基于气敏传感器的研究与电路设计

贾 强

(天津现代职业技术学院 天津 300350)

1 酒精浓度检测电路

目前，在空气检测领域，各种各样的气敏传感器层出不穷，酒精检测设备也应运而生，且采用的都是对气体信息进行提取分析，从而得出准确信息的方法，但其存在价格昂贵、功能单一、实时性低、实用性差等问题。因此，开发一个实时性高、性能稳定、经济实用的酒精浓度检测报警器尤为必要。

1.1 元器件的选择

1.1.1 LM324

LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，具有显著优势。该四运算放大器可以在 3.0～32,V的电源下工作，静态电流为MC1741静态电流的 1/5。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用符号来表示，它有 5个引出脚，其中“＋”、“-”为 2个信号输入端，“V＋”、“V-”为正、负电源端，“V0”为输出端。2个信号输入端中，Vi-(-)为反相输入端，表示运放输出端 V0的信号与该输入端的位相反；Vi＋(＋)为同相输入端，表示运放输出端 V0的信号与该输入端的相位相同。

1.1.2 LM3914

LM3914是美国 NS公司研制的点/条显示驱动集成电路。内含输入缓冲器、10级精密电压比较器、1.25,V基准电压源及点/条显示方式选择电路等。10级电压比较器的同相输入端与电阻分压器相连，电阻分压器由 10只 1,kΩ精密电阻串联组成，各级比较器的加权值相等，构成 10级线性显示驱动器，适用于 LED(亦可驱动 LCD、VFD)电平表的线性标度器件。工作电压为 3～25,V(最高为 48,V)，输出电流在 2～30,mA范围可调，输出端承压能力为±35,V，最大输出限制在30,mA之内。输入缓冲器接成跟随器形式，提高了输入阻抗和测量精度。LM3914内部设有迟滞电路，显示不是从一个 LED立刻跳到另一个 LED，而是平缓过度，可消除噪声干扰，改善输入信号快速变化时所引起的闪烁现象。由于内部电阻分压器是浮接的，所以电压测量范围较宽。

1.1.3 HS-3C

电路的核心元件为酒精传感器 HS-3C，HS-3C为直热式乙醇传感器，工作电压为 1.5,V，灵敏度≥60,mV，酒精浓度探测范围为 30～1,000,mg/L。HS-3C用于机动车驾驶人员及其他风险作业人员的酗酒检测和其他场所乙醇蒸汽的探测。其特点为快速响应恢复、优异的稳定性、寿命长、功耗低、微型化设计、温湿度影响小。

1.2 电路设计(见图1)

1.3 工作过程

图1 HS-3C酒精浓度测试电路Fig.1 HS-3C alcohol concentration test circuit

如果长时间没有通电，则初次通电后，传感器需要一定的预热时间，由运算放大器 A1、A2构成的通电初始化电路来执行预热功能。通电后，由于 C2上的电压不能立即达到电源电压，电源电压 R1给 C2充电，当电压低于 3,V时，A1、A2均输出高电平，V 饱和导通，R8接地与 R9并联，阻值变小，这样可以避免刚通电时，HS-3C输出较高的电压。当 C2上充电电压上升到大于 3,V(因 R3、R4、R5、R6的分压，A1、A2 的同相输入端均为＋6/2＝3,V)时，A1、A2输出低电平，V 截止，R8断开，电路初始化完成。HS-3C的输出在 R10上产生电压，并加到“点、线显示驱动器”IC2。IC2内部有10个电压比较器，7脚输出基准电压，经R11加到电压比较输入6脚，6脚电压被10等分后分别加在内部的10个比较器的(＋)端，并与5脚的输入电压进行比较，比较后的输出直接驱动 LED发光。传感器检测到的酒精浓度越高，输出电压越大，LED点亮的只数就越多，根据点亮的LED数量，可以判断酒精浓度的大致范围。

2 气体浓度检测电路

2.1 电路设计(见图2)

图2 气体浓度检测电路Fig.2 Gas concentration detection circuit

2.2 工作过程

用 M008设计的气体浓度检测电路可以检测4个等级的气体浓度，并分别以发光二极管显示浓度级别，也可以连接到报警电路，发出报警声。通电后，将电压加到M008的H-H1端给 M008加热。在没有检测到气体时，A、B间的电阻值很大，当检测到气体的时候，A、B间的阻值变小，而且随着气体浓度的增大而减小，RP2上产生的电压则随着浓度的增大而升高。A1～A4构成 4个电压比较器，每个比较器的(-)接在一起，＋12,V 电压经 R1～R5分压后依次给 A1～A4的(＋)端提供0.86,V、1.71,V、2.57,V、3.43,V 4 档电压，在(-)端电压依次超过这些电压数值时，A1～A4依次输出低电平，发光二极管VD4～VD1依次点亮，根据点亮的LED数量可以知道气体浓度的大致范围。调试该电路时，首先在玻璃瓶中充满符合安全标准的瓦斯气体，然后把气敏传感器 M008放置于其中 3～5,min后，调节RP2，使其中心抽头的电压值为0.85,V。这样在应用时，当气体浓度超过安全标准，而使 RP2中心抽头电压超过0.86,V时，A1立即输出低电平，VD4点亮。

3 煤气浓度检测电路

随着社会的进步，经济和科学技术的迅猛发展，人们对于提高生活质量和改善生活环境越来越重视，液化气、煤气在家庭的使用为人们提供了方便，也改善了城市的环境，但也带来了潜在的危险，其中CO是最主要的危险源。CO是一种无色、无臭、无刺激性的气体，但吸入后会对人体造成极大伤害。CO进入人体后极易与血液中的血红蛋白结合，产生碳氧血红蛋白，进而使血红蛋白不能与氧气结合。碳氧血红蛋白不能提供氧气给身体组织，这种情况被称为血缺氧。浓度低至667,mg/L可能会导致高达 50%人体的血红蛋白转换为碳氧血红蛋白，致使人体昏迷和死亡。另外，这些气体燃料的泄露，还将引发火灾，危及人们的生命财产。基于以上原因，对于可燃、有毒气体的检测与控制尤为重要。

3.1 核心元器件的选择

QM-N5型气敏元件是以金属氧化物为主体材料的 N型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。其特点是用于可燃性气体的检测(CH4、H2等)，灵敏度高、响应速度快、输出信号大、寿命长、工作稳定可靠。

3.2 电路设计(见图3)

图3 煤气浓度检测电路Fig.3 Gas concentration detection circuit

3.3 工作过程

该电路不仅用于煤气，而且几乎可以检测所有常用可燃气体。电路的核心元件为气敏传感器 QM-N5，它有 4个引出电极，加热电极 H-H1、输出电极 A-B，加热电极 H-H1为高阻电热丝，通电即加热。在加热的条件下，如果有可燃气体充斥在 A、B电极之间，则 A、B间的阻值随气体浓度的增大而减小，将这一变化转化成电信号就可以制成煤气检测、控制、报警器。R1、C1对 220,V 降压后经 VD1半波整流，VD2、C2稳压滤波得到＋12,V 的直流电源，R2、VD3二次降压稳压后给QM-N5提供＋5,V的加热电源，当可燃气体流经 QM-N5内部的A、B之间的气隙时，A、B之间的阻值随气体浓度的增大而减小，RP1上产生的电压则随浓度的增大而升高。A1～A4构成 4个电压比较器，当煤气浓度达到上限值时，A1输出高电平，经 R12驱动可控硅导通，风扇 M 转动，可迅速排除煤气超标的空气，避免发生危险。■

［1］ 李瑜芳. 传感技术[M]. 成都：电子科技大学出版社，1999.

［2］ 杨帮文. 最新传感器使用手册[M]. 北京：人民邮电出版社，2004.

［3］ 陈裕泉，葛文勋. 现代传感器原理及应用[M]. 北京：科学出版社，2007.

［4］ 杨帆. 传感器技术[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，2008.