sensitive sensor is a kind of special gas detection, for the concentration and composition of gas detection, classification. It consists of semiconductor gas sensor, contact combustion type gas sensor and electrochemical gas sensors, which are used most semiconductor gas sensor. Keywords：Resistance type Non resistance Toxic gases Protect environment Ensure safety 一、气敏传感器的现状 国外，目前应用最广泛的是可燃性气体气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，从工厂企业到居民家庭，应用十分广泛。仅以用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，日本早在1980年1月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器法规，1986年5月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。美国目前已有6个州立法，规定家庭、公寓等都要安装CO报警器。报警器种类也相当繁多，有用于一般家庭、集体住宅、饮食餐店、医院、学校、工厂的各种气体报警器和系统，有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、遮断连动系统、防止中毒报警防护系统等。结构型式有袖珍型便携式、手推式、固定式报警等；工业用固定式报警又有壁挂式、台放式、单台监控式、多路巡检式等。气体检测技术与计算机技术相结合，实现了智能化、多功能化。美国工业科学公司（ISC）一台携带式气体监控仪可实现4种气体监测，采用了统一的软件，只需要换气敏传感器，即可实现对特定气体监测。美国国际传感器技术（IST）公司应用一种“MegaCas"传感器和微程序控制单元，可检测100种以上毒性气体和可燃性气体，通过其“气体检索”功能扫描，能很快确定是哪一种气体。