气敏传感器信号采集系统设计论文.doc

1 引言 1.1 研究背景及意义 随着工业化的发展，我们的生活及环境的污染迅速增加，环境中存在着各种有毒有害、易燃易爆气体，从家用液化石油气、城市煤气以及天然气到工业生产过程中产生的废气、交通工具中排放的各种气体都在不断地污染环境，影响我们的生存。 此外，我国燃气的变革及西气东输工程的进行，煤气或天然气已成为多数家庭的燃料。这些气体在带给人们能源、生产生活方便的同时，是有毒、易燃的化学物品，给燃气燃具用户深深埋下了火灾、中毒、爆炸的隐患。以气体传感器和AT89C51 单片机为核心, 设计气体。： 图2.1 硬件设计框图 2.3 气体传感器的选型 2.3.1 气体传感器介绍 气体传感器应满足的基本条件:一个气体传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一 个完整的气体传感器都必须具备以下条件[3]： (1)能选择性地检测某种单一气体，而对共存的其它气体不响应或低响应； (2)对被测气体具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的气体浓度； (3)对检测信号响应速度快，重复性好； (4)长期工作稳定性好； (5)使用寿命长； (6)制造成本低，使用与维护方便。 常见气体传感器简介[4] （1）半导体气体传感器 半导体气体传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器，以及用单晶半导体器件制作的气体传感器。自1962年半导体金属氧化物气体传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的气体传感器之一。按照敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。电阻式半导体气体传感器依据其电阻随气体含量的不同而变化的特征来检测气体。非电阻式半导体气敏元件则利用其电流或电压随气体含量的变化来检测气体，主要有MOS二极管式和结型二极管式及场效应管式。 （2）固体电解质气体传感器 固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件，其原理是利用气敏材料在通过气体时产生电阻，测量其形成电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，因而得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，其产量仅次于半导体气体传感器的一类传感器。但这种传感器制造成本高，检测气体范围有限，在检测环境污染领域中有优势。 （3）接触燃烧式气体传感器 当易燃气体接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧，故得名接触燃烧式传感器。接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝(也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层)，使用时将铂丝通电，保持300℃～家庭用气体泄漏报警器工业用可燃气体报警器Vc 回路电压 ≤15V ACorDC VH 加热电压 5.0V±0.2V ACorDC RL 负载电阻 可调 RH 加热电阻 31Ω±3Ω 室温 PH 加热功耗 ≤900mW 表3.2 MQ-4传感器环境条件 符号 参数名称 技术条件 备注 Tao 使用温度 　　-10℃－＋50℃ Tas 储存温度 　　-20℃－＋70℃ RＨ 相对湿度 　　小于　95% RＨ O2 氧气浓度 21%(标准条件) 氧气浓度会影响灵敏度特性 最小值大于２％ 表3.3 MQ-4传感器灵敏度特性 符号 参数名称 技术参数 备注 Rs 敏感体表面电阻 10KΩ-60KΩ(5000ppm CH4 ) 适用范围： 300-10000ppm 天然气 α(R1000ppm/ R500ppm CH4) 浓度斜率 ≤0.6 标准工作条件 温度： 20℃±2℃ Vc:5.0V±0.1V 相对湿度： 65%±5% VH: 5.0V±0.1V 预热时间 不少于24小时 表3.4 MQ-4传感器结构 部件 材料 1 气体敏感层 二氧化锡 2 电极 金（Au） 3 测量电极引线 铂（Pt） 4 加热器 镍铬合金（Ni-Cr） 5 陶瓷管 三氧化二铝 6 防爆网 100目双层不锈钢（SUB316） 7 卡环 镀镍铜材（Ni-Cu） 8 基座 胶木 9 针状管脚 镀镍铜材（Ni-Cu） 图3.1 MQ-4气敏元件的外形和结