使用TGS傳感器進行有毒及爆炸性氣體泄漏檢測的技術資料。ISO9001企業費加羅TGS傳感器是厚膜金屬氧化物半導體型的。它成本低、壽命長,利用簡單電路即可對待檢測氣體具有良好的敏感特性。尤其適合應用在有毒和爆炸性氣體的泄漏檢測器上。頁工作原理………..2傳感器特性.氧氣分壓的影響……….…...3氣敏特性……………….…...3傳感器響應…………….…...3初始動作…………………4溫濕度影響…………….…...4長期穩定性…………….…...4加熱電壓影響………….…...4傳感器使用注意事項…………...5回路負載電阻(RL……………….6信號處理……………….…...6溫度補償回TGSTGS傳感器通用資料20032003年6月再版220032003年6月再版1路……………7加熱器突入電流……….…...8傳感器加熱器斷路檢測回路…………..….8防止初始動作報警………8蜂鳴器延遲回路…………8檢測器設計回路…………………….…...9檢測器外殼…………….…...9樣機評審測驗……………9檢測器制造生產設備傳感器/檢測器預通電設備……..10氣體測試箱……...10工廠環境………...10制造工藝傳感器貯存……...10傳感器預通電…………………...10PCB裝配………...10傳感器裝配……...10PCB預通電……...10濃度設定………...11最終裝配………...11最終裝配的預通電……………...11氣體測試………...11重新設定………...11最終成品的貯存………………...11質量控制…………………..111.工作原理TGS氣體傳感器的敏感材料是金屬氧化物,最具代表性的是SnO2。金屬氧化物晶體如SnO2在空氣中被加熱到一定高的溫度時,氧被吸附在的帶一個負電荷的晶體表面。然后,晶體表面的供與電子被轉移到吸附的氧上,結果在一個空間電荷層留下正電荷。這樣,表面勢能形成一個勢壘,從而阻礙電子流動（見圖1。在傳感器的內部,電流流過SnO2微晶的結合部位（晶粒邊界。在晶粒邊界,吸附的氧形成一個勢壘阻止載流子自由移動,傳感器的電阻即緣于這種勢壘。還原性氣體出現時,帶有負電荷的氧的表面濃度降低,導致晶粒邊界的勢壘降低（圖2和圖3。降低了的勢壘使傳感器的阻值減小了。傳感器阻值和還原性氣體濃度之間的關系可由下面的一定范圍氣體濃度方程表示:Rs=A[C]-a這里:Rs=傳感器電阻A=常數[C]=氣體濃度a=Rs曲線的斜率圖1-晶粒間勢壘模型（沒有氣體時圖2-CO和SnO2上上吸附氧之間的反應圖解圖3-晶粒間勢壘模型（氣體出現時2.傳感器特性2-1氧氣分壓的影響圖4所示為大氣中氧壓(PO2和典型TGS傳感器在清潔空氣中阻值之間的關系。可以看到減小氧壓會降低傳感器阻值。2氣敏特性根據第一部分的公式,氣體濃度在其應用范圍內(從幾ppm—幾千ppm,傳感器電阻同氣體濃度呈對數線性關系。圖5表示出了傳感器電阻及氣體濃度之間的典型關系。傳感器對多種還原氣體具有敏感性,對某些氣體的相對靈敏度的最佳化,取決于敏感材料的配方及其工作溫度。由于實際的傳感器電阻值每個都不同,典型的敏感特性由傳感器在不同氣體濃度下的阻值(Rs與待檢測氣體的一定濃度下的阻值(R0的比來表達的。2-3傳感器響應傳感器先被放入還原性氣體中,然后再從還原性氣體中移走,這個過程中傳感器典型的動作如圖6所示。傳感器放入還原性氣體中后,電阻值急劇下降,從還原性氣體移出后,傳感器的電阻經過很短的時間即恢復到它的初始值。響應速度和可逆性隨傳感器型號及所含氣體的不同而異。圖4-氧氣分壓的典型影響圖5-典型的敏感特性圖6-典型的傳感器響應2003年6月再版3TGS傳感器通用資料2-4初始動作如圖7所示,當傳感器不通電存放后,再在空氣中通電,所有的傳感器都有一種短暫的行為,稱之為“初始動作”。無論氣體是否出現,傳感器通電后，阻值（Rs在最初的幾秒鐘急劇下降,然后依照周圍氣氛的狀況達到一個平穩的水平。初始動作時間的長短取決于傳感器儲存期間的氣氛條件、儲存時間長短,并因傳感器型號而異。因為通電后傳感器的初始動作會在通電的最初引起報警（參照4-6節,所以在設計電路的時候要考慮這種初始動作。2-5溫濕度影響TGS傳感器的檢測原理是基于氣體在傳感器表面的化學吸附與脫附。因此環境溫度會改變化學反應速度,從而影響傳感器的敏感特性。此外,因為水蒸氣會吸附在傳感器表面,所以濕度將會引起Rs的降低。這些影響的典型示例如圖8所示。使用TGS傳感器時應考慮溫度影響的補償回路（參照4-3節。2-6長期穩定性TGS系列傳感器的長期穩定性典型數據如圖9所示。通常,TGS傳感器所表現的穩定的經時特性,使之適用于免維護應用的場合。2-7加熱器電壓的影響傳感器被設計成在某一個恒定加熱電壓下,傳感器表現出最佳的敏感特性。氣體敏感度如何隨加熱電壓變化的典型事例如圖10所示。由于加熱電壓對傳感器的影響,所以一定要根據傳感器規格調整恒定加熱電壓值。圖7-典型的初始動作圖8-典型的溫濕度影響圖9-典型的長期穩定性圖10-典型的加熱電壓影響2003年6月再版4TGS傳感器通用資料3費加羅氣體傳感器使用注意事項3-1必須避免的情況1暴露于有機硅蒸氣中如果傳感器的表面吸附了有機硅蒸氣,傳感器的敏感材料會被包裹住,抑制傳感器的敏感性,并且不可恢復。硅粘接劑、發膠、硅橡膠和膩子可能存在的地方,傳感器要避免暴露其中。2高腐蝕性的環境在高濃度的腐蝕性氣體(如H2S,SOX,Cl2,HCl等中暴露后的一段時間內會引起加熱材料及傳感器引線的腐蝕或破壞。堿金屬的污染傳感器被堿金屬尤其是鹽水噴霧污染后,性能會發生下降。暴露在無機元素中也會發生這種下降。接觸到水濺到水或浸到水中會造成敏感特性下降。結冰如果水在敏感元件表面結冰,敏感材料會破裂,從而改變傳感器特性。施加電壓過高如果給敏感元件或加熱器施加的電壓高于規定值,即使傳感器沒有受到物理損壞或破壞,也會造成引線和/或加熱器損壞,或使傳感器特性下降。電壓加在引線上(僅限于8型系列6腳型的傳感器,如果電壓加在1、3/或2、4管腳上,會導致引線斷線。2應盡可能避免的情況1凝結水在室內使用條件下,輕微凝結水不會對傳感器性能產生問題。但是,如果水凝結在敏感元件表面并保持一段時間,傳感器特性會下降。2使用在高濃度氣體中無論傳感器是否通電,在高濃度氣體中長時間放置,會影響傳感器特性。20032003年6月再版520032003年6月再版53長期貯存不通電長時間貯存,會使傳感器電阻產生可逆的漂移,這種漂移隨貯存環境變化。傳感器應貯存在有清潔空氣的密封袋中,不要使用硅膠。注意:當不通電貯存時間很長時,傳感器在使用前也需要長時間預通電以使其達到穩定。4長期暴露在不利環境中無論是否通電,如果傳感器長時間暴露在極端條件下,如高濕、高溫、或高污染等級條件,傳感器性能將受到不利的影響。5振動過度的振動會導致敏感元件或引線產生共振和斷裂。在組裝線上使用氣動改錐/超聲波焊接機會產生這種振動,所以請檢查這個因素。6沖擊如果傳感器受到強烈沖擊會導致其引線斷線。7錫焊手工焊接傳感器是最理想的。但在符合下列條件時可使用波峰焊:a推薦助焊劑:含氯最少的松香助焊劑b速度:1-2米/分鐘c預熱溫度:100±20°Cd焊接溫度:250±10Ce最多允許兩次通過波峰焊機如果生產時超出了以上的規定,那么就不能保證波峰焊的結果,因為一些助焊劑蒸汽會產生與硅蒸汽類似的影響,使傳感器特性下降（參照6-2.3/4節。TGS傳感器通用資料4.電路設計4-1負載電阻（RL通過負載電阻可獲得輸出信號,此外,通過調整傳感器的功率在傳感器的額定電壓以下,負載電阻還充當傳感器的保護器。為每個傳感器選擇一個合適的負載電阻可使傳感器特性均一,便于在傳感器的最佳特性下使用。典型的傳感器特性如圖11所示。傳感器配用不同的負載電阻RL（5KQ,2.5KQ,IKQ在電路（如圖14中使用時,氣體濃度與輸出電壓（VRL的關系如圖12所示。RS/RL和VRL/VC的關系如圖13所示。RS/RL為1.0時,VRL/VC的斜率最大。在這一點上,可獲得報警濃度下的最佳信號分辨率。因此,推薦使用使檢測濃度下的RS/RL值為1.0的RL。建議使用可變電阻器（RL以獲得最佳結果。2信號處理傳統的信號輸出處理方法是使用比較器（圖14。當VRL超出設定值（Vref時，比較器信號激勵外部裝置,比如蜂鳴器或LED燈。使用微處理器進行信號處理正變得越來越流行。微處理器被廣泛使用,且價格便宜。除了執行比較器的功能外,還具有其他一些有用的功能,例如溫度影響的補償,自動校準等。20032003年6月再版620032003年6月再版6圖11-敏感特性(Rs圖12-敏感特性(VRL圖13-RS/RL和VRL/VC的關系4-3溫度補償電路幾種環境條件下，典型的檢測氣體曲線如圖15所示。沒有補償電路時，在20°C/65%RH、1500ppm檢測氣體設定的報警點在600ppm至3400ppm間變化。假設65%RH恒定，使用熱敏電阻可在一定程度上補償溫度影響，從而改變圖14中的Vref。例如40C/65%RH下，Vref可從2.5V變化到3.1V，-10C/65%RH下，Vref可從2.5V變化到1.9V。使用補償電路的結果見圖16及表1。熱敏電阻及附加電阻的選擇方法推薦如下:1確定應用的預期環境溫濕度范圍。要考慮平均值為20C、65%RH的通常條件以及-10C和40C/40%—65%RH的極限條件。

得出在上述環境條件下的待測氣體的敏感特性曲線。決定熱敏電阻和附加電阻去擬合平均曲線。圖14中補償電路的推薦值如下:注意:使用這種方法不能實現常溫下的濕度補償。圖14-常用的溫度補償電路Vc圖15-幾種環境條件下的報警點Rl圖14-常用的溫度補償電路Vc圖15-幾種環境條件下的報警點Rl=R1+RiVf)；進桂到廈IE電躋圖16-補償電路的效果2003年6月再版7TGS傳感器通用資料4-4TGS2000系列加熱器突入電流傳感器的加熱器材料有它自身的溫度影響。TGS2000系列傳感器在不同環境溫度下突入電流及加熱器穩態電流如圖17所示。此圖說明突入電流大約比穩態電流高50%。因為加熱器電阻在低溫時電阻值也低,這會導致在室溫下電流比預期高。因此使用了傳感器的裝置第一次通電時,通電的最初一段時間會產生極高的電流。因此在電路設計時要同時考慮突入電流時的保護。加熱器電流4-5傳感器加熱器斷路檢測回路傳感器加熱器的斷路可通過與其串聯的電阻檢測出來。加在此串聯電阻器上的電壓可用于此目的。4-6防止初始動作誤報警正如2-4部分所描述的那樣,無論是否有對象氣體出現,通電后最初的幾秒內Rs急劇下降,引起VRL超過Vref,然后依照周圍氣氛趨向穩態（初始動作。由于通電的最初一段時間的暖機過程的動作很可能引起報警,為了防止初始動作誤報警請使用圖18所示的回路。此回路應與傳感器回路圖14中的VRL連接。4-7蜂鳴器延遲回路為了防止瞬間的氣體干擾引發的誤報警,如烹調時蒸氣中的乙醇氣,使用類似于圖18所示的延遲回路。圖17-環境溫度對TGS2000系列傳感器加熱體電流的影響

1(X101(X10圖18-防止初始動作引發報警2003年6月再版8TGS傳感器通用資料5.檢測器設計(見圖19示例流程圖5-1電路使用熱敏電阻補償溫度影響時,注意到熱敏電阻將補償傳感器周圍發生的溫度變化。因此傳感器和熱敏電阻要放在不受電路產生熱量影響的地方。要確保符合規定的傳感器加熱器工作條件如電壓,電流,加熱周期和檢測時間。在設計電路結構(如線條寬度,跨距和布局時,要考慮流過傳感器的大電流。負載電阻值應設定為接近報警點時的傳感器電阻值。如果使用可調電阻,應考慮它的可調范圍。電路功能應包括引線或加熱器的斷路或傳感器元件的失效的故障/安全保護模式。5-2檢測器外殼外殼在傳感器周圍應有一個小隔斷(參考圖19-1。這個隔斷間通過對流促進傳感器快速響應,并且使檢測器中其它元件產生的熱量對傳感器的影響最小化。檢測器外殼至少在兩面做切口,并且要保證切口足夠的數量和寬度,以便于氣體在傳感器周圍流動(參考圖19-2。2外殼的設計要便于從外殼最大限度地散熱。5-3樣機評審測驗做評審測驗以判定是否可開始批量生產。圖14L圖14L-檢測器外瓷中伎感器隔斷間示例圖19-檢測器設計流程圖2003年6月再版9TGS傳感器通用資料2傳感器預通電預通電(PCB.裝堯駕:'6.檢測器生產6-1生產設備1傳感器和檢測器的預通電設備不管施加電壓的波動,要持續施加額定周期下的額定電壓。在預通電過程中,傳感器/檢測器要垂直固定,如同它們在墻上的安裝位置。氣體測試箱避免使用熟化后可能放出氣體的絕緣或密封材料,如硅樹脂密封劑和溶劑型的粘合劑。提供的空氣和檢測氣體的混合氣應在可測量、可控的溫濕度下進行。測試箱的容量應足夠大—每個傳感器1升或更多的空間。應給檢測器提供靜止的混合氣,這樣會避免氣體直接流向傳感器,防止傳感器錯誤地高靈敏。在氣體處理過程中檢測器要垂直固定,如同它們在墻上的安裝位置。工廠環境環境應清潔并不含有機蒸氣,如酒精。特別要注意傳感器/檢測器預通電設備周圍的環境—保持這些區域遠離有影響的氣體,特別是含硅蒸氣。如果使用三氯乙烯,氟里昂或地板密封劑等揮發性清洗劑,所有的產品要從該區域移走并妥善安置,直到該區域徹底通風后才可以返回。6-2制造工藝（制造工藝流程圖示例如圖-201傳感器的貯存和處置傳感器要在包含通常的清潔空氣的密封袋中貯存。圖-20檢測器制造工藝流程圖傳感器預通電的時間最短為2天,但強烈建議通電7天或更長時間以獲得最佳效果。確認通電時遵循標準電路條件并保持清潔的氣氛條件。3PCB裝配傳感器裝配到PCB上之前,助焊劑應充分烘干。4傳感器裝配強烈建議手工焊接。推薦使用組成為Sn63:Pb37或Sn60:Pb40、不含氯的樹脂助焊劑（MIL:RMA級;如AlmitKR-19。2003年6月再版10TGS傳感器通用資料9）氣體測試用檢測氣體測試所有的最終成品。保持測試箱氣氛條件穩定，利用用戶規定的測試條件，即取決于其適用的性能標準以及檢測器預期使用條件。從測試箱中清除任何痕量的煙，粘接劑，雜質氣體，溶劑。10）氣體測試不合格品的重新設定電路功能檢測如果沒有問題，可以重新濃度設定。預通電時間應兩倍于檢測器測試后的未通電放置時間，以使檢測器充分穩定。重新設定不能超過4次。11）最終成品的貯存檢測器應保管在空氣清潔的環境中。避免在不潔及有污染的環境中保存。6-13部分所列出的注意事項同樣適用。5）PCB預