基于氣敏傳感器的研究與電路設(shè)計(jì)

賈 強(qiáng)

(天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院 天津 300350)

1 酒精濃度檢測電路

目前，在空氣檢測領(lǐng)域，各種各樣的氣敏傳感器層出不窮，酒精檢測設(shè)備也應(yīng)運(yùn)而生，且采用的都是對氣體信息進(jìn)行提取分析，從而得出準(zhǔn)確信息的方法，但其存在價(jià)格昂貴、功能單一、實(shí)時(shí)性低、實(shí)用性差等問題。因此，開發(fā)一個(gè)實(shí)時(shí)性高、性能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的酒精濃度檢測報(bào)警器尤為必要。

1.1 元器件的選擇

1.1.1 LM324

LM324系列器件帶有真差動輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，具有顯著優(yōu)勢。該四運(yùn)算放大器可以在 3.0～32,V的電源下工作，靜態(tài)電流為MC1741靜態(tài)電流的 1/5。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運(yùn)算放大器可用符號來表示，它有 5個(gè)引出腳，其中“＋”、“-”為 2個(gè)信號輸入端，“V＋”、“V-”為正、負(fù)電源端，“V0”為輸出端。2個(gè)信號輸入端中，Vi-(-)為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 V0的信號與該輸入端的位相反；Vi＋(＋)為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 V0的信號與該輸入端的相位相同。

1.1.2 LM3914

LM3914是美國 NS公司研制的點(diǎn)/條顯示驅(qū)動集成電路。內(nèi)含輸入緩沖器、10級精密電壓比較器、1.25,V基準(zhǔn)電壓源及點(diǎn)/條顯示方式選擇電路等。10級電壓比較器的同相輸入端與電阻分壓器相連，電阻分壓器由 10只 1,kΩ精密電阻串聯(lián)組成，各級比較器的加權(quán)值相等，構(gòu)成 10級線性顯示驅(qū)動器，適用于 LED(亦可驅(qū)動 LCD、VFD)電平表的線性標(biāo)度器件。工作電壓為 3～25,V(最高為 48,V)，輸出電流在 2～30,mA范圍可調(diào)，輸出端承壓能力為±35,V，最大輸出限制在30,mA之內(nèi)。輸入緩沖器接成跟隨器形式，提高了輸入阻抗和測量精度。LM3914內(nèi)部設(shè)有遲滯電路，顯示不是從一個(gè) LED立刻跳到另一個(gè) LED，而是平緩過度，可消除噪聲干擾，改善輸入信號快速變化時(shí)所引起的閃爍現(xiàn)象。由于內(nèi)部電阻分壓器是浮接的，所以電壓測量范圍較寬。

1.1.3 HS-3C

電路的核心元件為酒精傳感器 HS-3C，HS-3C為直熱式乙醇傳感器，工作電壓為 1.5,V，靈敏度≥60,mV，酒精濃度探測范圍為 30～1,000,mg/L。HS-3C用于機(jī)動車駕駛?cè)藛T及其他風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)人員的酗酒檢測和其他場所乙醇蒸汽的探測。其特點(diǎn)為快速響應(yīng)恢復(fù)、優(yōu)異的穩(wěn)定性、壽命長、功耗低、微型化設(shè)計(jì)、溫濕度影響小。

1.2 電路設(shè)計(jì)(見圖1)

1.3 工作過程

圖1 HS-3C酒精濃度測試電路Fig.1 HS-3C alcohol concentration test circuit

如果長時(shí)間沒有通電，則初次通電后，傳感器需要一定的預(yù)熱時(shí)間，由運(yùn)算放大器 A1、A2構(gòu)成的通電初始化電路來執(zhí)行預(yù)熱功能。通電后，由于 C2上的電壓不能立即達(dá)到電源電壓，電源電壓 R1給 C2充電，當(dāng)電壓低于 3,V時(shí)，A1、A2均輸出高電平，V 飽和導(dǎo)通，R8接地與 R9并聯(lián)，阻值變小，這樣可以避免剛通電時(shí)，HS-3C輸出較高的電壓。當(dāng) C2上充電電壓上升到大于 3,V(因 R3、R4、R5、R6的分壓，A1、A2 的同相輸入端均為＋6/2＝3,V)時(shí)，A1、A2輸出低電平，V 截止，R8斷開，電路初始化完成。HS-3C的輸出在 R10上產(chǎn)生電壓，并加到“點(diǎn)、線顯示驅(qū)動器”IC2。IC2內(nèi)部有10個(gè)電壓比較器，7腳輸出基準(zhǔn)電壓，經(jīng)R11加到電壓比較輸入6腳，6腳電壓被10等分后分別加在內(nèi)部的10個(gè)比較器的(＋)端，并與5腳的輸入電壓進(jìn)行比較，比較后的輸出直接驅(qū)動 LED發(fā)光。傳感器檢測到的酒精濃度越高，輸出電壓越大，LED點(diǎn)亮的只數(shù)就越多，根據(jù)點(diǎn)亮的LED數(shù)量，可以判斷酒精濃度的大致范圍。

2 氣體濃度檢測電路

2.1 電路設(shè)計(jì)(見圖2)

圖2 氣體濃度檢測電路Fig.2 Gas concentration detection circuit

2.2 工作過程

用 M008設(shè)計(jì)的氣體濃度檢測電路可以檢測4個(gè)等級的氣體濃度，并分別以發(fā)光二極管顯示濃度級別，也可以連接到報(bào)警電路，發(fā)出報(bào)警聲。通電后，將電壓加到M008的H-H1端給 M008加熱。在沒有檢測到氣體時(shí)，A、B間的電阻值很大，當(dāng)檢測到氣體的時(shí)候，A、B間的阻值變小，而且隨著氣體濃度的增大而減小，RP2上產(chǎn)生的電壓則隨著濃度的增大而升高。A1～A4構(gòu)成 4個(gè)電壓比較器，每個(gè)比較器的(-)接在一起，＋12,V 電壓經(jīng) R1～R5分壓后依次給 A1～A4的(＋)端提供0.86,V、1.71,V、2.57,V、3.43,V 4 檔電壓，在(-)端電壓依次超過這些電壓數(shù)值時(shí)，A1～A4依次輸出低電平，發(fā)光二極管VD4～VD1依次點(diǎn)亮，根據(jù)點(diǎn)亮的LED數(shù)量可以知道氣體濃度的大致范圍。調(diào)試該電路時(shí)，首先在玻璃瓶中充滿符合安全標(biāo)準(zhǔn)的瓦斯氣體，然后把氣敏傳感器 M008放置于其中 3～5,min后，調(diào)節(jié)RP2，使其中心抽頭的電壓值為0.85,V。這樣在應(yīng)用時(shí)，當(dāng)氣體濃度超過安全標(biāo)準(zhǔn)，而使 RP2中心抽頭電壓超過0.86,V時(shí)，A1立即輸出低電平，VD4點(diǎn)亮。

3 煤氣濃度檢測電路

隨著社會的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對于提高生活質(zhì)量和改善生活環(huán)境越來越重視，液化氣、煤氣在家庭的使用為人們提供了方便，也改善了城市的環(huán)境，但也帶來了潛在的危險(xiǎn)，其中CO是最主要的危險(xiǎn)源。CO是一種無色、無臭、無刺激性的氣體，但吸入后會對人體造成極大傷害。CO進(jìn)入人體后極易與血液中的血紅蛋白結(jié)合，產(chǎn)生碳氧血紅蛋白，進(jìn)而使血紅蛋白不能與氧氣結(jié)合。碳氧血紅蛋白不能提供氧氣給身體組織，這種情況被稱為血缺氧。濃度低至667,mg/L可能會導(dǎo)致高達(dá) 50%人體的血紅蛋白轉(zhuǎn)換為碳氧血紅蛋白，致使人體昏迷和死亡。另外，這些氣體燃料的泄露，還將引發(fā)火災(zāi)，危及人們的生命財(cái)產(chǎn)。基于以上原因，對于可燃、有毒氣體的檢測與控制尤為重要。

3.1 核心元器件的選擇

QM-N5型氣敏元件是以金屬氧化物為主體材料的 N型半導(dǎo)體氣敏元件，當(dāng)元件接觸還原性氣體時(shí)，其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升高。其特點(diǎn)是用于可燃性氣體的檢測(CH4、H2等)，靈敏度高、響應(yīng)速度快、輸出信號大、壽命長、工作穩(wěn)定可靠。

3.2 電路設(shè)計(jì)(見圖3)

圖3 煤氣濃度檢測電路Fig.3 Gas concentration detection circuit

3.3 工作過程

該電路不僅用于煤氣，而且?guī)缀蹩梢詸z測所有常用可燃?xì)怏w。電路的核心元件為氣敏傳感器 QM-N5，它有 4個(gè)引出電極，加熱電極 H-H1、輸出電極 A-B，加熱電極 H-H1為高阻電熱絲，通電即加熱。在加熱的條件下，如果有可燃?xì)怏w充斥在 A、B電極之間，則 A、B間的阻值隨氣體濃度的增大而減小，將這一變化轉(zhuǎn)化成電信號就可以制成煤氣檢測、控制、報(bào)警器。R1、C1對 220,V 降壓后經(jīng) VD1半波整流，VD2、C2穩(wěn)壓濾波得到＋12,V 的直流電源，R2、VD3二次降壓穩(wěn)壓后給QM-N5提供＋5,V的加熱電源，當(dāng)可燃?xì)怏w流經(jīng) QM-N5內(nèi)部的A、B之間的氣隙時(shí)，A、B之間的阻值隨氣體濃度的增大而減小，RP1上產(chǎn)生的電壓則隨濃度的增大而升高。A1～A4構(gòu)成 4個(gè)電壓比較器，當(dāng)煤氣濃度達(dá)到上限值時(shí)，A1輸出高電平，經(jīng) R12驅(qū)動可控硅導(dǎo)通，風(fēng)扇 M 轉(zhuǎn)動，可迅速排除煤氣超標(biāo)的空氣，避免發(fā)生危險(xiǎn)。■

［1］ 李瑜芳. 傳感技術(shù)[M]. 成都：電子科技大學(xué)出版社，1999.

［2］ 楊幫文. 最新傳感器使用手冊[M]. 北京：人民郵電出版社，2004.

［3］ 陳裕泉，葛文勛. 現(xiàn)代傳感器原理及應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2007.

［4］ 楊帆. 傳感器技術(shù)[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.