復(fù)合式煙霧瓦斯傳感器的設(shè)計(jì)

李慶昭

摘要：該文介紹了一種基于氣敏元件技術(shù)的瓦斯及煙霧傳感器的原理與設(shè)計(jì)，該傳感器采用一個(gè)氣敏元件作為傳感器探頭，實(shí)現(xiàn)了瓦斯與煙霧的報(bào)警。傳感器主要由氣敏傳感器，熱敏電阻，電壓比較器，三極管，蜂鳴器等組成。當(dāng)其周圍環(huán)境的瓦斯?jié)舛壬仙蛴袩熿F產(chǎn)生時(shí)，達(dá)到報(bào)警設(shè)定濃度值，報(bào)警器動作發(fā)出聲光報(bào)警信號?？蓱?yīng)用于具有清潔環(huán)境的工礦企業(yè)及家庭使用。

關(guān)鍵詞：復(fù)合式；煙霧；瓦斯；聲光報(bào)警

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）35-8565-02

目前天然氣、液化氣、煤氣等以瓦斯為主要成分的氣體燃料在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用越來越廣泛，但這些氣體對易爆炸、隱患事故多，尤其是發(fā)生泄露又不及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理時(shí)，一旦發(fā)生爆炸會給周圍環(huán)境帶來災(zāi)難性的后果。另外在一些國民經(jīng)濟(jì)和社會生活中起至關(guān)重要作用的特殊場所（如圖文檔案信息中心、郵電樞紐、生產(chǎn)車間、發(fā)電站、礦山開采）越來越多。由于其內(nèi)部各種電氣設(shè)備高度集中且長期運(yùn)行工作，從而存在較多的火險(xiǎn)隱患，一旦發(fā)生火災(zāi)，將會給國家造成極大的經(jīng)濟(jì)損失，給社會帶來重大影響[1]。

因此如何及時(shí)、準(zhǔn)確無誤的預(yù)測瓦斯泄露和火災(zāi)險(xiǎn)情成為社會焦點(diǎn)，該文介紹了一種基于氣敏元件技術(shù)的復(fù)合式瓦斯與煙霧傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。將甲烷氣敏探頭重新設(shè)計(jì)測試回路，實(shí)現(xiàn)瓦斯與煙霧雙重測試功能，降低功耗、成本，提高測量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)瓦斯泄露與煙霧探測復(fù)用傳感器。

1 氣敏元件的選取

1.1 MQ214氣敏元件的介紹

本設(shè)計(jì)中采用的氣敏元件為MQ214，MQ214全稱為可燃?xì)怏w檢測用半導(dǎo)體氣敏元件，為燃燒式工作方式，因此適用于家庭和工廠的可燃性氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于甲烷、天然氣、液化氣、氫氣的檢測。其特點(diǎn)如下：

a）高靈敏度

b）快速響應(yīng)恢復(fù)

c）長壽命

d）簡單的驅(qū)動電路

結(jié)構(gòu)和外形如圖1所示：由微型SnO2 敏感體，測量電極構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或金屬制成的腔體內(nèi)。封裝好的氣敏元件有2只針狀管腳，用于信號取出。（管腳1接電源正極），基本測試回路如圖2所示。

在氣敏元件特征曲線中，雖然煙霧的特征線與甲烷的特征線相隔較遠(yuǎn)，也就是二者的特性差別較大，但曲線給出的是RL在50Ω時(shí)的特征曲線，在操作手冊中有以下說明：當(dāng)元件預(yù)熱或工作時(shí)，切勿將回路電壓（Vcc）直接加于元件兩端，需串聯(lián)一只30Ω-100Ω電阻，否則元件將可能損壞。也就是說測試回路中RL的阻值范圍為30Ω-100Ω，該電阻選取范圍給氣敏元件的復(fù)用提供了可能。

1.2 氣敏元件的復(fù)用化設(shè)計(jì)

任意選取兩只老化后的氣敏元件，在2%瓦斯（空氣配氣）和用煙霧發(fā)生器發(fā)發(fā)生煙霧兩種情況下，改變測試回路中得RL阻值測量取樣電壓大小，數(shù)據(jù)如表1所示。

從測試數(shù)據(jù)表格可以發(fā)現(xiàn)在測試回路中RL阻止為70Ω時(shí)，2%瓦斯?jié)舛群陀袩熐闆r下取樣電壓值基本相同，可知在取樣電阻為70Ω時(shí)可以用來做復(fù)用傳感器的探頭組件使用[3]。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 功能要求

解決了核心探頭的設(shè)計(jì)，達(dá)到預(yù)期目的后，復(fù)合式瓦斯煙霧傳感器還要具備其他功能，聲光報(bào)警功能、靈敏度可調(diào)功能，另外氣敏元件在剛上電時(shí)有一段時(shí)間的穩(wěn)定期，在這段時(shí)間內(nèi)，氣敏元件工作不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)錯(cuò)誤信號。因此要設(shè)計(jì)延時(shí)電路保證傳感器上電初期正常工作[4]。

為了減少功耗，提高傳感器工作穩(wěn)定性，決定全部電路都用硬件實(shí)現(xiàn)，無CPU，根據(jù)性能要求設(shè)計(jì)了圖4所示的整體電路圖。

2.2 信號采集電路

信號采集電路由圖中U1、R4、R5、氣敏元件、取樣電阻及調(diào)節(jié)電位器R9組成。取樣電阻采集電壓信號與調(diào)節(jié)電位器R9在電源電壓上分得的電壓相比較，當(dāng)取樣電阻上電壓大于比較電壓時(shí)，U1輸出高電平信號，做為控制信號輸出。通過R9可以調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度，使其適應(yīng)不同的工作場合。

2.3 延時(shí)電路

前文已述氣敏元件在上電之初會有一段時(shí)間的不穩(wěn)定期，因此在電路里設(shè)計(jì)硬件延時(shí)電路，消除掉上電不穩(wěn)定期對傳感器測量的影響。圖4中PNP三極管V3、電阻R3、R8和電容C1組成延時(shí)控制電路，利用R3和C1組成的阻容延時(shí)電路，上電后R3和C1充電需要一段時(shí)間，在C1電壓到達(dá)一定的范圍之前，V3處于導(dǎo)通狀態(tài)，強(qiáng)制拉低信號采集電路輸出的信號，使輸出電路不產(chǎn)生動作。

當(dāng)C1端電壓充電到設(shè)定值時(shí)，V3截止，信號采集電路輸出的控制信號就可以對輸出電路有作用。通過調(diào)節(jié)R3和C1的參數(shù)可以調(diào)節(jié)充電時(shí)間，從而達(dá)到延時(shí)的目的。

2.4 聲光報(bào)警電路

聲光報(bào)警電路采用傳統(tǒng)的三極管驅(qū)動蜂鳴器和發(fā)光二極管的方式。圖中的V1，V2就是驅(qū)動三極管，驅(qū)動蜂鳴器和發(fā)光二極管，在有煙或者瓦斯超限時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警[5]。

3 結(jié)束語

針對生產(chǎn)生活中對瓦斯和煙霧需要越來越大的現(xiàn)實(shí)，通過對MQ214氣敏元件性能的研究，設(shè)計(jì)出可以同時(shí)檢測瓦斯和煙霧的復(fù)合式傳感器，并給出了其工作電路。該實(shí)驗(yàn)電路在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，效果良好，對氣體傳感器的設(shè)計(jì)給出了新的思路。由于MQ214本身的特點(diǎn)使其對使用環(huán)境要求較高，還需要對該氣敏元件進(jìn)行深入研究，擴(kuò)大其適用范圍。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王進(jìn)賢，王泉，等.一種無線煙霧傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國儀器儀表，2008（增刊）：132-135.

[2] 夏曉劍，寧永海，沈森，等.基于HART協(xié)議的低功耗智能變送器研究[J].中國儀器儀表，2008（增刊）：105-106.

[3] 謝寶衛(wèi)，李國斌.催化燃燒型的瓦斯檢測儀器性能特征及影響因素簡析[J].煤礦安全，2002（3） ：54-55.

[4] 劉志海，王緒本.瓦斯檢測儀中的數(shù)據(jù)采集與處理[J].中國儀器儀表，2008（8） ：43-45.

[5] 呂振，王春艷.基于AVR單片機(jī)的礦用智能瓦斯傳感器的設(shè)計(jì)[J].工礦自動化，2009（12） ：25-28.