傳感器在智能家居中的應(yīng)用

1、傳感器在智能家居中的應(yīng)用（）摘要：本文以智能家居為背景，主要討論了溫度傳感器、光傳感器和氣敏傳感器這三種傳感器在智能家居中的應(yīng)用。首先對系統(tǒng)進行了需求分析，明確了系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能，在本文中主要測溫度、亮度和氣體這三個量。其次對每種傳感器的選型進行了詳細(xì)的方案對比，然后選定一種較合適的傳感器，最后對選定的傳感器進行介紹，包括原理、電路圖，精度分析等。最后對對智能家居目前存在的問題進行了簡單描述以及對本文的一個總結(jié)。關(guān)鍵詞：智能家居；溫度傳感器；光傳感器；氣敏傳感器Sensors in the smart homeAbstract: In this paper,I mainly discussed

2、 the temperature sensors, light sensors and gas sensors in the smart home. Firstly, I analysised the smart home system and defined the function of system，primarily measured the temperature, the brightness and the amount of gas。Secondly, the selection of each sensor for a detailed comparison have bee

3、n included in this paper, and then I select a more suitable sensor,introduced it，including the principle, schematics, precision analysis. Finally, I gave a simple description of problems in smart home and a summary of this paper.Key words: smart home；temperature sensors；light sensors；gas sensors一、智能

4、家居簡介智能家居就是通過綜合采用先進的計算機、通信和控制技術(shù)（3C），建立一個由家庭安全防護系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)和家庭自動化系統(tǒng)組成的家庭綜合服務(wù)與管理集成系統(tǒng)，從而實現(xiàn)全面的安全防護、便利的通訊網(wǎng)絡(luò)以及舒適的居住環(huán)境的家庭住宅。智能家居是IT技術(shù)（特別是計算機技術(shù)），網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)向傳統(tǒng)家電產(chǎn)業(yè)滲透發(fā)展的必然結(jié)果。相信很多人對一些美國科幻電影中的鏡頭印象深刻：主人公回到家中，隨著門鎖被開啟，家中的安防系統(tǒng)自動解除警戒，廊燈緩緩點亮，空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)自動啟動，動聽的背景交響樂輕輕奏起。主人公坐在家中沙發(fā)上，手拿一個外觀精美的遙控器，就能控制家中所有的電器。晚上，主人公上床休息，在他躺下的一刻，

5、所有的窗簾都自動關(guān)閉，入睡前，床頭邊的面板上，晚安的燈光按鈕亮起，所有需要關(guān)閉的燈光和電器設(shè)備自動關(guān)閉，同時安防系統(tǒng)自動開啟處于警戒狀態(tài)。主人公外出的時候，只要按一個鍵就可以關(guān)閉家中所有的燈和電器。 在科技高速發(fā)展的今天，這已經(jīng)不僅僅是只能在科幻電影中看到的情景了。隨著智能家居逐漸走進我們的生活，這樣的場景也許不久就會在您身邊變成現(xiàn)實。現(xiàn)代科技進入家居的帶來的變化令人嘖嘖稱奇，給人們的家居生活帶來了極大的便利。上文所描繪的這些場景，都是是智能家居將要帶給您的“神奇”體驗，而這一切，不過是智能家居控制系統(tǒng)能為您做的事情中的一小部分。 智能化志在必行是發(fā)展的趨勢，因為這個世界顯然是為懶人設(shè)計的。智

6、能家居的概念并不是一個新東西，其實早在10年前，智能家居的概念就從國外引入到國內(nèi)，從最初的夢想到真正進入我們今天的生活，智能家居在隨著科技的發(fā)展，經(jīng)歷了一個既熱鬧又艱難的發(fā)展過程的同時，也完成了在中國的跨越式發(fā)展。那么到底什么是智能家居呢？智能家居并沒有一個精確地定義，我們大家通常所說的智能家居就是以住宅為平臺，兼?zhèn)浣ㄖ⒕W(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。智能家居系統(tǒng)可以為您提供家電控制、照明控制、窗簾控制、電話遠(yuǎn)程控制、室內(nèi)外遙控、防盜報警、以及可編程定時控制等多種功能和手段，使您的生活更加舒適、便利和安全。一個比較完善的

7、智能家居的示意圖如圖1所示：圖1 智能家居示意圖與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，提供舒適安全、高品位且宜人的家庭生活空間，還由原來的被動靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇又腔鄣墓ぞ?，提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外部保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時間，增強家居生活的安全性，甚至為各種能源費用節(jié)約資金。 由于每個家庭成員的職業(yè)、經(jīng)歷、喜好、教育程度、家庭背景千差萬別，智能家居不僅是產(chǎn)品的設(shè)計安裝和功能實現(xiàn)，更重要的是個人風(fēng)格的體現(xiàn)。同時，智能家居高度的智能化和舒適化正是為了達(dá)到家居生活中的高度人性化，使用戶個人感官在智能家居系統(tǒng)中得到淋漓盡致的舒展。在這樣的趨勢

8、下，讓智能家居中的人性化應(yīng)用，成為智能家居得以發(fā)展普及的重心。二、系統(tǒng)需求分析要實現(xiàn)智能家居的基本功能，主要涉及到以下3個物理量的測量：1. 溫度系統(tǒng)可以自動啟動家中的降溫或取暖設(shè)備，讓你每天都能享受最舒適的溫度。因為是測室內(nèi)溫度，精度不需要太高，精度滿足在±1即可2. 亮度系統(tǒng)根據(jù)主人的需要達(dá)到最理想的亮度，而且當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時還能自動調(diào)節(jié)，還能達(dá)到節(jié)約電能的效果。3. 氣體如果家中出現(xiàn)大的煙霧，可以自動啟動通風(fēng)器。如果發(fā)生火災(zāi)，系統(tǒng)可以自動啟動家中的火警系統(tǒng)。三、測量方案3.1設(shè)計思路在設(shè)計這幾個傳感器的時候，應(yīng)考慮到它是用在智能家居中，應(yīng)滿足如下幾個總體要求：（1） 體積小

9、巧、可拆卸更換（2） 對檢測信號響應(yīng)速度快，重復(fù)性好（3） 長期工作穩(wěn)定性好（4） 使用壽命長制造成本低，使用與維護方便針對各個不同的傳感器，還有如下具體要求：溫度傳感器：因為是測室內(nèi)溫度，測溫范圍不需要很大，測溫范圍在-55-100即可。光傳感器：選定的光傳感器應(yīng)該要能根據(jù)室內(nèi)光線強弱自動調(diào)節(jié)燈光的強弱和開關(guān)。氣體傳感器:第一，除了檢測氧氣、二氧化碳、水蒸氣這些常見氣體外，還要能檢測甲烷、一氧化碳等這些在家里可能出現(xiàn)的危險氣體；第二，能選擇性地檢測某種單一氣體，而對共存的其它氣體不響應(yīng)或低響應(yīng)；第三，對被測氣體具有較高的靈敏度，能有效地檢測允許范圍內(nèi)的氣體濃度。3.2方案論證與比較3.2.1

10、溫度傳感器的設(shè)計常用的溫度傳感器有四類：即熱電偶、熱電阻RTD、熱敏電阻及集成電路溫度傳感器；每一類溫度傳感器有自己獨特的溫度測量范圍，有自己適用的溫度環(huán)境；沒有一種溫度傳感器可以通用于所有的用途：熱電偶的可測溫度范圍最寬，而熱電阻的測量線性度最優(yōu)，熱敏電阻的測量精度最高。因為熱電阻RTD一般價格較昂貴，在這里不予考慮。（1）方案比較方案一：使用熱電偶傳感器，熱電偶傳感器的測溫范圍為-270-1800，測溫精度為±0.5。線性度：需要至少是四次多項式或是等效的對照表。魯棒性：熱電偶線徑較粗，使得這種傳感器較為堅實，加之外表絕緣皮進一步增強其強度激勵方式：不需要輸出形式：電壓外形輪廓：

11、圓柱尺寸=5倍線徑價格：70-350元方案二：使用熱敏電阻傳感器，熱敏電阻傳感器的測溫范圍為-100-150，測溫精度為±0.1。線性度：需要至少是三次多項式或是等效的對照表魯棒性：熱敏電阻封裝方式較多，密封性、穩(wěn)定性最好的封裝方式是玻璃封裝。熱敏電阻的處置稍難，但它不受沖擊和振動的影響激勵方式：電壓源輸出形式：電阻外形輪廓：2.5×2.5毫米價格：14-70元方案三：使用集成電路溫度傳感器，集成電路溫度傳感器的測溫范圍為-55-150，測溫精度為±1。線性度：最優(yōu)在±1以內(nèi)，無需線性化魯棒性：其結(jié)實耐受度與集成電路及表面貼裝器件相同激勵方式：一般外用電

12、源輸出形式：電壓、電流或數(shù)字信號外形輪廓：從T018晶體管封裝到雙列直插封裝價格：7-70元方案選擇：綜合以上三種方案比較，方案三比較適合用在智能家居的測溫系統(tǒng)中，因為它不需要經(jīng)常移動，測溫環(huán)境比較好，價格便宜，靈敏度高，使用方便，組裝后體積非常小。所以最后選用了一種數(shù)字輸出型集成溫度傳感器DS18B20。其外形圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2和圖3所示：圖2 DS18B20外形圖圖3 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（2）DS18B20的特性(1) 可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：3.05.5V； (2) 測溫范圍：-55+125，在-10+85時精度為±0.5； (3) 可編程的分辨率為912位，對應(yīng)的可

13、分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625； (4) 12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字； (5) 負(fù)壓特性：電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 （3）DS18B20的工作原理DS18B20測溫原理如圖所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用來向計數(shù)器1提供固定頻率的脈沖信號。高溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響較大，隨溫度的變化而明顯改變，其產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器 2的脈沖輸入，用于控制閘門的關(guān) 閉時間。初態(tài)時，計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在與-55 相對應(yīng)的一個基值 上。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，在計數(shù)器2

14、控制的閘門時間到達(dá)之前，如果計數(shù)器1的預(yù)置值減到0，則溫度寄存器的值將作加1運算，與此同時，用于補償和修正測溫過程中非線性的斜率累加器將輸出一個與溫度變化相對應(yīng)的計數(shù)值，作為計數(shù)器1的新預(yù)置值，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)，直到計數(shù)器2控制的閘門時間到達(dá)亦即計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖4 測溫原理圖（4）DS18B20的精度分析根據(jù)開始所查資料的介紹，DS18B20的轉(zhuǎn)換精度為0.5攝氏度，根據(jù)后來進一步的資料查證，發(fā)現(xiàn)其轉(zhuǎn)換精度是可以調(diào)整的，其出廠設(shè)置為12位。DS18B20的轉(zhuǎn)換精度設(shè)定需要對暫存器的第五六位

15、進行數(shù)據(jù)操作。使用過程中要注意所使用的轉(zhuǎn)換方式，每種轉(zhuǎn)換方式轉(zhuǎn)換溫度所花的時間是不同的，必須要等待足夠長的時間后才能從DS18B20中讀出正確的溫度值。如下圖所示，DS18B20的可編程的分辨率為9-12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625。因為家用中傳感器精度要求不高，所以編程時選9位的存儲單元即可，這樣可以提高反應(yīng)速度。圖5 轉(zhuǎn)換精度模式設(shè)定（5）DS18B20的測溫電路圖圖6 測溫電路圖3.2.2光傳感器的設(shè)計光傳感器是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。光傳感器不只局限于對光的探測，它還可以

16、作為探測元件組成其他傳感器，對許多非電量進行檢測，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號的變化即可。光傳感器是目前產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的傳感器之一，它在自動控制和非電量電測技術(shù)中占有非常重要的地位。 光敏傳感器的種類繁多，主要有：光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏三極管、光電耦合器、太陽能電池、紅外線傳感器、紫外線傳感器、光纖式光電傳感器、色彩傳感器、CCD和CMOS圖像傳感器等。在本文中主要是用光傳感器來控制燈光的閉合和亮度，所以選用光敏電阻傳感器和光敏二極管傳感器進行比較。（1）方案比較方案一：使用光敏二極管傳感器，光敏二極管也叫光電二極管。光敏二極管與半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類似的,其管芯是一個具有光

17、敏特征的PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦裕虼斯ぷ鲿r需加上反向電壓。無光照時，有很小的飽和反向漏電流，即暗電流，此時光敏二極管截止。當(dāng)受到光照時,飽和反向漏電流大大增加，形成光電流,它隨入射光強度的變化而變化。當(dāng)光線照射PN結(jié)時，可以使PN結(jié)中產(chǎn)生電子一空穴對，使少數(shù)載流子的密度增加。這些載流子在反向電壓下漂移，使反向電流增加。因此可以利用光照強弱來改變電路中的電流。光敏二極管傳感器的模塊如圖6所示：圖6 光敏二極管傳感器模塊光敏二極管傳感器有如下特點：1、采用光敏二極管感應(yīng)光線的強度，自帶繼電器，直接控制負(fù)載。2、配電位器調(diào)節(jié)靈敏度，通過調(diào)節(jié)電位器，設(shè)定啟動繼電器閥值，當(dāng)亮于此閥值時，模塊繼電器吸合，

18、暗于此閥值時，繼電器釋放，因此接常開與公共端就是控制白天的開關(guān)，接常閉與公共端就是控制晚上的開關(guān)。3、工作電壓5V4、輸出形式 ：直接接AC 220V 10A 或DC30V 10A的負(fù)載5、設(shè)有4個固定螺栓孔，方便安裝6、小板PCB尺寸：5cm x 2.6cm7、使用寬電壓LM393比較器與光敏電阻比較，光敏二極管方向性比較好，可以感知固定方向的光源，檢測光敏二極管正前方的光線，周邊很難檢測，常應(yīng)于尋光功能。方案二：使用光敏電阻傳感器，光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器，又稱為光電導(dǎo)探測器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。還有另一種入射光弱，

19、電阻減小，入射光強，電阻增大。圖7 光敏電阻傳感器模塊光敏電阻傳感器有如下特點：1、采用靈敏型光敏電阻傳感器2、比較器輸出，信號干凈，波形好，驅(qū)動能力強，超過15mA。3、配可調(diào)電位器可調(diào)節(jié)檢測光線亮度4、工作電壓3.3V-5V5、輸出形式 ：數(shù)字開關(guān)量輸出（0和1）6、設(shè)有固定螺栓孔，方便安裝7、小板PCB尺寸：3.2cm x 1.4cm8、使用寬電壓LM393比較器光敏電阻模塊對環(huán)境光線最敏感，一般用來檢測周圍環(huán)境的光線的亮度，觸發(fā)單片機或繼電器模塊等。方案選擇：兩種傳感器非常相似，大小、精度、價格都相差不大，都基本能實現(xiàn)智能家居中對燈的控制功能，但還是各有側(cè)重點。光敏二極管方向性比較好，

20、可以感知固定方向的光源，檢測光敏二極管正前方的光線，周邊很難檢測，常應(yīng)于尋光功能。而光敏電阻對環(huán)境光線最敏感，一般用來檢測周圍環(huán)境的光線的亮度。所以比較發(fā)現(xiàn)光敏電阻傳感器比較合適。最后選擇一種市面上比較常用的4線光敏傳感器模塊。（2）光敏電阻模塊的細(xì)節(jié)說明圖8 光敏傳感器模塊細(xì)節(jié)圖（3）光敏電阻的工作原理圖9 光敏電阻用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，通常大于1M。當(dāng)受到光照時，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價帶中產(chǎn)生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子空穴對增加了半導(dǎo)

21、體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對將逐漸復(fù)合，光敏電阻的阻值也就逐漸恢復(fù)原值。光電特性：在光敏電阻兩級電壓固定不變時，光照度與電阻及電流間的關(guān)系稱為光電特性，光電特性曲線如下圖所示：圖10 光敏電阻特性曲線（4）光敏電阻傳感器的精度分析光敏電阻中光電導(dǎo)作用的強弱是用其電導(dǎo)的相對變化來標(biāo)志的。禁帶寬度較大的半導(dǎo)體材料，在室溫下熱激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對較少， 無光照時的電阻（暗電阻）較大。因此光照引起的附加電導(dǎo)就十分明顯， 表現(xiàn)出很高的靈敏度。光敏電阻常用的半導(dǎo)體有硫化鎘（CdS，禁帶寬度Eg2.4eV）和硒

22、化銀（CdSe，禁帶寬度Egl.8eV）等。敏感元件的電阻可表示為：式中l(wèi)為長度，Ad為敏感元面積,6為電導(dǎo)率。光導(dǎo)探測器響應(yīng)率正比于光照后電導(dǎo)率的相對變化，而后者又可表示為：為了提高光敏電阻的靈敏度，應(yīng)盡量減小電極間的距離。對于面積較大的光敏電阻，通常采用光敏電阻薄膜上蒸鍍金屬形成梳狀電極，（5）光敏電阻傳感器的電路圖圖11 光敏電阻模塊電路圖3.2.3氣體傳感器的設(shè)計本文所設(shè)計的氣敏傳感器的信號采集系統(tǒng)采用單片機AT89C51，本設(shè)計能將在測試環(huán)境中的氣體傳感器輸出的模擬電壓通過A/D轉(zhuǎn)換器送入單片機AT89C51中進行處理后通過液晶顯示，通過設(shè)置報警值，當(dāng)檢測到的濃度達(dá)到或者超過設(shè)定值時

23、，用單片機控制發(fā)光二極管發(fā)光報警，同時打開喇叭發(fā)出聲音報警，來達(dá)到報警的目的。（1）方案比較方案一：使用半導(dǎo)體氣體傳感器，半導(dǎo)體氣體傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的氣體傳感器，以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的氣體傳感器。自1962年半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器問世以來，由于具有靈敏度高、響應(yīng)快、輸出信號強、耐久性強、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜等諸多優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用。該傳感器己成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的氣體傳感器之一。按照敏感機理分類，可分為電阻型和非電阻型。電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器依據(jù)其電阻隨氣體含量的不同而變化的特征來檢測氣體。非電阻式半導(dǎo)體氣敏元件則利用其電流或電壓隨氣體含量的變化

24、來檢測氣體，主要有MOS二極管式和結(jié)型二極管式及場效應(yīng)管式。方案二：使用固體電解質(zhì)傳感器，固體電解質(zhì)氣體傳感器使用固體電解質(zhì)氣敏材料作為氣敏元件，其原理是利用氣敏材料在通過氣體時產(chǎn)生電阻，測量其形成電動勢從而測量氣體濃度。由于這種傳感器電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，因而得到了廣泛的應(yīng)用，幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個領(lǐng)域，其產(chǎn)量僅次于半導(dǎo)體氣體傳感器的一類傳感器。但這種傳感器制造成本高，檢測氣體范圍有限，在檢測環(huán)境污染領(lǐng)域中有優(yōu)勢。方案三：使用電化學(xué)傳感器，電化學(xué)傳感器由膜電極和電解液封裝而成。氣體濃度信號將電解液分解成陰陽帶電離子，通過電極將信號傳出。它的優(yōu)點是：反映速度快、準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、

25、能夠定量檢測，但壽命較短(大約兩年)。它主要適用于毒性氣體檢測。目前國際上絕大部分毒氣檢測采用該類型傳感器。方案選擇：常見氣體傳感器可檢測氣體種類如下圖所示：圖12 各種傳感器可檢測的氣體種類固體電解質(zhì)傳感器可檢測氣體太少，常見的二氧化碳?xì)怏w和甲烷都不能檢測，因此不適合用在智能家居中，而電化學(xué)傳感器不能檢測一氧化碳和甲烷。經(jīng)過對比，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體氣敏傳感器檢測范圍廣，優(yōu)點更加突出：靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價格便宜。因此，本設(shè)計采用半導(dǎo)體氣敏傳感器作為氣體信息采集部分的核心。半導(dǎo)體氣體傳感器之所以能得到迅速的發(fā)展，除靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單和使用方便的優(yōu)點外，更由于它可以與大規(guī)模集成電路、

26、微 機處理、計算機結(jié)合起來。而在眾多半導(dǎo)體氣敏傳感器中，本設(shè)計選用MQ-4型氣敏感器，這種型號的傳感器具備一般半導(dǎo)體氣敏傳感器靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強、壽命長等優(yōu)點。（2）MQ-4型氣敏感器介紹MQ-4型氣敏感器有如下特點：l 在較寬的濃度范圍內(nèi)對甲烷，天然氣有很高的靈敏度； ll 對乙醇，煙霧的靈敏度很低； l l 快速的響應(yīng)恢復(fù)特性； l 長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性，成本低廉； l l 簡單的驅(qū)動電路。圖13 MQ-4氣敏元件的外形和結(jié)構(gòu)圖MQ-4氣敏元件的外形和結(jié)構(gòu)如圖13所示，由微型AL2O3陶瓷管，SnO2

27、敏感層，測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個用于信號取出，2個用于提供加熱電流。（3）MQ-4型氣敏傳感器的工作原理半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用待測氣體與半導(dǎo)體(主要是金屬氧化物)表面接觸時,產(chǎn)生的電導(dǎo)率等物性變化來檢測氣體。半導(dǎo)體氣敏器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)下,當(dāng)氣體接觸器件表面而被吸附時,吸附分子首先在表面自由地擴散(物理吸附) ,失去其運動能量,其間的一部分分子蒸發(fā),殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處(化學(xué)吸附)。這時,如果器件的功函數(shù)小于吸附分子的電子親和力,則吸附分子將從器件奪取電子而變成負(fù)離

28、子吸附。具有負(fù)離子吸附傾向的氣體有O2和NOx,稱為氧化型氣體或電子接收性氣體。如果器件的功函數(shù)大于吸附分子的離解能,吸附分子將向器件釋放電子,而成為正離子吸附。具有這種正離子吸附傾向的氣體有H2、CO、碳?xì)浠衔锖途祁惖?稱為還原型氣體或電子供給性氣體。當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上,還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時,將使載流子減少,而使電阻增大。相反,當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上,氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時,將使載流子增多,使電阻下降。當(dāng)這種半導(dǎo)體氣敏傳感器與氣體接觸時,其阻值發(fā)生變化時間(稱響應(yīng)時間)不到1min。相應(yīng)的N型材料有SnO2、ZnO、TiO2、W2O3等,P型材料有Mo

29、O2、CrO3等。 空氣中的氧成分大體上是恒定的,因而氧的吸附量也是恒定的,氣敏器件的阻值大致保持不變。如果被測氣體流入這種氣氛中,器件表面將產(chǎn)生吸附作用,器件的阻值將隨氣體濃度而變化,從濃度與阻值的變化關(guān)系即可得知氣體的濃度。如下圖所示：圖14 N型半導(dǎo)體吸附氣體時的器件阻值變化（4）MQ-4型氣敏傳感器的電路圖圖15 氣敏傳感器電路圖四、總結(jié)通過本次課程設(shè)計，讓我對智能家居以及傳感器的原理應(yīng)用有了一個很好的認(rèn)識和了解。平時在生活中看到的一些應(yīng)用只會覺得它很方便，但是對它一點都不了解。例如，很多樓道中的聲控?zé)?，只要說話或者走路發(fā)出聲音就可以讓燈點亮，記得第一次接觸到還感到很神奇，現(xiàn)在通過這學(xué)

30、期傳感器的學(xué)習(xí)，也懂得了它的原理。還有很多生活中常見的應(yīng)用都與傳感器有關(guān)，只是平時我們接觸太少，我相信以后大家通過一定的學(xué)習(xí)都會了解的。平時我們看電影的時候，會出現(xiàn)很多智能化的東西，讓每個人都很羨慕，都在想要是自己以后家里也可以像那樣就好了。但是，現(xiàn)在的科技如此發(fā)達(dá)，一切都不是夢想，那些“神奇”的東西在現(xiàn)實中都可以實現(xiàn)。其實很多生活條件優(yōu)越的人都已經(jīng)享受到了那樣的生活。你可以在任何地方，只要一個遙控器就可以控制你家里的所有東西，還可以隨時隨地監(jiān)視家里的情況。不僅可以方便自己的生活，還可以有防盜的作用。傳感器的應(yīng)用非常廣泛，在各種航天器上，利用多種傳感器測定和控制航天器的飛行參數(shù)、姿態(tài)和發(fā)動機工作狀態(tài)，將傳感器獲取的種種信號再輸送到各種測量儀表和自動控制系統(tǒng)，進行自動調(diào)節(jié)，使航天器按人們預(yù)先設(shè)計的軌道正常