課程設計---氣敏傳感器在有毒氣體檢測中的應用

1、<p>　　基于QM—N10氣敏傳感器在有毒氣體檢測中的應用</p><p>　　摘要:家庭使用液化氣、煤氣作燃料的越來越多，但是這些氣體有害、易爆炸，隱患事故多，如氣體泄漏時不能及時發(fā)現(xiàn)和處理，會給家庭及鄰居帶來災難性危害。針對這種情況我們需要設計一個能夠自動檢測有害氣體的裝置，要求這種裝置，在檢測到煤氣泄漏或其他有害氣體意外排放時，能產(chǎn)生報警，以達到保障人民生命財產(chǎn)安全。</p>&l

2、t;p>　　我們這次將介紹QM-N10傳感器在檢測天然氣、煤氣、液化石油氣等有毒及易燃易爆氣體泄漏中的具體應用。</p><p>　　關鍵字：有毒易燃氣體檢測，QM—N10氣敏傳感器</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一 摘要 ………………………………………………………………… 3</p>

3、<p>　　一 氣敏傳感器的基本介紹和實用電路</p><p>　　1.1 氣敏傳感器的基本介紹 …………………………………………… 5</p><p>　　1.2 幾種常見氣敏傳感器和所構成的實用電路 ……………………… 8</p><p>　　二 電路設計方案及流程</p><p>　　2.1 設計要求及電路原理

4、圖 …………………………………………… 9</p><p>　　2.2 設計流程 …………………………………………………………… 9</p><p>　　三 毒氣檢測電路的工作原理</p><p>　　3.1 QM—N10氣敏傳感器 …………………………………………… 12</p><p>　　3.2電路工作過程分析

5、 ………………………………………………… 13</p><p>　　四 電路中的其他元件……………………………………………… 14</p><p>　　五 電路的調試與元件報價……………………………………… 15</p><p>　　六 課程設計總結 …………………………………………………… 16</p><p&

6、gt;　　七 參考文獻 ………………………………………………………… 16</p><p>　　一 氣敏傳感器的基本介紹和實用電路</p><p>　　1.1氣敏傳感器的基本介紹</p><p>　　1.1.1所謂氣敏傳感器，是利用半導體氣敏元件同氣體接觸，造成半導體性質變化，借此來檢測待定氣體的成分或者測量其濃度的傳感器的總稱。</p>

7、<p>　　早在20世紀30年代就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氧化亞銅的導電率隨水蒸汽的吸附而發(fā)生改變。其后又發(fā)現(xiàn)許多其他金屬氧化物也都具有氣敏效應。這些金屬氧化物都是利用陶瓷工藝制成的具有半導體特性的材料，因此稱之為半導體陶瓷，簡稱半導瓷。由于半導瓷與半導體單晶相比具有工藝簡單、價格低廉等優(yōu)點，因此已經(jīng)用它制作了多種具有實用價值的敏感元件。</p><p>　　氣敏元件是以化學物質的成分為檢測參數(shù)的化學敏感元件。用半導

8、體氣敏元件組成的氣敏傳感器主要用于工業(yè)上天然氣、煤氣、石油化工等部門的易燃、易爆、有毒、有害氣體的監(jiān)測、預報和自動控制。</p><p>　　半導體氣敏傳感器的種類如表1所示。</p><p>　　表1 半導體氣體傳感器的分類</p><p>　　1.1.2氣敏電阻的工作原理</p><p>　　氣敏電阻的材料是金屬氧化物，在合成材料時，

9、通過化學計量比的偏離和雜質缺陷制成，金屬氧化物半導體分N型半導體，如氧化錫、氧化鐵、氧化鋅、氧化鎢等；P型半導體，如氧化鈷、氧化鉛、氧化銅、氧化鎳等。為了提高某種氣敏元件對某些氣體成分的選擇性和靈敏度，合成材料有時還滲入了催化劑，如鈀(Pd)、鉑(Pt)、銀(Ag)等。</p><p>　　金屬氧化物在常溫下是絕緣的，制成半導體后卻顯示氣敏特性。通常器件工作在空氣中，空氣中的氧和NO2這樣的電子兼容性大的氣體，接

10、受來自半導體材料的電子而吸附負電荷，結果使N型半導體材料的表面空間電荷層區(qū)域的傳導電子減少，使表面電導減小，從而使器件處于高阻狀態(tài)。一旦元件與被測還原性氣體接觸，就會與吸附的氧起反應，將被氧束縛的電子釋放出來，敏感膜表面電導增加，使元件電阻減小。</p><p>　　該類氣敏元件通常工作在高溫狀態(tài)(200～450℃)，目的是為了加速上述的氧化還原反應。</p><p>　　例如，用氧化錫制

11、成的氣敏元件，在常溫下吸附某種氣體后，其電導率變化不大，若保持這種氣體濃度不變，該器件的電導率隨器件本身溫度的升高而增加，尤其在l00~300℃范圍內電導率變化很大。顯然，半導體電導率的增加是由于多數(shù)載流子濃度增加的結果。</p><p>　　氣敏元件的基本測量電路，如圖1所示，圖中EH為加熱電源，Ec為測量電源，電路中氣敏電阻值的變化引起電路中電流的變化，輸出電壓(信號電壓)由電阻RO上取出。氣敏元件在低濃度下

12、靈敏度高，在高濃度下趨于穩(wěn)定值。因此，常用來檢查可燃性氣體泄漏并報警等。</p><p>　　由上述分析可以看出，氣敏元件工作時需要本身的溫度比環(huán)境溫度高很多。因此，氣敏元件結構上，有電阻絲加熱器，1和2是加熱電極，3和4是氣敏電阻的一對電極。</p><p>　　氧化錫，氧化鋅材料氣敏元件輸出電壓與溫度的關系如圖2所示。</p><p>　　圖1氣敏元件的基本測量

13、電路 圖2氣敏元件輸出電壓與溫度的關系 </p><p>　　1.2幾種常見氣敏傳感器和所構成的實用電路</p><p>　　1.2.1．氣敏電阻元件的種類</p><p>　　氣敏電阻元件種類很多，按制造工藝上分燒結型、薄膜型、厚膜型。</p><p>　　1）燒結型氣敏元件 </p><

14、p>　　將元件的電極和加熱器均埋在金屬氧化物氣敏材料中，經(jīng)加熱成型后低溫燒結而成。目前最常用的是氧化錫(SnO2)燒結型氣敏元件，用來測量還原性氣體。它的加熱溫度較低，一般在200~300℃，SnO2氣敏半導體對許多可燃性氣體，如氫、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有較高的靈敏度。圖3是MQN型氣敏電阻的結構及測量轉換電路簡圖。</p><p>　　a b

15、 c </p><p>　　圖3 MQN型氣敏電阻結構及測量電路</p><p>　　a 氣敏燒結體 b氣敏電阻 c 基本測量電路</p><p>　　1－引腳 2－塑料底座 3－燒結體 4－不銹鋼網(wǎng)罩 5－加熱電極 </p><p>　　6－工作電極 7－加熱回路電源 8－測量回路電源</p><p>

16、;　　2）薄膜型氣敏元件 </p><p>　　采用真空鍍膜或濺射方法，在石英或陶瓷基片上制成金屬氧化物薄膜(厚度0.1μm以下)，構成薄膜型氣敏元件。</p><p>　　氧化鋅(ZnO2)薄膜型氣敏元件以石英玻璃或陶瓷作為絕緣基片，通過真空鍍膜在基片上蒸鍍鋅金屬，用鉑或鈀膜作引出電極，最后將基片上的鋅氧化。氧化鋅敏感材料是N型半導體，當添加鉑作催化劑時，對丁烷、丙烷、乙烷等烷烴氣體有

17、較高的靈敏度，而對H2、CO等氣體靈敏度很低。若用鈀作催化劑時，對H2、CO有較高的靈敏度，而對烷烴類氣體靈敏度低。因此，這種元件有良好的選擇性，工作溫度在400~500℃的較高溫度。</p><p>　　3）厚膜型氣敏元件 </p><p>　　將氣敏材料(如SnO2、ZnO)與一定比例的硅凝膠混制成能印刷的厚膜膠，把厚膜膠用絲網(wǎng)印刷到事先安裝有鉑電極的氧化鋁(A12O3)基片上，在4

18、00~800℃的溫度下燒結1～2小時便制成厚膜型氣敏元件。用厚膜工藝制成的器件一致性較好，機械強度高，適于批量生產(chǎn)。</p><p>　　以上三種氣敏器件都附有加熱器，在實際應用時，加熱器能使附著在測控部分上的油霧、塵埃等燒掉，同時加速氣體氧化還原反應，從而提高器件的靈敏度和響應速度。</p><p>　　1.2.4．家用有毒氣體探測報警器</p><p>　　一氧

19、化碳、液化氣、甲烷、丙烷都是有毒可燃氣體，當空氣中達到一定濃度時，將危及人的健康與安全。圖5所示電路為家用有毒氣體探測報警電路，本電路線路雖然簡單，但具有很高的靈敏度，對探測上述有毒氣體是非常有效的。</p><p>　　圖5 有毒氣體探測報警電路</p><p>　　該探測報警電路用QM-N10氣敏傳感器作為探測頭。當空氣不含有毒氣體時，A、K兩點間的電阻很大，流過RP的電流很小，K點

20、為低電位，達林頓管U850不導通；當空氣中含有還原性氣體時(如上述有毒氣體)，A、K兩點間的電阻迅速下降，通過RP的電流增大，K點電位升高，向C2充電直至達到U850導通電位(約1．4V)時，U850導通，驅動發(fā)聲集成片KD9561發(fā)聲。</p><p>　　當空氣中有毒氣體濃度下降至使A、K兩點間恢復高阻時，K點電位低于1.4V，U850截止，報警解除。</p><p>　　二 電路

21、設計方案及流程</p><p>　　簡述：經(jīng)過小組成員的探討和實際所學的理論知識，我們組決定設計一款由氣敏傳感器QM—N10構成的可燃性氣體檢測及報警電路，如下是電路的設計方案和流程</p><p>　　2.1設計要求及電路原理圖：</p><p>　　1. 該裝置能夠自動檢測有害氣體，具有靈敏度高、抗干擾能力強等特點，要求在檢測到煤氣泄漏或其他有害氣體意外排放時，

22、電路能產(chǎn)生報警。</p><p>　　2．元件價格合理、項目可實施條件好、產(chǎn)品實用性強。</p><p>　　3. 電路原理圖： </p><p>　　2.2 設計流程：</p><p><b>　　設計流程方框圖</b></p><p><b>　　1）電源電路部分</b>

23、;</p><p>　　電源由電池、DW、C1等組成，電池選用12V疊成電池，經(jīng)開關SA提供12V電壓，同時DW提供6V電壓，為檢測與放大電路提供電源。如圖所示為電源電路部分 </p><p><b>　　2）自動檢測部分</b></p><p>　　這是該電路的主體部分，檢測元件為低功耗、高靈敏度的QM-N10型氣敏傳感器 。如圖所示為自動檢

24、測部分電路和該類傳感器的電路圖和實物圖。</p><p>　　電路圖 實物圖 </p><p><b>　　3）信號放大部分</b></p><p>　　由晶體管9014構成的放大電路，用來放大檢測到的信號。如圖所示為信號放大部分電路

25、和三極管9014的實物圖。</p><p><b>　　4）顯示電路部分</b></p><p>　　顯示電路選用LED條形驅動器集成塊U257B，額定工作電壓為8V到25V,輸入電壓最大5V，輸入電流0.5MA，功耗690MW。下圖為顯示電路的電路結構圖。</p><p>　　三 毒氣檢測電路的工作原理</p><p

26、>　　3.1 QM—N10氣敏傳感器</p><p>　　3.1.1 QM系列氣敏元件</p><p>　　QM系列氣敏元件是采用金屬氧化物半導體做敏感材料的N型半導體氣敏元件,該元件接觸氣體時電導率就增加,適宜在氣體報警器,檢測儀器上作氣敏傳感器,廣泛應用于防火,保安,環(huán)保和家庭等領域。</p><p>　　QM系列基本電路   

27、; 傳感器基本外形結構</p><p>　　3.1.2 QM—N10氣敏傳感器</p><p>　　QM-N10氣敏傳感器用于可燃性氣體檢測,監(jiān)控報警裝置等,可檢測CH4,H2,C4H10等可燃性氣體,有機液蒸汽和煙霧等,具有靈敏度高,反應快的特點.QM－N10氣體傳感器在潔凈空氣中的阻值大約有幾十kΩ，接觸到有害氣體時，電導率增大，電阻值急劇下降，

28、下降幅度與瓦斯?jié)舛仍?.5%以下成正比。如下圖所示</p><p>　　MQ- N10氣敏元件由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感層,測量電極和加熱器構成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內，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。</p><p><b>　　電路工作過程分析</b>&l

29、t;/p><p>　　無毒氣存在時：當氣敏傳感器QM-N10不接觸可燃氣體時，其A、B兩極間呈高阻抗，使得IC的輸入端7腳的電壓趨于0V，LED1到LED5均不亮。</p><p>　　有毒氣存在時：當氣敏傳感器QM-N10處于一個濃度的可燃性氣體時，QM-N10的A、B兩電極端電阻變小，使得IC的輸入端7端腳由一定的電壓（>=1.8),相應的發(fā)光二極管點亮， LED被點亮的只數(shù)，取決于

30、7腳電位的高低。當7腳電位低于0.18V時，其輸出端2～6腳均為低電平，LEDl-LED5均不亮。當7腳電位電位由O.18V升高至2V時，LEDI～LED5被依次點亮。可燃性氣體的濃度越高，LED1到LED5依次被點亮的只數(shù)越多。</p><p>　　四 電路中的其他元件</p><p>　　4.1 二極管 、三極管、電容、電阻、電位器</p><p>　　1

31、）二極管：本課程設計中所用的二極管有：發(fā)光二極管(LED) 型號為BT201A，穩(wěn)壓二極管(Dw) 穩(wěn)壓系數(shù)為6V 。</p><p>　　普通單色發(fā)光二極管具有體積小、工作電壓低、工作電流小、發(fā)光均勻穩(wěn)定、響應速度快、壽命長等優(yōu)點，可用各種直流、交流、脈沖等電源驅動點亮。它屬于電流控制型半導體器件，使用時需串接合適的限流電阻。</p><p>　　穩(wěn)壓二極管，起限壓（或保護）作用，防止電

32、路中的瞬時脈沖尖峰電壓對電路產(chǎn)生影響。</p><p>　　2）三極管：本設計用到的是9014三極管，9014是非常常見的晶體三極管，在收音機以及各種放大電路中經(jīng)常看到它，應用范圍很廣,它是NPN型小功率三極管</p><p>　　3）電容、電阻：電容C1、C2，型號分別為100uF和0.01uF,c1構成電源電路</p><p>　　4）電阻、電位器：該課程設計用

33、到的電阻有 240Ω、22Ω、5.1kΩ,用到電位器的電阻范圍是0 ~50kΩ,在電路中的電阻值要求是47kΩ,電位器的電位設置會對顯示電路產(chǎn)生影響，</p><p>　　4.2驅動芯片U257BG,</p><p>　　下圖所示的就是U257BG的內部管腳圖和實物圖</p><p>　　五 電路的調試與元件報價</p><p><

34、;b>　　5.1 問題與發(fā)現(xiàn)</b></p><p>　　1．由于QM－N10氣敏半導體傳感器在開機時，約有10分鐘的預熱期（內部電阻較?。?，在這個時間內易產(chǎn)生不穩(wěn)定因素，導致誤報，應在加熱10分鐘后使用?；瑒拥淖柚禌Q定了電路的報警起控點。調整滑動變阻器至所要求的報警濃度點時報警。</p><p>　　2. 現(xiàn)在市場上有很多類型的氣敏傳感器，其工作參數(shù)和管腳排列都差不多

35、，如檢測煤氣的UL-281、檢測各種可燃氣體的HQ-2等，它們的測量回路電壓、加熱回路電壓、加熱電流等工作參數(shù)都相同，因此當無法提供QM-N10時，只需將上面氣敏管代替本實驗中的QM-N10，而不需改變其它元件。</p><p>　　5.2 原件清單及報價</p><p>　　六 課程設計總結</p><p>　　家用有毒氣體檢測的設計有很大的應用前景,關于它

36、在日常生活中的應用還未完全在市場上開始推廣，但毫無疑問，這一設計的應用前景是很廣闊的。</p><p>　　由于理論與實踐總是存在一定的差距，在我們的設計中難免會有一定的瑕疵，考慮問題也可能不太全面，但問題的解決，不僅需要一定的專業(yè)素養(yǎng)，還需要我們在以后的工作過程中繼續(xù)學習和增加實踐經(jīng)驗來完成，我們也相信自己能夠做好。</p><p><b>　　七 參考文獻</b&

37、gt;</p><p>　　[1]康華光.電子技術基礎模擬部分[M].高等教育出版社，2006</p><p>　　[2]楊幫文.使用電子小制作精選[M].北京：人民郵電出版社，2006</p><p>　　[3]李文磊，陳征等．自動控制理論實驗 [J].實驗技術與管理. 2006</p><p>　　[4]傅勁松.電子制作實驗集錦[M].福