不同类型甲烷气敏传感器起始工作响应时间的研究

鲁开林，吴孔平，李 琳，蔡 俊，李良光，周孟然

安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南,232001



不同类型甲烷气敏传感器起始工作响应时间的研究

鲁开林，吴孔平，李 琳，蔡 俊，李良光，周孟然

安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南,232001

对不同类型甲烷气敏传感器起始工作输出对应浓度的电压值的响应时间进行了研究。基于STM32开发板搭建甲烷气敏传感器系统进行A/D采样，数据被采集后输入计算机。对响应电压随时间变化的研究表明，甲烷气敏传感器通电工作到输出对应浓度的电压值需要一段时间。甲烷气敏传感器起始工作到响应输出稳定电压延迟时间的研究对改善传感器制备方案、提升传感器的灵敏度、优化甲烷传感器检测系统都具有重要意义。

气敏传感器；甲烷；响应时间；A/D采样

甲烷是一种广泛应用于工业和民用的易燃气体。甲烷(CH4)在空气中的体积比达到5%～15%遇火就会发生爆炸，即瓦斯爆炸。瓦斯爆炸是矿井安全生产中最严重的灾害之一，因此高灵敏度的甲烷气敏传感器的研制是极其紧迫的任务[1]。催化燃烧式传感器和半导体气体传感器是目前测量甲烷浓度常用的两种气敏传感器。随着对传感器动态特性要求的提高,必须考虑甲烷气敏传感器的起始工作的响应时间。本文采用MJC4/3.0L型催化燃烧式传感器和MQ-5型半导体气体传感器为实验研究对象。传统方法采用价格比较昂贵的数据采集卡进行A/D采样实验数据[2]，本文采用基于STM32开发板构建甲烷气敏传感器宏观检测系统进行数据采集，可实现数据高速采集、效率高、可靠性强,重点对不同类型气敏传感器起始工作输出电压对应一定浓度甲烷的响应时间进行了研究。

1 传感器和实验方法

1.1 气敏传感器

催化燃烧式传感器的敏感元件以铂(Pt)丝线圈螺旋圈为骨架，外面包覆粘合剂为载体，烧结成球状；外表面掺杂有铂、钯等贵金属原子作为催化层(图1)[3]。铂丝通电后对催化元件加热并保持较高温度(400℃)，当空气中有一定浓度的甲烷气体时，在元件表面发生无焰燃烧，燃烧使铂丝线圈(黑元件)的电阻值增大，而补偿元件(白元件)不发生反应，温度不变[4]。采用惠斯通电桥测量电路，黑元件与白元件相比只是缺少催化层，此时在充足的氧气条件下与甲烷气体接触时，敏感元件由于甲烷燃烧产生的热量使其电阻值上升，导致电桥失去平衡，有电压输出，电压变化量与气体浓度的变化量成正比例关系，从而实现检测功能。

图1 MJC4/3.0L传感器的敏感元件结构示意图

半导体气体传感器主要是以电导率较低的二氧化锡(SnO2)半导体为材料，使气体吸附于该氧化物表面，由于吸附分子与半导体间存在能量差，气体分子在半导体表面被吸附之后，在半导体表面和吸附分子之间将出现电荷重排的现象。如果是还原性的甲烷气体被吸附，此时电子从甲烷向半导体表面转移，使半导体表面电子密度增加，从而使半导体的电阻率下降[5]，利用由此产生的电导率变化来测量气体的浓度。

1.2 气敏传感器的采集电路

催化燃烧式传感器选择郑州炜盛电子生产的MJC4/3.0L型催化燃烧式传感器，工作电压为3.0 V，工作电流为120 mA，具有低功耗、响应速度快，抗H2S中毒等特点。MJC4/3.0L型传感器采集工作电路如图2(a)所示。该传感器有4个引脚，其中引脚2和引脚3短接作为输出端口a，引脚1和引脚4分别接+3V电压源的正极、负极。电位器的中间引脚作为输出端口b。Rc为补偿元件，Rd为敏感元件，将Rc和Rd置于同一个测量气室中，测量电桥由稳压电源供电[6]。在无甲烷的空气中，Rd≈Rc，调节电桥使之平衡，信号输出端Uab=0。输出端口a和输出端口b分别接在STM32开发板上的PA1端口与GND端口。

图2 气体传感器采集工作电路图

半导体气体传感器选择郑州炜盛电子的MQ-5型半导体气体传感器，它的工作电压和加热电压是+5V。在图2(b)MQ-5型气体传感器采集电路中，MQ-5型有6个引脚，把引脚1和引脚3短接后接+5V工作电压VC，引脚4和引脚6短接后作为传感器的信号输出端，引脚2和引脚5为传感器的加热丝的两端[7]，外接+5V加热电压VH。其中VH是施加在集成的加热器上电压来维持敏感素子与对应气体相适应的特定温度，VC则是用于测定与传感器串联的负载电阻R4上的两端电压UR4。工作电压VC和加热电压VH由STM32开发板的+5V电源提供。负载电阻R4两端与STM32开发板上的PA2端口和GND端口相连。

1.3 测量方法

图3 气敏传感器对甲烷的响应测试系统

测定不同类型气敏传感器起始工作的时间响应特性的测试系统如图3所示。把MJC4/3.0L型催化燃烧式传感器和MQ-5型半导体气体传感器放在密闭的实验箱中，实验箱外形尺寸为(330×310×230) mm，体积约为20 L。实验箱中分别配置三组不同浓度的甲烷气体。MJC4/3.0L型和MQ-5型气体传感器各选用3只。本实验数据的采集是通过STM32开发板来完成的。STM32开发板选择STM32F103RBT6作为微控制单元(MCU)，STM32的模数转换(ADC)是12位逐次逼近型的模拟数字转换器，有18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源[8]。采集到数据通过串行输入到计算机，由SecureCRT 7.0软件来接收并通过SmartPrinter软件打印成数据文档。采集数据打印记录的时间间隔为0.013 s。利用采集的数据绘制出MJC4/3.0L型催化燃烧式传感器和MQ-5型半导体气体传感器的测试结果的电压随时间变化曲线。坐标横轴为时间轴，零点取为传感器通电开始工作的时刻;纵轴为电压值，以A/D采样数据计算出对应电压值表示。

2 实验结果与分析

2.1 传感器在空气中初期稳定时间及电压

MJC4/3.0L型催化燃烧式传感器在空气中的信号输出端电压Uab=0 V，随着时间的增加，Uab的值不变。MQ-5型半导体气体传感器在空气中通电工作之后，测试结果如图4所示。

图4 MQ-5传感器在空气中初期工作的负载电阻R4电压变化曲线

从图4可知，三只MQ-5型气体传感器通电工作之后，负载电阻R4上的两端电压UR4逐渐减小，在28 s左右到达一个稳定值。对于以二氧化锡(SnO2)半导体为材料的气体传感器，属于N型半导体，在加热器通电之后温度升高，它吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使敏感元件电阻值增加，其电阻UAB的变化如图5所示。因此使用该传感器要先在空气中预热30 s左右，使敏感元件的电阻值趋于稳定。

图5 MQ-5传感器中敏感元件电阻RAB的变化曲线

2.2 同一类型传感器在不同浓度甲烷的工作响应时间

MJC4/3.0L型和MQ-5型气体传感器在6 000、8 000和10 000 ppm三种浓度的甲烷气体中进行起始工作响应时间的测试，其测试的数据如图6所示。

从图6(a)可知，MJC4/3.0L型催化燃烧式传感器在6 000～10 000 ppm浓度甲烷气体中通电工作后稳定输出对应浓度甲烷气体的电压值所需的时间在4.9～ 5.2 s之间。随甲烷浓度增大，信号输出端Uab的电压也增大，并且电压出现峰值的时间也随之提前0.1～0.2 s。图6(b)中，MQ-5型半导体气体传感器通电工作到稳定输出对应浓度甲烷气体的电压值所需的时间约为4.2 s，甲烷浓度增大时，负载电阻R4的电压随之增大。在6 000～10 000 ppm浓度甲烷气体中，这两种类型气敏传感器在通电工作到稳定输出电压的响应时间，MQ-5型半导体气体传感器比MJC4/ 3.0L型催化燃烧式传感器快1 s左右。

图6 (a) MJC4/ 3.0L传感器和(b)MQ-5传感器的测试结果电压随时间变化曲线

2.3 同一类型传感器在相同浓度甲烷的工作响应时间

同一浓度下，三只MJC4/3.0L型催化燃烧式传感器和MQ-5型半导体气体传感器进行通电开始工作，测试结果如图7和图8所示。

图7显示标记为传感器1、传感器2、传感器3的三只MJC4 /3.0型催化燃烧式传感器在10 000 、8 000和6 000 ppm浓度的甲烷气体中，其信号输出端Uab的峰值相差10 mV左右，输出的稳定电压值相差1.5 mV。结果表明，三只MJC4/3.0型传感器在相同浓度的甲烷气体下通电工作到电压稳定的时间基本相同。

图7 不同浓度甲烷气体中三只MJC4/ 3.0L传感器的测试结果电压随时间变化曲线

图8 不同浓度甲烷气体中三只MQ-5传感器的测试结果电压随时间变化曲线

三只标记为传感器1、传感器2、传感器3的MQ-5型半导体气体传感器通电工作到输出在10 000 ppm、8 000 ppm和6 000 ppm的甲烷气体中的电压响应时间如图8所示，负载电阻R4的电压出现的峰值相差20 mV，稳定输出的电压值相差15 mV。在同种浓度的甲烷气体环境下，三只MQ-5型半导体气体传感器通电工作到电压稳定的时间基本一致。

2.4 不同类型传感器在相同检测环境下电阻值的变化

在图2(b)中，MQ-5型半导体气体传感器的敏感元件的电压UAB=Vc-UR4。已知UR4和R4的值，求得R4的电流I=UR4/R4。那么RAB=UAB/I。敏感元件RAB随时间的变化如图9(b)所示。敏感元件RAB初始值为28.26KΩ，后来逐渐减小，最后稳定在3.62KΩ。

图9 (a)MJC4/ 3.0L传感器和(b)MQ-5传感器的电阻随时间变化曲线

MJC4/3.0L型催化燃烧式传感器和MQ-5型半导体气体传感器电阻的对比如图10所示。图中，气敏传感器由于密闭的实验箱中含有一定浓度的甲烷气体，MJC4/3.0L型催化燃烧式传感器的敏感元件Rd阻值是增大的，而MQ-5型半导体气体传感器中敏感元件RAB的阻值是减小的。MQ-5型半导体气体传感器中敏感元件RAB的变化值ΔRAB比MJC4/3.0L型催化燃烧式传感器的敏感元件Rd的变化值ΔRd大很多,ΔRAB/ΔRd=94 800。

图10MJC4/3．0L传感器与MQ⁃5传感器电阻变化曲线

3 结束语

随着煤矿安全生产对检测甲烷浓度精度要求的提高，需要考虑甲烷气敏传感器的延迟效应。理论上讲，气敏传感器起始工作时响应输出对应一定浓度的稳定电压值的延迟时间是必然的，这与气敏传感器工作的物理机制有关。在实验中，基于STM32开发板的A/D采样电压信号，采集到数据先通过串行传输给计算机，成功实现SecureCRT 7.0软件来接收并通过SmartPrinter软件打印成数据文档。通过对这两种类型气敏传感器起始工作输出对应浓度的电压值的响应时间测定发现，两种类型气敏传感器都存在明显的延迟效应，MQ-5型半导体气体传感器比MJC4/3.0L型催化燃烧式传感器约快1 s。另外，在输出的电压值方面，MQ-5型半导体气体传感器约是MJC4/3.0L型催化燃烧式传感器35倍，具有较强的抗干扰能力。

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(责任编辑：汪材印)

Response Time for Different Types of Methane Gas Sensor in Start Point for Working

LU Kai-lin,WU Kong-ping,LI Lin,CAI Jun,LI Liang-guang,ZHOU Meng-ran

School of Electrical and Information Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan,Anhui 232001,China

The response time of starting point output voltage values for different types of methane gas sensor corresponding to the certain CH4 concentration was studied.Based on STM32 development board methane gas sensor system built for A/D sampling, data were collected and then input into the computer via a serial transfer.The results of the research on the relation of response voltage values versus time show that methane gas sensor outputting the stable voltage value will relay some time. The researches on the delay in response time for the start point for working of methane gas sensors with outputting stable voltage are of great significance in improving the preparation of sensors, enhancing the sensitivity of the sensor and optimizing gas detection system sensors.

gas sensor;methane;response time;A/D sampling

10.3969/j.issn.1673-2006.2015.03.028

2014-12-10

安徽省自然科学基金项目“ZnO基甲烷气敏传感器宏观体系的构筑和性能研究”(1208085QF116)。

鲁开林(1987-)，安徽安庆人，在读硕士研究生，主要研究方向：信息检测与处理技术。

THD712

A

1673-2006(2015)03-0104-05