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1、任務(wù)四酒精測(cè)試儀的設(shè)計(jì),一、任務(wù)描述 利用氣敏傳感器制作酒精測(cè)試儀，要求當(dāng)被檢測(cè)氣體含有酒精時(shí)，測(cè)試儀能報(bào)警，并顯示酒精含量的高低。 二、任務(wù)目標(biāo) (1)掌握氣敏傳感器的特點(diǎn)和工作原理。 (2)掌握氣敏傳感器的測(cè)量電路。 (3)能夠選用氣敏傳感器進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)。,下一頁(yè),返回,任務(wù)四酒精測(cè)試儀的設(shè)計(jì),三、知識(shí)鏈接 1.氣敏傳感器的種類和測(cè)量原理 利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)變化，借此來(lái)檢測(cè)待定氣體的成分或者測(cè)量其濃度的傳感器稱為氣敏傳感器，其外形如圖2-44所示。氣敏傳感器主要用于工業(yè)中天然氣、煤氣、石油化工等部門的易燃、易爆、有毒有害氣體的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)與自動(dòng)控制，氣敏傳感器能夠
2、檢測(cè)氣體的種類及主要檢測(cè)場(chǎng)所，如表2-5所示。氣敏傳感器品種繁多，主要介紹金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏元件和氧化錯(cuò)氣敏元件。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,任務(wù)四酒精測(cè)試儀的設(shè)計(jì),1)金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏元件 氣敏元件大多是以金屬氧化物半導(dǎo)體為基礎(chǔ)材料。當(dāng)被測(cè)氣體在該半導(dǎo)體表面吸附后，引起其電學(xué)特性(如電導(dǎo)率)發(fā)生變化。金屬氧化物在常溫下是絕緣的，制成半導(dǎo)體后卻顯示氣敏特性。 金屬氧化物半導(dǎo)體分為N型半導(dǎo)體(如氧化錫、氧化鐵、氧化鋅等)和P型半導(dǎo)體(如氧化鉆、氧化鉛、氧化銅等)。 金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏元件通常土作在空氣中，根據(jù)被測(cè)氣體氧化還原特性的不同，產(chǎn)生不同的電效應(yīng)。當(dāng)N型半導(dǎo)體遇到還原性氣體(即可燃性氣
3、體，在化學(xué)反應(yīng)中能給出電子，化學(xué)價(jià)升高的氣體，如石油蒸氣、酒精蒸氣、甲烷、乙烷、煤氣、天然氣、氫氣等)時(shí)，發(fā)生還 原反應(yīng)，電子從氣體分子向半導(dǎo)體移動(dòng)，半導(dǎo)體載流子濃度增加，導(dǎo)電性能增強(qiáng)，電阻減小。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,任務(wù)四酒精測(cè)試儀的設(shè)計(jì),當(dāng)P型半導(dǎo)體材料遇到氧化性氣體(如氧氣、三氧化硫等)會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，半導(dǎo)體中載流子濃度減小，導(dǎo)電性能減弱，因而電阻增大。 對(duì)于混合材料，無(wú)論吸附氧化性還是還原性氣體，都使載流子濃度減少，電阻增大。 MQN型氣敏電阻是應(yīng)用較多的一種金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏元件，它的結(jié)構(gòu)如圖2-45所示，包括塑料底座、電極引線、不銹鋼網(wǎng)罩、氣敏燒結(jié)體以及包裹在燒結(jié)體中的兩組鉑絲
4、。其中一組鉑絲為工作電極，另一組鉑絲(圖2-45中的左邊鉑絲)為加熱電極兼工作電極。氣敏電阻工作時(shí)必須加熱到200300 ，其目的是加速被測(cè)氣體的化學(xué)吸附和電離的過(guò)程，并燒去氣敏電阻表面的污物(起清潔作用)。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,濕敏電阻和氣敏電阻MQN均要加熱，請(qǐng)比較異同,任務(wù)四酒精測(cè)試儀的設(shè)計(jì),MQN型氣敏電阻的靈敏度較高，在被測(cè)氣體濃度較低時(shí)電阻變化較大，而當(dāng)被測(cè)氣體濃度較高時(shí)，電阻變化趨緩，這種特性適用于氣體的微量檢漏、濃度檢測(cè)或超限報(bào)警。控制燒結(jié)體的化學(xué)成分及加熱溫度可以改變它對(duì)不同氣體的選擇性。例如，制成煤氣報(bào)警器，可以對(duì)居室或地下天然氣管道進(jìn)行檢漏，還可以制成酒精測(cè)試儀，防止酒
5、后駕車。MQN型氣敏電阻對(duì)不同氣體的靈敏度特性如圖2-46所示。 2)二氧化欽氧氣傳感器 目前測(cè)量氧氣濃度的傳感器(圖2-47)主要有二氧化鉆和二氧化欽。半導(dǎo)體材料二氧化欽(TiO2)屬于N型半導(dǎo)體，對(duì)氧氣十分敏感。其電阻值的大小取決于周圍環(huán)境的氧氣濃度。當(dāng)周圍氧氣濃度較大時(shí)，氧原子進(jìn)入二氧化欽品格，改變了半導(dǎo)體的電阻率，使其電阻值增大。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,任務(wù)四酒精測(cè)試儀的設(shè)計(jì),用于汽車或燃燒爐排放氣體中的氧濃度傳感器結(jié)構(gòu)及測(cè)量轉(zhuǎn)換電路如圖2-48所示。其中，圖2-48(a)所示為傳感器的結(jié)構(gòu)，二氧化欽氣敏電阻與補(bǔ)償熱敏電阻同處于陶瓷絕緣體的末端。當(dāng)氧氣含量減小時(shí)， TiO2的阻值減小，
6、U0增大。在圖2-48(b)中，與TiO2氣敏電阻串聯(lián) 的熱敏電阻Rt起溫度補(bǔ)償作用。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)， TiO2氣敏電阻的阻值會(huì)逐漸減小，只要Rt也以同樣的比例減小，根據(jù)分壓比定律， U0不受溫度影響，減小了測(cè)量誤差。 2.氣敏傳感器的應(yīng)用 氣敏傳感器己經(jīng)廣泛應(yīng)用到石油、化工、電力、家居等各種領(lǐng)域，主要應(yīng)用類型分檢測(cè)、報(bào)警、監(jiān)控等。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,任務(wù)四酒精測(cè)試儀的設(shè)計(jì),1)礦燈瓦斯報(bào)警器電路、 瓦斯報(bào)警器電路如圖2-49所示。電路由QM-NS型氣敏傳感器與R1, RP及礦燈蓄電池為電源(4V)組成探頭電路，二極管VD2AP13和三極管VT1組成電子開關(guān)， VT2 、 VT3 、 C
7、1 、 C2 和R2 、R3組成互補(bǔ)自激多諧振蕩器，并與繼電器K、頭燈ZD組成閃光報(bào)警電路。礦井中瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí)，氣敏傳感器QM-N5阻值迅速減小，使得三極管VT1導(dǎo)通，自激多諧振蕩器開始工作，繼電器K不停地通斷，致使頭燈ZD間斷點(diǎn)亮、熄滅，發(fā)出閃光報(bào)警信號(hào)，電位器場(chǎng)為報(bào)警靈敏度調(diào)節(jié)。 為了避免傳感器在每次使用前都要預(yù)熱十多分鐘，并且避免在傳感器預(yù)熱期間會(huì)造成誤報(bào)警，所以傳感器電路不接于礦燈開關(guān)回路內(nèi)。礦上每天下班后將礦燈蓄電池交給電房充電，充電時(shí)傳感器處于預(yù)熱狀態(tài)。當(dāng)上人們下井前到充電房領(lǐng)取后可不再進(jìn)行預(yù)熱。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,任務(wù)四酒精測(cè)試儀的設(shè)計(jì),2)火災(zāi)煙霧報(bào)警器電路 火災(zāi)煙霧報(bào)警
8、器電路結(jié)構(gòu)如圖2-50所示，其中109寫一為燒結(jié)型SnO2氣敏器件，它對(duì)煙霧也很敏感，因此用它制成的火災(zāi)煙霧報(bào)警器可用于在火災(zāi)釀成之前或之初進(jìn)行報(bào)警。電路有雙重報(bào)警裝置，當(dāng)煙霧或可燃性氣體達(dá)到預(yù)定報(bào)警濃度時(shí)，氣敏器件的電阻減小到使VD3觸發(fā)導(dǎo)通，蜂鳴器鳴響報(bào)警。另外，在火災(zāi)發(fā)生初期，因環(huán)境溫度異常升高，將使熱傳感器動(dòng)作，使蜂鳴器鳴響報(bào)警。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,圖2-44氣敏元件外形,,返回,表2-5氣敏傳感器檢測(cè)氣體的種類及主要檢測(cè)場(chǎng)所,返回,圖2-45 MQN型氣敏電阻結(jié)構(gòu)及測(cè)量電路,,返回,圖2-46 MQN型氣敏電阻靈敏度,,返回,圖2-47氧濃度傳感器外形,,返回,圖2-48氧化鈦式氧傳感器的結(jié)構(gòu)與測(cè)量轉(zhuǎn)換電路,,返回,1-外殼(接地); 2-安裝螺栓;3-搭鐵線;4-保護(hù)管;5-補(bǔ)償電阻; 6-陶瓷片;7-Ti02氣敏電阻;8-進(jìn)氣口;9-引腳,圖2-49礦燈瓦斯報(bào)警器電路,,返回,圖2-50火災(zāi)煙霧報(bào)警器電路,返回,圖2-51酒精測(cè)試儀電路,,返回,
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