复合式烟雾瓦斯传感器的设计

李庆昭

摘要：该文介绍了一种基于气敏元件技术的瓦斯及烟雾传感器的原理与设计，该传感器采用一个气敏元件作为传感器探头，实现了瓦斯与烟雾的报警。传感器主要由气敏传感器，热敏电阻，电压比较器，三极管，蜂鸣器等组成。当其周围环境的瓦斯浓度上升或有烟雾产生时，达到报警设定浓度值，报警器动作发出声光报警信号。可应用于具有清洁环境的工矿企业及家庭使用。

关键词：复合式；烟雾；瓦斯；声光报警

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）35-8565-02

目前天然气、液化气、煤气等以瓦斯为主要成分的气体燃料在生产生活中的应用越来越广泛，但这些气体对易爆炸、隐患事故多，尤其是发生泄露又不及时发现和处理时，一旦发生爆炸会给周围环境带来灾难性的后果。另外在一些国民经济和社会生活中起至关重要作用的特殊场所（如图文档案信息中心、邮电枢纽、生产车间、发电站、矿山开采）越来越多。由于其内部各种电气设备高度集中且长期运行工作，从而存在较多的火险隐患，一旦发生火灾，将会给国家造成极大的经济损失，给社会带来重大影响[1]。

因此如何及时、准确无误的预测瓦斯泄露和火灾险情成为社会焦点，该文介绍了一种基于气敏元件技术的复合式瓦斯与烟雾传感器的设计与实现。将甲烷气敏探头重新设计测试回路，实现瓦斯与烟雾双重测试功能，降低功耗、成本，提高测量准确度和稳定性，实现瓦斯泄露与烟雾探测复用传感器。

1 气敏元件的选取

1.1 MQ214气敏元件的介绍

本设计中采用的气敏元件为MQ214，MQ214全称为可燃气体检测用半导体气敏元件，为燃烧式工作方式，因此适用于家庭和工厂的可燃性气体泄漏监测装置，适宜于甲烷、天然气、液化气、氢气的检测。其特点如下：

a）高灵敏度

b）快速响应恢复

c）长寿命

d）简单的驱动电路

结构和外形如图1所示：由微型SnO2 敏感体，测量电极构成的敏感元件固定在塑料或金属制成的腔体内。封装好的气敏元件有2只针状管脚，用于信号取出。（管脚1接电源正极），基本测试回路如图2所示。

在气敏元件特征曲线中，虽然烟雾的特征线与甲烷的特征线相隔较远，也就是二者的特性差别较大，但曲线给出的是RL在50Ω时的特征曲线，在操作手册中有以下说明：当元件预热或工作时，切勿将回路电压（Vcc）直接加于元件两端，需串联一只30Ω-100Ω电阻，否则元件将可能损坏。也就是说测试回路中RL的阻值范围为30Ω-100Ω，该电阻选取范围给气敏元件的复用提供了可能。

1.2 气敏元件的复用化设计

任意选取两只老化后的气敏元件，在2%瓦斯（空气配气）和用烟雾发生器发发生烟雾两种情况下，改变测试回路中得RL阻值测量取样电压大小，数据如表1所示。

从测试数据表格可以发现在测试回路中RL阻止为70Ω时，2%瓦斯浓度和有烟情况下取样电压值基本相同，可知在取样电阻为70Ω时可以用来做复用传感器的探头组件使用[3]。

2 硬件设计

2.1 功能要求

解决了核心探头的设计，达到预期目的后，复合式瓦斯烟雾传感器还要具备其他功能，声光报警功能、灵敏度可调功能，另外气敏元件在刚上电时有一段时间的稳定期，在这段时间内，气敏元件工作不稳定，容易出现错误信号。因此要设计延时电路保证传感器上电初期正常工作[4]。

为了减少功耗，提高传感器工作稳定性，决定全部电路都用硬件实现，无CPU，根据性能要求设计了图4所示的整体电路图。

2.2 信号采集电路

信号采集电路由图中U1、R4、R5、气敏元件、取样电阻及调节电位器R9组成。取样电阻采集电压信号与调节电位器R9在电源电压上分得的电压相比较，当取样电阻上电压大于比较电压时，U1输出高电平信号，做为控制信号输出。通过R9可以调节传感器的灵敏度，使其适应不同的工作场合。

2.3 延时电路

前文已述气敏元件在上电之初会有一段时间的不稳定期，因此在电路里设计硬件延时电路，消除掉上电不稳定期对传感器测量的影响。图4中PNP三极管V3、电阻R3、R8和电容C1组成延时控制电路，利用R3和C1组成的阻容延时电路，上电后R3和C1充电需要一段时间，在C1电压到达一定的范围之前，V3处于导通状态，强制拉低信号采集电路输出的信号，使输出电路不产生动作。

当C1端电压充电到设定值时，V3截止，信号采集电路输出的控制信号就可以对输出电路有作用。通过调节R3和C1的参数可以调节充电时间，从而达到延时的目的。

2.4 声光报警电路

声光报警电路采用传统的三极管驱动蜂鸣器和发光二极管的方式。图中的V1，V2就是驱动三极管，驱动蜂鸣器和发光二极管，在有烟或者瓦斯超限时进行声光报警[5]。

3 结束语

针对生产生活中对瓦斯和烟雾需要越来越大的现实，通过对MQ214气敏元件性能的研究，设计出可以同时检测瓦斯和烟雾的复合式传感器，并给出了其工作电路。该实验电路在实验室进行实验，效果良好，对气体传感器的设计给出了新的思路。由于MQ214本身的特点使其对使用环境要求较高，还需要对该气敏元件进行深入研究，扩大其适用范围。

参考文献：

[1] 王进贤，王泉，等.一种无线烟雾传感器节点的设计与实现[J].中国仪器仪表，2008（增刊）：132-135.

[2] 夏晓剑，宁永海，沈森，等.基于HART协议的低功耗智能变送器研究[J].中国仪器仪表，2008（增刊）：105-106.

[3] 谢宝卫，李国斌.催化燃烧型的瓦斯检测仪器性能特征及影响因素简析[J].煤矿安全，2002（3） ：54-55.

[4] 刘志海，王绪本.瓦斯检测仪中的数据采集与处理[J].中国仪器仪表，2008（8） ：43-45.

[5] 吕振，王春艳.基于AVR单片机的矿用智能瓦斯传感器的设计[J].工矿自动化，2009（12） ：25-28.