基于MQ7傳感器測量CO濃度補償方法與實驗研究

李花,姜維,劉曉東，費繼友，曲春蕾

(大連交通大學 機車車輛工程學院，遼寧 大連 116028)*

在煤礦開采過程中，煤層爆破、礦井火災、煤塵瓦斯爆炸等事故會釋放出大量CO氣體.CO作為一種有毒氣體，與人體內血紅蛋白結合，會造成中毒，對煤礦工人生命健康造成威脅.國家標準規定，礦井下CO最高允許濃度不超過0.0024%.因此對CO氣體進行監測非常必要.用于CO氣體濃度檢測的半導體傳感器MQ7，隨著環境溫濕度變化以及環境中H2濃度變化，其測量結果會產生偏差[2]，基于MQ7敏感材料特性，H2會對MQ7傳感器測量結果產生正交叉干擾[3]，干擾系數達到60%[4].故必須對MQ7測量結果進行補償，才能夠保證在各種環境條件下正常測量.

1 檢測CO氣體濃度原理

MQ7所使用的敏感材料是在潔凈空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)，隨著環境中被測氣體濃度增加，敏感體電阻減小，導致輸出電壓增大，通過檢測輸出電壓信號，計算環境中CO濃度值[5].

由于SnO2對多種可燃性氣體敏感并且易受環境溫濕度變化影響，其測量結果會隨著環境中可燃性氣體濃度變化以及溫濕度變化而造成誤差[6-7].大分子可燃性氣體可通過物理方法篩除從而減少對MQ7傳感器測量結果的影響.H2分子體積小，很難用這種方法消除H2對MQ7傳感器測量結果的干擾[8]，故提出一種基于最小二乘法的補償算法，消除環境中氫氣濃度變化與溫濕度變化帶來的測量誤差，提高MQ7傳感器的測量準確度及泛用性.

1.1 MQ7傳感器測量結果溫濕度補償

補償的基本思路是：分析并找出測量系統靜態輸入輸出特性隨溫濕度及H2濃度變化的規律，當檢測出測量系統當前的工作溫濕度以及環境中H2濃度時，即可確定當前的輸入輸出特性，并且按照該特性進行轉換，從而可以避免溫濕度及H2濃度變化的影響[9].

1.1.1 MQ7傳感器初始標定

根據標準測試環境下(20℃，55%RH)MQ7的CO濃度與輸出電壓特性曲線，選取標定采樣點，采樣點的選擇參照國家標準.采用最小二乘算法對采樣點進行擬合，得到CO濃度與輸出電壓三次多項式函數，如式(1)：

C(CO)=207.3U3-2 095U2+7 068U-7 085

(1)

式中,U為MQ7輸出電壓值，C(CO)為未補償CO濃度值.

標定結果如圖1，相關系數R為0.986 8.

圖1 CO氣體濃度與電壓關系曲線

1.1.2 溫濕度補償

MQ7的材料特性導致其在不同溫濕度的環境下，輸出結果受到影響，需要對其測量結果進行溫濕度補償，使傳感器在非標準測試環境下也能得到準確結果.

MQ7溫濕度特征曲線反映傳感器電阻比與環境溫濕度之間的關系，RS表示在含150×10-6mol/L CO，不同溫濕度下傳感器電阻值，RS0表示在含150×10-6mol/L CO，20℃，55%RH標準環境下傳感器電阻值.MQ7溫濕度特征曲線如圖2所示.

圖2 MQ-7溫濕度特征曲線

根據MQ7溫濕度特征曲線，選取標準濕度(55%RH)條件下的采樣點，采用最小二乘算法擬合出溫度與電阻比RS/RS0之間的函數關系，如公式(2)：

(2)

式中,T為環境溫度，f(T)為溫度補償系數.

擬合結果如圖3，相關系數R為0.9996.

圖3 MQ7溫度與電阻比關系曲線

根據MQ7溫濕度特征曲線，選取標準溫度(20℃)條件下的采樣點，采用最小二乘算法擬合出濕度與標準溫度條件下電阻比RS/RS0之間的函數關系，如式(3)

(3)

式中,H為環境濕度，f(H)為濕度補償系數.

擬合結果如圖4，相關系數R為0.983 3.

圖4 MQ-7濕度與電阻比關系曲線

通過溫濕度補償系數對CO濃度進行補償，得到溫濕度補償后的CO濃度值：

C1=C(CO)×f(T)×f(H)

(4)

式中,C1為溫濕度補償后的CO濃度值.

1.2 MQ7傳感器H2補償

MQ7所使用的敏感材料SnO2對H2也會產生響應，使用MQ7檢測CO濃度時，若混有H2，其檢測無法反映CO真實濃度，需要檢測H2濃度，并對MQ7傳感器測量結果進行補償.

H2補償的基本原理是：根據MQ7典型氣體敏感特性曲線計算H2干擾程度，從而對由H2造成干擾部分的測量結果進行補償，采用型號為MQ8的半導體傳感器檢測環境中H2濃度，MQ8裝有致密分子篩，對H2有高選擇性[10].

1.2.1 MQ8傳感器初始標定

根據標準測試環境下為(20℃，55%RH)MQ8的H2濃度與輸出電壓關系曲線，可由MQ8輸出電壓計算出環境中H2濃度.

根據MQ8的H2濃度與輸出電壓關系曲線選取采樣點擬合出環境中H2濃度與MQ8輸出電壓關系，由于空氣中H2濃度超過4%會有爆炸危險，故采樣點的選取也應遵循規程.MQ8的H2濃度與輸出電壓三次多項式函數如式(5)

(5)

式中,U為MQ8輸出電壓值，C(H2)為H2濃度值.

擬合結果如圖5，相關系數R為0.9828.

圖5 MQ-8 H2濃度與輸出電壓關系曲線

1.2.2 H2補償

由于MQ7同時對CO以及H2產生輸出響應，故需要計算H2對MQ7干擾程度，找到H2濃度與MQ7輸出特性的對應關系，進而對MQ7進行H2補償.圖6為MQ7敏感氣體特性曲線.

圖6 MQ-7 敏感氣體特性曲線

由圖6可知，H2濃度在100×10-6mol/L以下時對MQ7輸出不造成干擾，故H2濃度在100×10-6mol/L以下時不進行H2補償.

根據MQ7敏感氣體特性曲線，可以得出H2濃度與電阻比RS/RS0之間的函數關系，其函數關系為冪函數，擬合結果如下：

(12)

式中C(H2)為環境中H2濃度，f(H2)為H2補償系數.

擬合結果如圖7，相關系數R為0.998 2.

圖7 MQ-8 H2濃度與電阻比關系曲線

對溫濕度補償后的CO濃度值進行補償，得到H2補償后的CO濃度值：

C2=C1×f(H2)

(6)

式中,C2為H2補償后的CO濃度值.

2 檢測系統與實驗設計

2.1 檢測系統

為驗證算法的可靠性，設計檢測系統，以STM32為主控芯片，對氣體進行采集檢測，同時進行算法補償，以得到準確的氣體濃度值，系統框圖如圖8.

圖8 MQ7補償實驗系統框圖

系統基本工作原理：采用MQ7與MQ8檢測CO和H2濃度，溫濕度傳感器檢測環境溫濕度，對測試結果進行算法補償，將補償后的結果通過LCD屏顯示，同時具備聲光報警以及WIFI通信功能，可在移動平臺顯示結果.

2.2 程序設計

軟件編程協調各模塊硬件電路正常運作，包括讀取傳感器輸出電壓，A/D轉換，溫濕度采集，算法補償，無線通信與LCD顯示等功能.

主控芯片根據采集到的H2濃度判斷是否進行H2補償.程序流程圖如圖9所示.

圖9 程序流程圖

3 系統測試與數據分析

3.1 系統測試

本實驗采用亞克力材料定制的20×20×10密閉箱子作為氣室，其密封性能良好，氣室通透便于觀察.硬件部分包括MQ7，MQ8傳感器，A/D轉換芯片PCF8591，溫濕度傳感器DHT11，以及LCD顯示屏和ESP8266WIFI模塊.圖10為實驗平臺實物圖.

圖10 MQ7補償算法驗證實驗平臺

實驗平臺的上位機界面采用app進行顯示.根據Airlink原理將設備與路由器握手，由app發送包含有wifi信息的UDP配置包，設備收到指令后主動與路由器連接，聯網后設備可通過WIFI模塊將測量結果實時傳輸至云端，app從云端下載數據并同步顯示.app具有設備綁定功能，一次握手之后只需設備開機就可聯網，同時云端會記錄設備運行情況和歷史數據，方便查詢.設計動態交互界面，可實時顯示一段時間內的氣體濃度與環境溫濕度變化情況.

測試方法如下：

在實驗開始前，先向氣室內通入400×10-6mol/L標準CO氣體一段時間，使氣室內充滿CO氣體，并且將檢測系統開機，使傳感器預熱1～2min，以達到傳感器正常使用狀態.在保持CO氣體濃度不變的狀態下，向氣室中不斷通入H2以增大H2濃度(H2濃度不能超過4%)，同時調節環境溫濕度，記錄在不同溫濕度以及不同H2濃度環境條件下MQ7未補償顯示值與補償后顯示值.實驗結果如表1所示.

表1 MQ7算法補償實驗數據

3.2 結果分析

圖11為補償實驗數據折線圖，由圖可知，MQ7傳感器在未補償情況下，其測量結果會發生較大偏移，無法準確測量環境中CO濃度.補償后的CO濃度顯示值與400×10-6mol/L標準CO氣體最大誤差不超過12×10-6mol/L，其測量誤差不超過3%，能夠滿足測量精度要求.

圖11 MQ7算法補償實驗結果

由于實驗過程中并未改變測試環境中CO濃度，未經補償的CO濃度顯示值卻有較大變化，主要是由于溫濕度以及H2濃度改變造成的.傳感器的使用對環境有嚴格的要求，通過這種方法，消除環境因素對傳感器帶來的干擾，使MQ7傳感器能夠在各種環境條件下準確的測量出CO濃度值.

實驗結果表明，通過算法補償后的CO測量結果不隨環境溫濕度以及H2濃度的變化而改變，消除了環境因素對MQ7測量結果造成的干擾，使MQ7在溫濕度變化較大以及含有H2的場合也能準確測量CO濃度.

4 結論

(1)通過改變環境溫濕度并采用最小二乘算法對MQ7傳感器測量結果進行修正，使傳感器在較大溫濕度變化范圍內能夠準確測量，滿足煤礦開采過程中復雜多變的環境因素;

(2)通過算法消除H2對MQ7傳感器測量結果的影響，使MQ7傳感器在富含H2的礦井下也能準確測量.補償后的測量結果最大變化范圍不超過23×10-6mol/L，滿足《煤礦安全規程》規定的精度要求;

(3)MQ7傳感器標定與補償系數計算均按照國家標準選取采樣點，采用最小二乘算法進行擬合，經補償后MQ7傳感器測量結果最大誤差不超過12×10-6mol/L，測量準確度達到97%以上.