TP-1.1A 非加热低功耗甲烷气体传感器
HONEYWELL（霍尼韦尔）
a
b
企业名：北京商思达电子销售二部
类型：生产制造商
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地址：北京北京市北京海淀区中发电子大厦12097
TP-1.1A 是采用纳米级 SnO 2 进行合理的半导体掺杂，以微珠结构制成的非加热、低功耗、对甲烷高度灵敏的可燃气体传感器。由于其低功耗的特点，派生一些加热元件不可能达到的技术指标，经过多年可靠性实验，其性能指标超过了加热式、旁热式及催化燃烧式可燃气体传感器，是可燃气体传感器一个重要的分支。
一、综述
1 、特点
• 低功耗 ☆ 寿命长 ( ≥ 5 年 )
• 环境适应能力强（抗烟、酒精，不怕油分子吸附）
• 应用电路简单
• 对甲烷及液化石油气高度的灵敏性
• 高浓度可燃气体冲击时，传感器无影响
2 、应用
☆ 煤矿瓦斯监测、工业甲烷、天然气监测 ☆ 民用燃气泄漏报警 ☆ 以天然气为动力燃料的汽车安全监测 ☆ 便携式气体探测仪
3 、
结构
图 1 表示出 TP-1.1A 的结构，其基座由 4J29 可伐材料制成，引脚由可伐材料镀金，管帽由 10# 钢带制成。外壳的丝网由 150 目的不锈钢防火阻燃材料构成 (SUS316) ，这种结构可防止内部火花点燃 2 ： 1 的氢气 / 氧气气体产生的火花溢出外部。
注： 元件帽带标识方向为负极 。
4 、基本测试电路
图 2 表示 TP-1.1A 的测试电路。
V
I 是加在传感器上的电压
V O 是负载电阻 R L 上的电压输出
传感器的信号通过 R L 上电压的变化获得。
传感器电阻变化可通过公式：
R S =(V I -V O ) · R L /V O 获得。
5 、工作条件
|
工作电压 |
6V DC |
|
负载电阻 |
51 Ω |
|
传感器功耗 |
≤ 150mW |
|
工作温度 |
— 40 ℃ ~ ＋ 70 ℃ |
6 、机械强度
• 拉力： 5KG 在每个方向
• 振动： ( 三个互相垂直的轴线上，在 10~150~10Hz 的频率循环，以 9.81m/s 2 的加速度幅值、 1 倍频程 / 分的扫频速率各进行 20 次扫频循环 ) 频率： 1000C/ 分；高度： 4mm ，垂直方向一小时
• 冲击： 100G 的加速度，重复 5 次
二、敏感特性
1 、 TP-1.1A 对多种可燃气体的敏感特性
图 3 表示 TP-1.1A 对各种气体的反应关系 Y 轴代表的是传感气电阻 R S ( 在目标气体中 ) ， R O ( 在空气中 ) 的比
图 4 是表示测试电路 V O 的输出在不同气体及浓度下的变化曲线。
2 、温湿度的影响
• 恒定湿热试验： 40 ℃ , 95%RH ， 96 小时 ( 见图 5) 。 Y 轴表示 V O 的输出电压值。
图 5 恒定湿热实验
• 低温实验： (-40 ℃ ,4 小时 )
低温实验记录
|
0# |
1# |
2# |
3# |
4# |
5# |
6# |
7# |
|
|
空气中 (25 ℃ ,80%) |
1.2 |
1.2 |
1.4 |
1.8 |
1.6 |
1.5 |
1.8 |
1.7 |
|
0 ℃ |
1.2 |
1.2 |
1.5 |
1.7 |
1.6 |
1.57 |
1.7 |
1.6 |
|
-7 ℃ |
Δ |
Δ |
Δ |
1.6 |
Δ |
1.6 |
Δ |
Δ |
|
-10 ℃ |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
|
-15 ℃ |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
|
-20 ℃ |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
|
-25 ℃ |
※ |
※ |
※ |
※ |
※ |
※ |
※ |
※ |
|
-40 ℃ ( 维持 4 小时 ) |
※ |
※ |
※ |
※ |
※ |
※ |
※ |
※ |
|
0 ℃ |
1.4 |
1.0 |
1.6 |
2.0 |
1.9 |
1.7 |
2.0 |
2.1 |
|
加入 0.7%CH 4 |
3.3 |
3.4 |
3.5 |
3.7 |
3.4 |
3.5 |
3.7 |
3.6 |
|
20 ℃ |
1.5 |
1.5 |
1.2 |
1.8 |
1.5 |
1.7 |
1.5 |
1.5 |
|
通入 0.65%CH 4 |
3.6 |
3.7 |
3.6 |
3.9 |
3.5 |
3.4 |
3.8 |
3.6 |
|
通入 1.2%CH 4 |
3.8 |
3.9 |
3.9 |
4.1 |
3.7 |
3.7 |
3.9 |
3.7 |
注： Δ ※代表传感器输出出现振荡波型
其中 Δ 代表50秒内振荡2～3次 ※ 代表 50 秒内振荡 1 次
注：在干燥的条件下 ( ≤ 70%RH)V O 输出会出现正弦振荡现象，振幅在 0~2V 之间的正弦振荡，这种状态对气敏特性没任何影响，反而进入了更低功耗状态，降低功耗尽 40% ，其特性见图 6 。
5V
4.04V
3.5V 3.85V
2.5
0.04
清洁空气中 注入 气体 甲烷浓度 0.25% 0.5% 1.00%
图 6
• 0 ℃环境下传感器工作状态记录
|
测试时间 |
条件 |
0# |
1# |
2# |
3# |
4# |
5# |
6# |
7# |
|
0 小时 |
空气 (25 ℃ ,80%RH) |
1.5 |
1.6 |
1.6 |
1.5 |
1.5 |
1.4 |
1.7 |
1.4 |
|
12 小时 |
0 ℃ |
1.45 |
1.54 |
1.56 |
1.55 |
1.51 |
1.50 |
1.60 |
1.39 |
|
17 小时 |
0 ℃， 0.7%CH 4 |
3.7 |
3.6 |
3.5 |
3.7 |
3.8 |
3.6 |
3.7 |
3.5 |
|
17 小时 |
0 ℃， 0.49%CH 4 |
3.3 |
3.3 |
3.2 |
3.4 |
3.5 |
3.3 |
3.3 |
3.3 |
|
17 小时 |
0 ℃， 0.77%CH 4 |
3.5 |
3.47 |
3.36 |
3.59 |
3.66 |
3.48 |
3.56 |
3.47 |
|
17 小时 |
0 ℃， 0.15%C 3 H 8 |
4.0 |
4.0 |
3.8 |
3.9 |
3.9 |
3.9 |
3.9 |
3.9 |
|
18 小时 |
0 ℃， 1%CH 4 |
3.6 |
.6 |
3.5 |
3.7 |
3.7 |
3.6 |
3.7 |
3.5 |
|
25 小时 |
0 ℃， 0.6%CH 4 |
3.4 |
3.5 |
3.4 |
3.5 |
3.5 |
3.6 |
3.6 |
3.3 |
|
36 小时 |
-5 ℃， 0.55%CH 4 |
3.4 |
3.5 |
3.4 |
3.6 |
3.6 |
3.5 |
3.6 |
3.4 |
|
44 小时 |
0 ℃，空气环境 |
1.5 |
1.6 |
1.6 |
1.6 |
1.6 |
1.6 |
1.7 |
1.4 |
|
60 小时 |
-9 ℃， 0.7%CH 4 |
3.4 |
3.4 |
3.35 |
3.5 |
3.5 |
3.45 |
3.65 |
3.3 |
|
-12 ℃（传感器振荡） |
～ |
～ |
～ |
～ |
～ |
～ |
～ |
～ |
|
|
-12 ℃，通 0.6%CH 4 |
3.3 |
3.4 |
3.3 |
3.4 |
3.4 |
3.4 |
3.5 |
3.1 |
|
|
84 小时 |
-8 ℃，通 0.6%CH 4 |
3.4 |
3.47 |
3.37 |
3.59 |
3.56 |
3.46 |
3.6 |
3.3 |
|
-8 ℃，通 0.55 %CH 4 |
3.4 |
3.4 |
3.36 |
3.54 |
3.55 |
3.45 |
3.63 |
3.29 |
|
|
100 小时 |
-8 ℃，通 1.1%CH 4 |
3.6 |
3.6 |
3.51 |
3.66 |
3.7 |
3.6 |
3.8 |
3.45 |
|
回到 22 ℃， 75%RH ， 通 0.6%CH 4 |
3.5 |
3.5 |
3.3 |
3.5 |
3.6 |
3.5 |
3.6 |
3.45 |
|
• 高温高湿实验： 70 ℃， 98%RH
|
0# |
1# |
2# |
3# |
4# |
5# |
6# |
7# |
|
|
1.45 |
1.73 |
1.72 |
1.61 |
1.7 |
1.64 |
1.69 |
1.57 |
|
|
40 ℃ |
1.75 |
2.0 |
2.0 |
1.85 |
2.1 |
1.9 |
1.9 |
1.8 |
|
70 ℃ |
1.8 |
2.1 |
2.4 |
2.3 |
2.4 |
2.3 |
2.4 |
2.4 |
|
70 ℃ |
1.9 |
2.2 |
2.4 |
2.3 |
2.4 |
2.3 |
2.4 |
2.4 |
|
2 小时后 |
1.9 |
2.1 |
2.4 |
2.2 |
2.3 |
2.3 |
2.4 |
2.3 |
|
空气 |
1.5 |
1.6 |
1.8 |
1.6 |
1.6 |
1.6 |
1.6 |
1.6 |
|
1.2 |
1.3 |
1.5 |
1.2 |
1.4 |
1.2 |
1.4 |
1.3 |
|
|
0.35%CH4 |
3.5 |
3.2 |
3.4 |
3.4 |
3.4 |
3.5 |
3.5 |
3.6 |
|
0.72%CH4 |
3.8 |
3.5 |
3.6 |
3.7 |
3.6 |
3.7 |
3.7 |
3.8 |
|
1.05%CH 4 |
3.9 |
3.7 |
3.7 |
3.8 |
3.8 |
3.8 |
3.8 |
3.9 |
|
1.15%CH4 |
3.95 |
3.7 |
3.7 |
3.8 |
3.8 |
3.9 |
3.9 |
3.9 |
• 高浓度甲烷实验：
将 0~7# 传感器置于 10% 的甲烷环境中 2 小时，放气前后的数据状态。
|
0# |
1# |
2# |
3# |
4# |
5# |
6# |
7# |
|
|
空气 |
1.3 |
1.5 |
1.7 |
1.3 |
1.5 |
1.3 |
1.6 |
1.3 |
|
0.6%CH 4 |
3.5 |
3.7 |
3.9 |
3.2 |
3.5 |
3.7 |
3.7 |
3.0 |
|
10.62%CH 4 |
4.1 |
4.2 |
4.4 |
3.9 |
4.1 |
4.2 |
4.3 |
3.7 |
|
10%CH 4 (5 小时后 ) |
3.9 |
4.1 |
4.1 |
3.6 |
3.9 |
4.1 |
4.1 |
3.4 |
|
空气中 |
1.4 |
1.6 |
1.8 |
1.4 |
1.6 |
1.4 |
1.6 |
1.5 |
|
0.68%CH 4 |
3.6 |
3.8 |
3.8 |
3.3 |
3.6 |
3.7 |
3.8 |
3.0 |
6 ）油分子附着试验
方法：将传感器外壳打开，将食用油珠涂到传感珠外表，采用两种方式通电脱附。
一种是安装于报警器上按一下复位键，绿灯闪烁，大约 24 小时后，传感器进入工作状态，灵敏度如初。
另一种方法是负载电阻 R L 为 25 Ω ,12 小时后V O 输出＜ 4V ，将 R L 更换为 51 Ω，即可进入工作 状态，灵敏度如初。（如图 7 ）
3 、气体反应特性
图 8 表示传感器的输出 V O 在空气及 2000ppm 的甲烷空气中的变化情况，从图上可以看出，传感器的反应速度和恢复速度特别快。
图 8 TP-1.1A 的反应特性 图 9 长期储存后 TP-1.1A 通电后的特性
4 、 TP-1.1A 的初始状态
大概通电后 0.5~10 小时后才能恢复到正常工作状态，给报警器设计增添了麻烦，但是若采用应用原理图中虚线部分的设计， 3 分钟内就能脱附。软件设计模式为：上电后检测 LM393 的第 7 脚 OUTB 是否有输出，若有输出则单片机输出 CLR 信号，使 Q 3 导通， R 4 和 R 1 形成并联 ( 加大了脱附电流 ) 。待 OUTB 输出消失后，单片机使 Q 3 关断，进入正常工作状态，若上电后 OUTB 没有输出，直接进入正常工作状态。（注：此种模式可有效清除传感器表面油污，使传感器长期在设定的报警点内工作）
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