項目5

敏感氣體檢測

主講人0.1認識敏感氣體傳感器0.2酒精傳感器應用應用實訓0.3可燃氣體傳感器應用實訓0.4思考與練習目錄

我們生活在氣體的環(huán)境中，氣體與我們的日常生活密切相關(guān)。我們對氣體的感知是利用鼻子這個器官，而氣敏傳感器的作用就是相當于我們的鼻子，可以“嗅”出空氣中某種特定的氣體或判斷氣體的濃度，從而實現(xiàn)對氣體成分的檢測和監(jiān)測，以改善人們的生活水平，保障人民的生命安全。

在現(xiàn)代社會的生產(chǎn)和生活中，人們往往會接觸到各種各樣的氣體，需要對它們進行檢測和控制。比如化工生產(chǎn)中氣體成分的檢測與控制，煤礦瓦斯?jié)舛鹊臋z測與報警，環(huán)境污染情況的監(jiān)測，煤氣泄漏，火災報警，燃燒情況的檢測與控制等。

氣敏傳感器就是一種將檢測到的氣體的成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。生活中常用的這類傳感器有：測量飲酒者呼氣中酒精含量的傳感器；測量汽車空燃比的氧氣傳感器；家庭和工廠用的煤氣泄漏傳感器；剛發(fā)生火災之后測量建筑材料發(fā)出的有毒氣體傳感器；坑內(nèi)沼氣警報器等。通過學習，掌握氣敏傳感器的工作原理，熟悉氣敏傳感器的特性和分類、熟悉氣體傳感器的結(jié)構(gòu)和使用方法。知識目標識目標技能目標通過實踐和訓練，掌握各種氣體傳感器的選型及實際應用，掌握氣體傳感器和STM32的接口技術(shù)和編程技術(shù)。認識敏感氣體傳感器5.15.1認識敏感氣體傳感器

氣敏傳感器是能夠感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種傳感器，即將檢測到的氣體的成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。根據(jù)這些信號的強弱便可獲得與待測氣體在環(huán)境中存在情況的有關(guān)信息，從而可以進行檢測、監(jiān)控、報警，還可以通過接口電路與計算機或單片機組成自動檢測、控制和報警系統(tǒng)。常用的主要有半導體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器、電化學氣敏傳感器等。5.1.1半導體氣敏傳感器1.半導體氣敏傳感器的工作原理

半導體氣敏元件的敏感部分是金屬氧化物微結(jié)晶粒子燒結(jié)體，當它的表面吸附有被測氣體時，半導體微結(jié)晶粒子接觸界面的導電電子比例就會發(fā)生變化，從而使氣敏元件的電阻值隨著被測氣體的濃度改變而改變。電阻值的變化是伴隨著金屬氧化物半導體表面對氣體吸附和釋放而產(chǎn)生的，為了加速這種反應，通常要用加熱器對氣敏元件加熱。

半導體氣敏元件有N型和P型之分，被測氣體也可分為氧化型氣體和還原型氣體，如氧氣等具有負離子吸附傾向的氣體，被稱為氧化型氣體—電子接收性氣體。

當氧化型氣體吸附到N型半導體上，半導體的載流子減少，電阻率上升；當氧化型氣體吸附到P型半導體上，半導體的載流子增多，電阻率下降。氫、碳氧化合物、醇類等具有正離子吸附傾向的氣體，被稱為還原型氣體—電子供給性氣體。當還原型氣體吸附到N型半導體上，半導體的載流子增多，電阻率下降；當還原型氣體吸附到P型半導體上，半導體的載流子減少，電阻率上升。圖5-2給出了N型半導體材料SnO2吸附氣體時氧化還原反應及電阻值變化的情況。需要說明的是，氣敏元件在工作時都需要加熱，其目的是加速氣體吸附、脫出的過程，清潔傳感器并提高靈敏度等。圖5-2SnO2吸附氣體時氧化還原反應及電阻值變化曲線當SnO2氣敏傳感器在潔凈的空氣中開始通電加熱時，其電阻值急劇下降，隨著溫度的上升，SnO2吸附空氣中的氧形成負離子吸附，其電阻值增加，最后電阻值逐漸趨于穩(wěn)定，這個過程一般需要2~10分鐘。當氣敏元件的阻值處于穩(wěn)定值后，阻值會隨被測氣體的吸附情況而發(fā)生變化，其阻值的變化規(guī)律視氣體的性質(zhì)而定，如果被測氣體是氧化性氣體（如O2），被吸附氣體分子從氣敏元件得到電子，使N型半導體中的載流子電子減少，因而電阻值增大。如圖5-2中虛線所示。若被測氣體為還原性可燃性氣體（如H2、CO、酒精等），原來吸附的氧脫附，而由可燃性氣體以正離子狀態(tài)吸附在金屬氧化物半導體表面，氧脫附時放出電子，可燃性氣體以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子，從而使氧化物半導體導帶電子密度增加，電阻值下降。若可燃性氣體不存在了，金屬氧化物半導體又會自動恢復氧的負離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。2.半導體氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)

半導體氣敏傳感器的敏感部分是金屬氧化物微結(jié)晶粒子燒結(jié)體，其制作是將一定配比的敏感材料氧化鋅（SnO2）、氧化銦（InO）及摻雜劑鉑（Pt）、鉛（Pb）等以水或粘合劑調(diào)和，經(jīng)研磨后使其均勻混合，然后將已均勻混合的膏狀物滴入模具內(nèi)，用傳統(tǒng)的制陶方法進行燒結(jié)。燒結(jié)時埋入加熱絲和測量電極，最后將加熱絲和測量電極焊在座上，加特制外殼構(gòu)成器件。這種器件一般分為內(nèi)熱式和旁熱式兩種結(jié)構(gòu)。

內(nèi)熱式器件管芯體積一般都很小，加熱絲直接埋在金屬氧化物半導體材料內(nèi)，兼作一個測量電極，該結(jié)構(gòu)制造工藝簡單。其缺點是熱容量小，易受環(huán)境氣流的影響；測量電路和加熱電路之間相互影響；加熱絲在加熱和不加熱狀態(tài)下產(chǎn)生脹、縮，容易造成與材料接觸不良的現(xiàn)象。圖5-3內(nèi)熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)1、2、4、5-電極；3-SnO2燒結(jié)體

旁熱式氣敏器件的管芯是在陶瓷管內(nèi)放置高阻加熱絲，在瓷管外涂梳狀金電極，再在金電極外涂氣敏半導體材料。這種結(jié)構(gòu)形式克服了內(nèi)熱式器件的缺點，使器件穩(wěn)定性有明顯提高。圖5-4旁熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)1、2、4、5-電極；

3-加熱器；

6-SnO2燒結(jié)體；

7-陶瓷絕緣管

3.半導體氣敏傳感器的應用

半導體氣敏傳感器廣泛應用于防災報警，如可制成液化石油氣、天然氣、城市煤氣、煤礦瓦斯以及有毒氣體等方面的報警器，也可用于對大氣污染進行監(jiān)測，以及在醫(yī)療上用于對O2、CO2等氣體的測量，生活中則可用于空調(diào)機、烹飪裝置、酒精濃度探測等方面。從檢測角度來說，氣敏電阻對氣體的種類、傳感器的靈敏度沒有大的差異。例如能感測出乙醇的傳感器，也能感測出氫氣和一氧化碳的含量。通過改變制造傳感器元件時的半導體燒結(jié)溫度、半導體中的摻雜物、加熱器的加熱溫度等，并將這些方法結(jié)合起來應用，能使氣敏傳感器具有對各種氣體的識別能力。5.1.2

接觸燃燒式氣敏傳感器1.接觸燃燒式氣敏傳感器的工作原理

接觸燃燒式氣敏傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲(也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層)，使用時對鉑絲通以電流，保持300℃~400℃的高溫，此時若與可燃性氣體接觸，可燃性氣體就會在稀有金屬催化層上燃燒，因此，鉑絲的溫度會上升，鉑絲的電阻值也上升，通過測量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道可燃性氣體的濃度。2.接觸燃燒式氣體傳感器的結(jié)構(gòu)

接觸燃燒式氣體傳感器的結(jié)構(gòu)及測量電路如圖5-5所示。圖中采用的是橋式電路。它是將鉑絲阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，以達到測量可燃氣體的濃度的目的。圖5-5中R2是補償元件，其作用是補償可燃性氣體接觸燃燒以外的環(huán)境溫度和電源電壓變化等因素所引起的偏差。圖5-5

接觸燃燒式氣敏傳感器結(jié)構(gòu)及測量電路

圖5-5中，如果在A、B兩點間連接電流計或電壓計，就可以測量A、B兩點的電位差E，并由此求得空氣中可燃氣體的濃度，若與相應的電路配合，就能在空氣中可燃氣體達到一定濃度時，自動發(fā)出報警信號。工作時，要求在R1和R2上保持100~200mA的電流通過，以供可燃氣體在檢測元件R1上發(fā)生氧化反應（接觸燃燒）所需要的熱量。3.接觸燃燒式氣敏傳感器的應用

接觸燃燒式氣敏傳感器可用于坑內(nèi)沼氣、化工廠的可燃性氣體量的探測，城市煤氣泄漏報警，用于對半導體敏感元件不合適的空氣污染厲害的餐館等。5.1.3

電化學式氣敏傳感器

電化學式氣敏傳感器一般利用液體(或固體、有機凝膠等)電解質(zhì)，通過與被測氣體發(fā)生反應并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號來工作，其輸出形式可以是氣體直接氧化或還原產(chǎn)生的電流，也可以是離子作用于離子電極產(chǎn)生的電動勢。這種氣體傳感器結(jié)構(gòu)簡單，選擇性好，而且能快速響應，便于自動測量和控制。

氧化鋯氧傳感器就是一個典型的電化學式氣敏傳感器。1.氧化鋯測量原理

氧化鋯氧傳感器是采用氧化鋯固體電解質(zhì)組成的氧濃度差電池來測氧的傳感器。它是20世紀60年代才興起的，屬于固體離子學中一個重要應用方面。

氧化鋯傳感器的結(jié)構(gòu)是氧化鋯膜夾在兩個Pt電極之間，如圖5-6所示。在高溫下（700℃以上）氧化鋯中的氧離子可以自由的移動，可以傳導氧離子但不導電。當氧化鋯膜兩邊的氧濃度不同時，兩個電極之間會產(chǎn)生一個電壓，電壓與氧濃度的對數(shù)成正比關(guān)系，因此，氧化鋯傳感器檢測的是氧化鋯膜兩邊的氧氣濃度差。當要檢測一未知氣體中的氧濃度時，氧化鋯膜的另一邊需要是一個已知氧濃度的氣體，即參考氣體。普通氧化鋯傳感器的參考氣體均為空氣。圖5-6氧化鋯傳感器的工作原理2.氧化鋯氧傳感器的結(jié)構(gòu)及檢測方式

氧化鋯氧傳感器用于實際檢測中，主要需要解決的問題是，氧化鋯檢測頭、反應電極及將被測氣體與參比氣體(空氣)嚴格隔離的問題(也叫作氧探頭的密封問題)。實際應用過程中，最難以解決的是密封問題和反應電極問題，下面介紹兩種氧傳感器的檢測方式。1）采樣檢測式氧傳感器

采樣檢測方式是通過導引管，將被測氣體導入氧化鋯檢測室。檢測室通過加熱元件把氧化鋯加熱到工作溫度(750℃以上)。氧化鋯一般采用管狀，電極采用多孔鉑電極(見圖5-7)。采樣檢測的優(yōu)點是不受檢測氣體溫度的影響，通過采用不同的導流管可以檢測各種溫度氣體中的氧含量。圖5-7多孔鉑電極氧化鋯傳感器2）直插式檢測方式

直插式檢測是將氧化鋯直接插入高溫被測氣體，直接檢測氣體中的氧含量。這種檢測方式應用在被檢測氣體溫度在700℃~1150℃時(特殊結(jié)構(gòu)還可以用于1400℃的高溫)，利用被測氣體的高溫使氧化鋯達到工作溫度，不另外用加熱器，如圖5-8所示。直插式氧探頭的技術(shù)關(guān)鍵是陶瓷材料的高溫密封問題和電極問題。圖5-8直插式氧化鋯氧探頭結(jié)構(gòu)3.氧化鋯使用壽命的影響因素1）多孔Pt電極的問題

Zr02氧傳感器在國內(nèi)普遍存在穩(wěn)定性差和壽命短的現(xiàn)象，即使國外已完全實用化了的產(chǎn)品也常常出現(xiàn)電勢異常、響應劣化、電極中毒或脫落現(xiàn)象，這一切都與Zr02氧傳感器的多孔Pt電極的特性有關(guān)。氧探頭反應電極過去一直用多孔Pt制成，因為它的催化能力強，現(xiàn)在還有不少成品用多孔Pt電極。多孔Pt電極的表面積極大，是一種熱力學不穩(wěn)定狀態(tài)，特別是由于氧傳感器長期在高溫下工作，例如滲碳爐中的氧傳感器的工作環(huán)境溫度為860℃—940℃，在這種工作條件下，多孔Pt電極的電極表面分布著的小孔尺寸會不斷增大而響應電極反應。2）轉(zhuǎn)晶

Zr離子在強還原性氣氛中會轉(zhuǎn)化為金屬Zr，并溶解于Pt中形成Pt-Zr固溶體，達到溶解極限后，開始形成Pt-Zr金屬間化合物，破壞了原始組織結(jié)構(gòu)。

此外，Pt-Zr02黏結(jié)力不好而脫膜也是經(jīng)常發(fā)生的現(xiàn)象。3）積炭

多孔Pt電極在滲碳爐中致命的弱點是炭黑堆積在Pt電極的孔洞內(nèi)，特別在高碳勢的情況下更為嚴重，炭黑在多孔Pt電極小孔內(nèi)的堆積，使得Pt-Zr02-氣相三相催化反應界面處的狀態(tài)發(fā)生變化而使電極反應不穩(wěn)定，輸出電勢波動或偏高等現(xiàn)象。4）堵塞

多孔Pt電極的小孔在加熱爐煙道中應用時，經(jīng)常被塵灰堵塞而影響爐氣向三相界面的擴散，最終使氧探頭輸出信號減弱而測不準。5）Zr02固體電解質(zhì)的時效問題

Zr02固體電解質(zhì)作為工業(yè)爐用氧探頭往往長期在700℃以上的高溫下進行工作，如果不考慮氣體的影響，這個工作溫度對由Y203（氧化釔）固溶為立方相結(jié)構(gòu)的Zr02固體電解質(zhì)來講，是一個高溫時效過程，這是氧探頭不穩(wěn)定和失效的另一個主要原因。4.氧化鋯氧傳感器的工業(yè)應用

氧化鋯氧傳感器已在國內(nèi)外廣泛用于工業(yè)爐窯優(yōu)化燃燒，產(chǎn)生了顯著的節(jié)能效果；廣泛用于汽車尾氣測量，明顯地改善了城市環(huán)境污染；廣泛用于鋼液測氧，大大提高了優(yōu)質(zhì)鋼的質(zhì)量和產(chǎn)量；廣泛用于惰性氣體中測氧，其靈敏度和測氧范圍非其他氧量計可比。5.氧化鋯氧傳感器的特點

氧化鋯傳感器的優(yōu)點是反應時間快，可以在高溫、高壓、低壓下測量氧氣濃度，如鍋爐尾氣等。暴露在空氣中或在空氣中儲存不會影響其性能，因此操作方便。

氧化鋯傳感器的缺點是不適合檢測氣體中含有在高溫下分解或與氧氣反應的物質(zhì)，如有機溶劑和氫氣，不適合檢測ppm級氧氣。氧化鋯傳感器需要在高溫下工作，當檢測氣體中含有機溶劑時，有機溶劑會在電極上產(chǎn)生化學變化（分解），從而產(chǎn)生一些問題：影響電極性能，造成零點漂移；影響傳感器壽命；在高溫下檢測氣體中的氧氣會與有機物反應而被消耗掉，使得氧氣檢測的值比實際值低。酒精傳感器應用實訓5.25.2.1

實訓目的及要求

通過實訓，學會使用MQ-3氣體傳感器對酒精濃度進行檢測，掌握氣體傳感器應用電路設計，熟悉并掌握STM32F407芯片外設ADC功能編程應用，熟悉使用氣體傳感器進行酒精濃度的測量，在液晶顯示屏幕顯示當前酒精濃度數(shù)值。5.2.2氣體傳感器MQ-3簡介

1.氣體傳感器MQ-3的工作原理5.2酒精傳感器應用實訓

MQ-3氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在酒精蒸汽時，傳感器的電導率隨空氣中酒精氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ-3氣體傳感器對酒精的靈敏度高，可以抵抗汽油、煙霧、水蒸氣的干擾。這種傳感器可檢測多種濃度酒精氣氛，是一款適合多種應用的特種傳感器。2.傳感器MQ-3的應用及特點MQ-3氣體傳感器可用于機動車駕駛?cè)藛T及其他嚴禁酒后作業(yè)人員的現(xiàn)場檢測，也用于其他場所乙醇蒸汽的檢測，其主要特點：·

對乙醇蒸汽具有很高的靈敏度和良好的選擇性；·

具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性；·

驅(qū)動電路簡單，成本低；·

快速的響應恢復特性。3.氣體傳感器MQ-3的特性曲線圖中橫坐標為氣體濃度，縱坐標為傳感器的電阻比（Rs/R0），Rs表示傳感器在不同濃度氣體中的阻值，R0表示傳感器在潔凈空氣中的阻值。圖中所示都是在標準試驗條件下完成的?？梢钥闯觯琈Q-3氣體傳感器的阻值隨著氣體濃度的增加而減小，并且從圖中可以看出MQ-3氣體傳感器對酒精氣體最敏感。圖5-10為MQ-3氣體傳感器靈敏度特性曲線5.2.3氣體傳感器MQ-3硬件接口電路設計傳感器信號經(jīng)過調(diào)理電路后接STM32F407的PF4引腳，F(xiàn)P6291是一款升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，為氣體傳感器MQ-3提供5V電源。5.2.4程序設計

本次實訓的任務是采用MQ-3傳感器對空氣中的酒精含量進行檢測，由于氣體傳感器MQ-3輸出的是模擬量，AD轉(zhuǎn)換用STM32F407ZGT6外設ADC來實現(xiàn)，該任務主要由main.c、STM32F40x_ADC.c程序文件來完成，STM32F40x_ADC.c完成ADC外設的配置及對模擬量的采集轉(zhuǎn)換，main.c將采集到的電壓值轉(zhuǎn)換成酒精濃度值并通過LCD液晶屏顯示。本實訓程序設計要點如下：（1）配置RCC寄存器組，打開ADC設備時鐘，同時打開GPIOF設備時鐘；（2）配置GPIOF.4為模擬輸入模式，無上拉/下拉電阻；（3）AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理及顯示。5.2.5程序運行結(jié)果

掃描二維碼獲得整個工程文件，編譯并運行程序，可以看到液晶顯示屏顯示空氣中酒精含量的AD轉(zhuǎn)換值、電壓值以及濃度值?？扇細怏w傳感器應用實訓5.35.3.1實訓目的及要求

通過實訓，掌握可燃氣體傳感器MQ-2應用調(diào)理電路設計，熟悉并掌握STM32F407ZGT6芯片外設ADC功能編程應用，熟悉使用可燃氣體傳感器進行氣體濃度的測量，在液晶顯示屏幕顯示當前可燃氣體濃度值數(shù)值。5.3可燃氣體傳感器應用實訓5.3.2氣體傳感器MQ-2簡介1.氣體傳感器MQ-2的工作原理

MQ-2氣體傳感器的制作材料采用在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)，屬于表面離子式N型半導體。當MQ-2氣體傳感器在200到300攝氏度環(huán)境時，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當與可燃氣體接觸時，如果晶粒間界處的勢壘受到可燃氣體的調(diào)至而變化，就會引起表面導電率的變化。利用這一點就可以獲得這種氣體存在的信息，氣體的濃度越大，導電率越大，輸出電阻越低，則輸出的模擬信號就越大。2.氣體傳感器MQ-2的應用及特點

MQ-2氣體傳感器可用于家庭和工廠的氣體泄漏檢測，適宜對液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器，其主要特點：

（1）MQ-2型煙霧傳感器對天然氣、液化石油氣等氣體有很高的靈敏度，尤其對烷類氣體更為敏感，具有良好的抗干擾性，可準確排除有刺激性非可燃性煙霧的干擾信息（經(jīng)過測試：對烷類的感應度比紙張木材燃燒產(chǎn)生的煙霧要好的多，輸出的電壓升高的比較快）。（2）MQ-2型氣體傳感器具有良好的重復性和長期的穩(wěn)定性。初始穩(wěn)定，響應時間短，長時間工作性能好。需要注意的是：在使用之前必須加熱一段時間，否則其輸出的電阻和電壓不準確。（3）其檢測可燃氣體與煙霧的范圍是100~10000ppm(ppm為體積濃度，1ppm=1立方厘米/1立方米)。（4）電路設計電壓范圍寬，24V以下均可，加熱電壓5±0.2V。需要注意：如果加熱電壓過高，會導致內(nèi)部的信號線熔斷，從而使器件報廢。3.氣體傳感器MQ-2的特性曲線圖5-14為MQ-2氣體傳感器靈敏度特性曲線，圖中縱坐標為傳感器的電阻比（Rs/R0），橫坐標為氣體濃度，Rs表示傳感器在不同濃度氣體中的阻值，R0表示傳感器在潔凈空氣中的阻值?？梢钥闯觯琈Q-2氣體傳感器的阻值隨著可燃氣體濃度的增加而減小，并且從圖中可以看出MQ-2氣體傳感器對可燃氣體最敏感。圖中所示都是在標準試驗條件下完成的。圖5-14MQ-2氣體傳感器靈敏度特性曲線5.3.3

MQ-2硬件接口電路設計

傳感器信號經(jīng)過調(diào)理電路后接STM32F407的PF4引腳，F(xiàn)P6291是一款升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，為氣體傳感器MQ-2提供5V電源。5.3.4

程