气敏传感器工作原理

什么是气敏传感器

气敏传感器是生活中很常见的一种检测气体的传感器。比如现在的家用管道燃气都装有燃气泄漏检测装置，当检测到空气中的燃气泄漏浓度达到一定值后，会驱动报警器发出声光报警提示，同时会控制电磁阀关闭燃气阀门，起到防止燃气进一步泄漏的目的。

常见家用燃气泄漏报警器

气敏传感器内部结构及工作原理

气敏传感器内部的检测电极由金属氧化物制成，如氧化锌、氧化锡、氧化铁、氧化钴等等。金属氧化物以薄膜的形式涂布在陶瓷支撑的表面。这些金属氧化物电极对气体有一定的吸附性，并且与气体会发生化学反应。

常见气敏传感器外观

气体与金属氧化物的氧化还原反应会改变检测电极的电阻率，外部电路通过检测电极的电阻变化，就能够检测出气体的浓度变化。在气敏传感器的内部，除了有检测电极外，还有一组电阻丝加热电极，在工作时电阻丝将内部工作环境加热到一定温度，高温有助于加速氧化还原反应，同时可达到去油祛湿的作用。

气敏传感器内部结构示意图

通过改变内部金属氧化物电极以及掺杂催化物的材料，就可以达到检测不同种类气体的目的。

气敏传感器的应用

气敏传感器应用电路

上图是一个由气敏传感器构成的烟雾报警器电路，这个电路主要由气体检测电路、单稳态触发电路、语音报警电路及功放电路等四部分组成。其工作原理为：

当空气中烟雾浓度较低时，气敏传感器内部检测电极的电阻较高，NE555芯片的2脚为高电平并且高于2/3Vcc，此时3脚输出为低电平，由于语音芯片得不到工作电压而没有信号输出；当空气中烟雾浓度增大时，气敏传感器内部电极的电阻降低，当NE555芯片的2脚电压下降到1/3Vcc时，单稳态触发器触发，此时3脚输出高电平；语音芯片得电而输出语音信号，经功放电路放大后驱动扬声器发出报警提醒。

神奇的气体传感器

气体传感器是指将被检测的气体分子与气敏材料发生的物理或化学反应所产生的物理或化学量变化，转变为可有效测量的电信号、光信号、声信号等，从而实现对气体种类和浓度进行测量的一种传感器。

根据工作原理，气体传感器可分为直接测量敏感材料电学性能变化的电学型气体传感器和间接测量气体种类与浓度的光学型气体传感器。

电学型气体传感器包括半导体型、电化学型、催化燃烧型、石英微天平型与声表面波型，每一种的原理都不相同。比如半导体型气体传感器主要根据半导体敏感材料与气体发生反应，导致敏感材料的电子发生得失，从而改变气敏材料的电学性能，通过检测其电学性能的变化即可准确地检测气体。

间接测量型气体传感器最主要的红外气体传感器是一种基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系来检测气体组分并确定其浓度的气体传感装置。

随着科技的持续发展，气体传感器在安防和环境监测领域都有了广泛的应用。安防领域有装配在矿工帽矿灯上的矿灯瓦斯报警器。这种矿灯瓦斯报警器兼具了照明与瓦斯报警两种功能，主要适合小型煤矿及家庭的使用。当气敏电阻器与电位器组成气体检测电路，时基电路与其外围元件组成了多谐振荡器。当无瓦斯气体时，气敏电阻器的电阻率很小电阻值很大，电位器滑动触点的输出电压小，集成电路被强行复位振荡器而不工作，报警器亦不报警。当周围空气中有瓦斯气体时电导率会迅速增加，电阻值变的特别小，滑动触点输出的电压升高，集成电路变高电平，振荡器电路的起振扬声器即发出报警声。环境监测领域有相应的自动空气清新器，当室内空气污浊或有害气体达到一定浓度时，自动空气清新器自动产生负氧离子保持空气清新。

除此之外，气体传感器被广泛应用于生产过程监控、气体成分分析等领域，为我国的各行业发展、为万物互联提供了有力支持。

本文由石家庄藁城区兴安镇中学高级教师崔会欣进行科学性把关。

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