課程設(shè)計---氣敏傳感器在有毒氣體檢測中的應(yīng)用

1、<p>　　基于QM—N10氣敏傳感器在有毒氣體檢測中的應(yīng)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(zāi)難性危害。針對這種情況我們需要設(shè)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(dá)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(yīng)用。</p><p>　　關(guān)鍵字：有毒易燃?xì)怏w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(shí)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(gòu)成的實(shí)用電路 ……………………… 8</p><p>　　二 電路設(shè)計方案及流程</p><p>　　2.1 設(shè)計要求及電路原理

4、圖 …………………………………………… 9</p><p>　　2.2 設(shè)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(diào)試與元件報價……………………………………… 15</p><p>　　六 課程設(shè)計總結(jié) …………………………………………………… 16</p><p&

6、gt;　　七 參考文獻(xiàn) ………………………………………………………… 16</p><p>　　一 氣敏傳感器的基本介紹和實(shí)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(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)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(jì)30年代就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氧化亞銅的導(dǎo)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(yīng)。這些金屬氧化物都是利用陶瓷工藝制成的具有半導(dǎo)體特性的材料，因此稱之為半導(dǎo)體陶瓷，簡稱半導(dǎo)瓷。由于半導(dǎo)瓷與半導(dǎo)體單晶相比具有工藝簡單、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此已經(jīng)用它制作了多種具有實(shí)用價值的敏感元件。</p><p>　　氣敏元件是以化學(xué)物質(zhì)的成分為檢測參數(shù)的化學(xué)敏感元件。用半導(dǎo)

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(yù)報和自動控制。</p><p>　　半導(dǎo)體氣敏傳感器的種類如表1所示。</p><p>　　表1 半導(dǎo)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(xué)計量比的偏離和雜質(zhì)缺陷制成，金屬氧化物半導(dǎo)體分N型半導(dǎo)體，如氧化錫、氧化鐵、氧化鋅、氧化鎢等；P型半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體材料的電子而吸附負(fù)電荷，結(jié)果使N型半導(dǎo)體材料的表面空間電荷層區(qū)域的傳導(dǎo)電子減少，使表面電導(dǎo)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(yīng)，將被氧束縛的電子釋放出來，敏感膜表面電導(dǎo)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(yīng)。</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(dǎo)率變化不大，若保持這種氣體濃度不變，該器件的電導(dǎo)率隨器件本身溫度的升高而增加，尤其在l00~300℃范圍內(nèi)電導(dǎo)率變化很大。顯然，半導(dǎo)體電導(dǎo)率的增加是由于多數(shù)載流子濃度增加的結(jié)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(jié)構(gòu)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(guān)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(guān)系 </p><p>　　1.2幾種常見氣敏傳感器和所構(gòu)成的實(shí)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(jié)型、薄膜型、厚膜型。</p><p>　　1）燒結(jié)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?zé)Y(jié)而成。目前最常用的是氧化錫(SnO2)燒結(jié)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(dǎo)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(jié)構(gòu)及測量轉(zhuǎn)換電路簡圖。</p><p>　　a b

15、 c </p><p>　　圖3 MQN型氣敏電阻結(jié)構(gòu)及測量電路</p><p>　　a 氣敏燒結(jié)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(jié)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?yàn)R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(gòu)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(dǎo)體，當(dāng)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(jié)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(jī)械強(qiáng)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(shí)際應(yīng)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(yīng)，從而提高器件的靈敏度和響應(yīng)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?xì)怏w，當(dāng)空氣中達(dá)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(dāng)空氣不含有毒氣體時，A、K兩點(diǎn)間的電阻很大，流過RP的電流很小，K點(diǎn)

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

21、設(shè)計方案及流程</p><p>　　簡述：經(jīng)過小組成員的探討和實(shí)際所學(xué)的理論知識，我們組決定設(shè)計一款由氣敏傳感器QM—N10構(gòu)成的可燃性氣體檢測及報警電路，如下是電路的設(shè)計方案和流程</p><p>　　2.1設(shè)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(qiáng)等特點(diǎn)，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(xiàng)目可實(shí)施條件好、產(chǎn)品實(shí)用性強(qiáng)。</p><p>　　3. 電路原理圖： </p><p>　　2.2 設(shè)計流程：</p><p><b>　　設(shè)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(guān)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(shí)物圖。</p><p>　　電路圖 實(shí)物圖 </p><p><b>　　3）信號放大部分</b></p><p>　　由晶體管9014構(gòu)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(shí)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(qū)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(jié)構(gòu)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(dǎo)體做敏感材料的N型半導(dǎo)體氣敏元件,該元件接觸氣體時電導(dǎo)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(yīng)用于防火,保安,環(huán)保和家庭等領(lǐng)域。</p><p>　　QM系列基本電路   

27、; 傳感器基本外形結(jié)構(gòu)</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(jī)液蒸汽和煙霧等,具有靈敏度高,反應(yīng)快的特點(diǎn).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(dǎo)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(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。</p><p><b>　　電路工作過程分析</b>&l

29、t;/p><p>　　無毒氣存在時：當(dāng)氣敏傳感器QM-N10不接觸可燃?xì)怏w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(dāng)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(yīng)的發(fā)光二極管點(diǎn)亮， LED被點(diǎn)亮的只數(shù)，取決于

30、7腳電位的高低。當(dāng)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(dāng)7腳電位電位由O.18V升高至2V時，LEDI～LED5被依次點(diǎn)亮。可燃性氣體的濃度越高，LED1到LED5依次被點(diǎn)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(shè)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(yīng)速度快、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，可用各種直流、交流、脈沖等電源驅(qū)動點(diǎn)亮。它屬于電流控制型半導(dǎo)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(hù)）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(shè)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(jī)以及各種放大電路中經(jīng)?？吹剿?，應(yīng)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(gòu)成電源電路</p><p>　　4）電阻、電位器：該課程設(shè)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(shè)置會對顯示電路產(chǎn)生影響，</p><p>　　4.2驅(qū)動芯片U257BG,</p><p>　　下圖所示的就是U257BG的內(nèi)部管腳圖和實(shí)物圖</p><p>　　五 電路的調(diào)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(dǎo)體傳感器在開機(jī)時，約有10分鐘的預(yù)熱期（內(nèi)部電阻較?。?，在這個時間內(nèi)易產(chǎn)生不穩(wěn)定因素，導(dǎo)致誤報，應(yīng)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(diǎn)。調(diào)整滑動變阻器至所要求的報警濃度點(diǎn)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?xì)怏w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(dāng)無法提供QM-N10時，只需將上面氣敏管代替本實(shí)驗(yàn)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(shè)計總結(jié)</p><p>　　家用有毒氣體檢測的設(shè)計有很大的應(yīng)用前景,關(guān)于它

36、在日常生活中的應(yīng)用還未完全在市場上開始推廣，但毫無疑問，這一設(shè)計的應(yīng)用前景是很廣闊的。</p><p>　　由于理論與實(shí)踐總是存在一定的差距，在我們的設(shè)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(xué)習(xí)和增加實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來完成，我們也相信自己能夠做好。</p><p><b>　　七 參考文獻(xiàn)</b&

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