氣敏傳感器的補(bǔ)償特性及電路介紹

氣敏傳感器的定義：是能夠感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種敏感器件，它將氣體種類及其濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)這些電信號的強(qiáng)弱便可獲得與待測氣體在環(huán)境中存在情況有關(guān)的信息。氣敏器件是一種對環(huán)境氣氛中某些氧化性氣體、還原性氣體、有機(jī)溶劑蒸汽十分敏感的電子器件，被廣泛應(yīng)用于對可燃性氣體和有毒性氣體的檢測、檢漏、報(bào)警和監(jiān)控等領(lǐng)域。一只完整的氣敏器件是由防爆網(wǎng)、管座、電極、玻璃基體、加熱器和氧化物半導(dǎo)體等幾部分組成的。

氣敏器件的核心部分是金屬氧化物半導(dǎo)體，如二氧化錫等。這類金屬氧化物半導(dǎo)體，在一定溫度時(shí)，能吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體材料中電子密度減小，電阻增大。當(dāng)遇到可燃性氣體或毒氣時(shí)，原來吸附的氧就會(huì)脫附，而由可燃性氣體或毒氣以正離子狀態(tài)吸附在半導(dǎo)體材料的表面。由于在脫附和吸附過程中均放出電子，使電子密度增大，從而使電阻減小。器件中加熱器的作用是為了提高器件的靈敏度。

半導(dǎo)體氣敏傳感器大體上可以分為電阻式和非電阻式兩類。電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氣敏半導(dǎo)體材料，如氧化錫(SnQ2)、氧化錳(MnO2)等金屬氧化物制成敏感元件，當(dāng)它們吸收了可然氣體的煙霧，如氫、一氧化碳、烷、醚、醉、苯以及天然氣等時(shí)，會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)，放出熱量，使元件溫度相應(yīng)增高，電阻發(fā)生變化。利用半導(dǎo)體材料的這種特性，將氣體的成分和濃度變換成電信號，進(jìn)行監(jiān)測和報(bào)警。元件對不同氣體的敏感程度不同，如對乙醚、乙醉、氫氣等具有較高的靈敏度，而對甲烷的靈敏度較低。一般地，隨著氣體的濃度增加，元件阻值明顯增大，在一定范圍內(nèi)，呈線性關(guān)系。

氣體傳感器特性總是會(huì)受到環(huán)境溫度、濕度的影響而變化，氣體檢測探頭要能夠有效實(shí)現(xiàn)對環(huán)境氣氛的監(jiān)控，有效避免誤報(bào)、漏報(bào)，提高測量的準(zhǔn)確性，必須對氣體傳感器進(jìn)行有效的溫、濕度補(bǔ)償和修正。通常可燃性氣體傳感器特性受濕度影響較小，往往可忽略，所以主要考慮如何有效實(shí)現(xiàn)傳感器的溫度補(bǔ)償。

傳統(tǒng)補(bǔ)償方式一般有硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩種。所謂硬件補(bǔ)償是指直接使用溫度傳感器在電路中對氣體傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，這種方式雖然簡單，但只有在溫度傳感器和氣體傳感器的溫度特性一致時(shí)，才能很好地補(bǔ)償;很難實(shí)現(xiàn)寬范圍的氣體傳感器和溫度傳感器的特性匹配。軟件補(bǔ)償方式通過傳感器的溫度特性曲線擬合進(jìn)行算法補(bǔ)償，這種方式是以一定的特性曲線作為基礎(chǔ)，對不同的工作環(huán)境和不同傳感器的溫度特性，用算法處理和查表修正以得到不同的補(bǔ)償效果。該方式較為復(fù)雜，對特性離散的傳感器，擬合效果差。為了解決這個(gè)問題，本文提出采用雙傳感器補(bǔ)償方式，具體來說就是選用兩個(gè)特性一致(實(shí)際上只能做到非常接近)的氣體傳感器來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，把其中一個(gè)氣體傳感器A密封代替溫度傳感器，對另一氣體傳感器B進(jìn)行補(bǔ)償。這樣的補(bǔ)償方式，不僅能較好地?cái)M合氣體傳感器的靜態(tài)溫度特性，而且對傳感器的動(dòng)態(tài)溫度響應(yīng)也能同步實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。

雙傳感器補(bǔ)償方式，可實(shí)現(xiàn)氣體傳感器動(dòng)態(tài)特性的有效補(bǔ)償。由于兩氣體傳感器制造材料組分和工藝一致，它們的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性基本一致，可獲得較完全的補(bǔ)償。雙傳感器補(bǔ)償?shù)目扇夹詺怏w檢測探頭，采用了兩個(gè)同類型可燃性氣體傳感器，使用MOTOROLA的MC68HC05P6A微控制芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、修正和測定控制。系統(tǒng)分別對兩個(gè)氣體傳感器進(jìn)行采樣，通過一定算法處理去除傳感器測量值中的溫度響應(yīng)部分，而得到完全的氣體響應(yīng)數(shù)據(jù)。

設(shè)傳感器測量值VA=A，VB=B，則無溫度影響的氣體響應(yīng)VO為：VO=|VA-VB|，根據(jù)VO的值判斷是否測定。系統(tǒng)可根據(jù)MCU程序設(shè)定，選擇使用單點(diǎn)即時(shí)或多點(diǎn)延遲測定方式。測定輸出采用聲、光測定形式。在本系統(tǒng)中，由于采用內(nèi)嵌MCU的算法處理和軟件補(bǔ)償方式，不僅省去了瑣碎的硬件電路，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，也使系統(tǒng)的智能控制得以加強(qiáng)。

測定主要由傳感器、MCU、測定電路組成。該電路由MC68HC05P64作為核心控制芯片，它具有4路8位A/D口，氣體和溫度敏感信號直接由A/D口采集后，進(jìn)行一定的算法修正和軟件補(bǔ)償。串聯(lián)在兩傳感器感應(yīng)電阻上的分壓電阻R1和R2，應(yīng)為可調(diào)電阻。調(diào)試中，在一定溫度和無可燃性氣體的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，調(diào)整R1和R2，使兩個(gè)傳感器輸出電壓相等，以進(jìn)行有效的補(bǔ)償。