煙霧傳感器總結(jié)

MQ系列家用報警器2.2煙霧傳感器的選型煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，是氣-電變換器，它將可燃性氣體在空氣中的含量(即濃度)轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號，通過A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到單片機，進而由單片機完成數(shù)據(jù)處理、濃度處理及報警控制等工作。傳感器作為煙霧檢測報警器的信號采集部分，是儀表的核心組成部分之一。由此可見，傳感器的選型是非常重要的。2.2.1煙霧傳感器介紹(1) 煙霧傳感器的分類煙霧傳感器種類繁多，從檢測原理上可以分為三大類：(a)利用物理化學性質(zhì)的煙霧傳感器：如半導體煙霧傳感器、接觸燃燒煙霧傳感器等。(b)利用物理性質(zhì)的煙霧傳感器：如熱導煙霧傳感器、光干涉煙霧傳感器、紅外傳感器等。(c)利用電化學性質(zhì)的煙霧傳感器：如電流型煙霧傳感器、電勢型氣體傳感器等。(2) 煙霧傳感器應滿足的基本條件一個煙霧傳感器可以是單功能的，也可以是多功能的；可以是單一的實體，也可以是由多個不同功能傳感器組成的陣列。但是，任何一個完整的煙霧傳感器都必須具備以下條件：(a)能選擇性地檢測某種單一煙霧，而對共存的其它煙霧不響應或低響應；(b)對被測煙霧具有較高的靈敏度，能有效地檢測允許范圍內(nèi)的煙霧濃度；(c)對檢測信號響應速度快，重復性好；(d)長期工作穩(wěn)定性好；(e)使用壽命長；(f)制造成本低，使用與維護方便。MQ-2型煙霧傳感器的工作原理半導體煙霧傳感器包括用氧化物半導體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以及用單晶半導體器件制作的煙霧傳感器。按敏感機理分類，可分為電阻型和非電阻型。半導體氣敏元件也有N型和P型之分。N型在檢測時阻值隨煙霧濃度的增大而減??；P型阻值隨煙霧濃度的增大而增大。半導體氣敏傳感器的分類如表2.2所示。表2.2半導體氣敏傳感器的分類所利用的特性工作溫度表面電阻控制器300~450表2.2半導體氣敏傳感器的分類類型所利用的特性工作溫度代表性被檢測氣體電阻型電阻表面電阻控制器300～450可燃性氣體體電阻控制器300～450700°C乙醇、可燃性氣體非電阻型二極管整流特性室溫～200H2、CO、乙醇晶體管特性150H2、H2S本設(shè)計中采用的MQ-2型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導體氣敏材料，屬于表面離子式N型半導體。當處于200~300°C溫度時，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當與煙霧接觸時，如果晶粒間界處的勢壘受到該煙霧的調(diào)制而變化，就會引起表而電導率的變化。利用這一點就可以遇到可燃煙霧（如CH4等）時，原來吸附的氧脫附，而由可燃煙霧以正離子狀態(tài)吸附在二氧化錫半導體表面；氧脫附放出電子，煙霧以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子，從而使二氧化錫半導體導帶電子密度增加，電阻值下降。而當空氣中沒有煙霧時，二氧化錫半導體又會自動恢復氧的負離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是MQ-2型燃性煙霧傳感器檢測可燃煙霧的基本原理。MQ-2型傳感器的結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示，其外觀如2.2所示。圖2.1MQ-2型傳感器的結(jié)構(gòu)圖圖2.2MQ-2型傳感器的外觀MQ-2氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖1所示(結(jié)構(gòu)AorB),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。2.2.4MQ-2型傳感器的特性及主要技術(shù)指標(1) MQ-2型傳感器的一般特點(a)MQ-2型傳感器對天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對烷類煙霧更為敏感。(b)MQ-2型傳感器具有良好的重復性和長期的穩(wěn)定性。初始穩(wěn)定，響應時間短，長時間工作性能好。?MQ-2型傳感器具有良好的抗干擾性，可準確排除有刺激性非可燃性煙霧的干擾信息，例如酒精和煙霧等。(d)電路設(shè)計電壓范圍寬，24V以下均可；加熱電壓5±0.2V。(2) MQ-2型傳感器的特性參數(shù)(a)回路電壓：(Vc)5~24V(b)取樣電阻：(RL)0.1~20K(c)加熱電壓：(VH)5±0.2V(d)加熱功率：(P)約750mW(e)靈敏度：以甲烷為例R0(air)/RS(0.1%CH4)＞5(f)響應時間：Tres＜10秒(g)恢復時間：Trec＜30秒2.3.3煙霧檢測報警器的主要技術(shù)指標(1) 傳感器類型：半導體電阻式(2) 檢測范圍：0~100%LEL(3) 報警準確度:：±5%LEL(4) 報警點設(shè)置：達到20%LEL開始報警(5) 報警器工作方式：現(xiàn)場固定安裝，自然擴散進行采樣，長年連續(xù)運行(6) 工作環(huán)境溫度：檢測器-50°C~50°C；報警器(7) 工作環(huán)境濕度：≤85%RH(8) 報警方式：煙霧泄漏聲光報警、自診斷故障報警(9) 指示方式：數(shù)字顯示，可顯示被測煙霧LEL%及設(shè)定報警限值(10)響應時間：≤30S(11)輸出信號：可輸出與煙霧濃度對應的0~5VDC標準信號(11)工作電壓：AC220V±15%，50±lHz(12)具備快速重復檢測和延時報警功能，可區(qū)別煙霧的泄漏和短時間的微量散失，防止誤報。3.2煙霧檢測報警器硬件電路設(shè)計3.2.1信號采集及前置放大電路傳感器輸出信號一般比較微弱，需要經(jīng)過前置電路對其進行放大、濾波、電平調(diào)整，滿足單片機對輸入信號的要求。本系統(tǒng)采用的半導體煙霧傳感器屬于電阻型，因此只需串聯(lián)一個參考電阻，再經(jīng)過一個放大電路即可發(fā)送給ADC采集。由于系統(tǒng)采用的是單極性供電，所以采用同相比例放大電路，可以減少硬件開銷；反之，如果采用反相放大，則一般需要利用雙極性供電，這就需要系統(tǒng)額外的利用變壓芯片產(chǎn)生一個負壓，這顯然會造成浪費。常見的運算放大器中，LM324價格低廉、使用簡單等優(yōu)點比較突出，所以本設(shè)計中的前置放大電路采用LM324作為電路的運算放大器。LM324是單片高增益四運算放大器，可在較寬電壓范圍內(nèi)的單電源或雙電源下工作，其電源電流很小且與電源電壓無關(guān)，四個運放一致性好；其輸入偏流電阻是溫度補償?shù)?，也不需外接頻率補償，可做到輸出電平與數(shù)字電路兼容。下面詳細介紹運算放大電路：如圖3.2所示，從傳感器的上端出來的信號Vi經(jīng)過運算放大器的同相輸入端，但是為保證引入的是負反饋，輸出電壓Vo通過電阻R4接到反相輸入端，同時，反相輸入端通過電阻R3接到參考電壓Vref。同相比例運算電路中反饋的組態(tài)為電壓串聯(lián)負反饋，同樣可以利用理想運放工作在線性區(qū)時的兩個特點來分析其電壓放大倍數(shù)。在圖3.2中，根據(jù)運放的“虛短”和“虛斷”的特點可知，I-=I+=0，所以V-=Vo*R3/R3+R4+Vref*R4/R3+R4(3-1)而且V-=V+=ViVo=Vi*（R3+R4）/R3(3-2)由以上兩式可求出Vo=Vref-R4/R3(3-3)所以本放大電路的放大倍數(shù)A=1+R4R3，此放大電路為同相比例放大電路，它的放大倍數(shù)總是大于或等于1。同相比例運算電路有以下幾個特點：(1)同相比例運算放大電路是一個深度的電壓串聯(lián)負反饋電路。因為不存在“虛地”現(xiàn)象，所以其輸入端有較高的共模輸入電壓。(2)電壓放大倍數(shù)A=1+R4R3，即輸出電壓與輸入電壓的幅值成正比，且相位相同，所以此電路實現(xiàn)了同相比例放大。如果不接R3和R4，則此電路就成了“電壓跟隨器”，它可以減少電路模塊間由于阻抗引起的干擾。(3)由于引入了深度電壓串聯(lián)負反饋，因此電路的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低。高輸入阻抗就可以減少放大電路對前端電路的影響，同時低輸出阻抗也可以提高自身的抗干擾性，這顯然有利于電路中其他模塊的設(shè)計。此放大電路還加了參考電壓，引入了零點調(diào)節(jié)功能，這樣可以更方便的調(diào)整由于不同傳感器導致的零點變化問題。它利用滑動變阻器產(chǎn)生一個參考電壓Vref，再利用電壓跟隨器把電壓輸入到運算放大電路的電壓參考端。所以調(diào)節(jié)滑動變阻器，就可以直接改變放大電路的參考電壓。而電壓跟隨器的作用就如上面介紹的，它只是用來匹配阻抗用的，防止R3和R4對滑動變阻器輸出電壓的影響。3.2.5報警器故障自診斷電路(1)判斷傳感器電源連接情況在傳感器的地端串聯(lián)一個電阻R6。當傳感器正常連接時，電阻和傳感器分壓，此時電阻兩端有微弱的電壓，單片機可以通過P1.1(AD)口檢測到；如果傳感器電源連接不正常，則會產(chǎn)生斷路，檢測到電阻兩端電壓為0。圖3.7傳感器電源連