气敏传感器的补偿特性及电路介绍

气敏传感器的定义：是能够感知环境中某种气体及其浓度的一种敏感器件，它将气体种类及其浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息。气敏器件是一种对环境气氛中某些氧化性气体、还原性气体、有机溶剂蒸汽十分敏感的电子器件，被广泛应用于对可燃性气体和有毒性气体的检测、检漏、报警和监控等领域。一只完整的气敏器件是由防爆网、管座、电极、玻璃基体、加热器和氧化物半导体等几部分组成的。

气敏器件的核心部分是金属氧化物半导体，如二氧化锡等。这类金属氧化物半导体，在一定温度时，能吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体材料中电子密度减小，电阻增大。当遇到可燃性气体或毒气时，原来吸附的氧就会脱附，而由可燃性气体或毒气以正离子状态吸附在半导体材料的表面。由于在脱附和吸附过程中均放出电子，使电子密度增大，从而使电阻减小。器件中加热器的作用是为了提高器件的灵敏度。

半导体气敏传感器大体上可以分为电阻式和非电阻式两类。电阻式半导体气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡(SnQ2)、氧化锰(MnO2)等金属氧化物制成敏感元件，当它们吸收了可然气体的烟雾，如氢、一氧化碳、烷、醚、醉、苯以及天然气等时，会发生还原反应，放出热量，使元件温度相应增高，电阻发生变化。利用半导体材料的这种特性，将气体的成分和浓度变换成电信号，进行监测和报警。元件对不同气体的敏感程度不同，如对乙醚、乙醉、氢气等具有较高的灵敏度，而对甲烷的灵敏度较低。一般地，随着气体的浓度增加，元件阻值明显增大，在一定范围内，呈线性关系。

气体传感器特性总是会受到环境温度、湿度的影响而变化，气体检测探头要能够有效实现对环境气氛的监控，有效避免误报、漏报，提高测量的准确性，必须对气体传感器进行有效的温、湿度补偿和修正。通常可燃性气体传感器特性受湿度影响较小，往往可忽略，所以主要考虑如何有效实现传感器的温度补偿。

传统补偿方式一般有硬件补偿和软件补偿两种。所谓硬件补偿是指直接使用温度传感器在电路中对气体传感器进行补偿，这种方式虽然简单，但只有在温度传感器和气体传感器的温度特性一致时，才能很好地补偿;很难实现宽范围的气体传感器和温度传感器的特性匹配。软件补偿方式通过传感器的温度特性曲线拟合进行算法补偿，这种方式是以一定的特性曲线作为基础，对不同的工作环境和不同传感器的温度特性，用算法处理和查表修正以得到不同的补偿效果。该方式较为复杂，对特性离散的传感器，拟合效果差。为了解决这个问题，本文提出采用双传感器补偿方式，具体来说就是选用两个特性一致(实际上只能做到非常接近)的气体传感器来实现补偿，把其中一个气体传感器A密封代替温度传感器，对另一气体传感器B进行补偿。这样的补偿方式，不仅能较好地拟合气体传感器的静态温度特性，而且对传感器的动态温度响应也能同步实现补偿。

双传感器补偿方式，可实现气体传感器动态特性的有效补偿。由于两气体传感器制造材料组分和工艺一致，它们的静态特性和动态特性基本一致，可获得较完全的补偿。双传感器补偿的可燃性气体检测探头，采用了两个同类型可燃性气体传感器，使用MOTOROLA的MC68HC05P6A微控制芯片进行数据采集、处理、修正和测定控制。系统分别对两个气体传感器进行采样，通过一定算法处理去除传感器测量值中的温度响应部分，而得到完全的气体响应数据。

设传感器测量值VA=A，VB=B，则无温度影响的气体响应VO为：VO=|VA-VB|，根据VO的值判断是否测定。系统可根据MCU程序设定，选择使用单点即时或多点延迟测定方式。测定输出采用声、光测定形式。在本系统中，由于采用内嵌MCU的算法处理和软件补偿方式，不仅省去了琐碎的硬件电路，大大提高了系统的可靠性和抗干扰能力，也使系统的智能控制得以加强。

测定主要由传感器、MCU、测定电路组成。该电路由MC68HC05P64作为核心控制芯片，它具有4路8位A/D口，气体和温度敏感信号直接由A/D口采集后，进行一定的算法修正和软件补偿。串联在两传感器感应电阻上的分压电阻R1和R2，应为可调电阻。调试中，在一定温度和无可燃性气体的标准环境下，调整R1和R2，使两个传感器输出电压相等，以进行有效的补偿。