基于QH2气敏传感器的有毒气体检测系统.docx

基于QH2气敏传感器的有毒气体检测系统.docx

《基于QH2气敏传感器的有毒气体检测系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于QH2气敏传感器的有毒气体检测系统.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于QH2气敏传感器的有毒气体检测系统

职业技术学院课程

设计（论文）

基于QH-2气敏传感器设计的

烟雾报警器

姓名：

指导教师：

专业名称：

所在系部：

二○一零年五月

一、设计任务及要求：

设计任务：

设计出一个可以自动检测出火灾及有毒气体泄露的装置

要求：

1.根据电路的要求选择灵敏度极高的气敏元件

2.该气敏元件具有寿命长、抗干扰能力强等特点

3.电路元件价格合理，实用性强

指导教师签名：

2011年3月20日

二、指导教师评语：

指导教师签名：

2011年5月20日

三、成绩

2011年6月10日

摘要

在现代社会中由于由于火灾和有害气体中毒而导致死亡的人越来越多，每年给社会带来了很大的财产损失和社会负担，但是由于其突发性如果发现不及时很容易造成重大损失，烟雾传感器就可以很好的解决这个问题。

它具有实时性，可以在最快的时间内对火灾做出反应，而且具有很高的灵敏度，即使在很低的浓度下也可以进行探测，不仅如此它的成本还很低，容易被消费者接受，便于进行推广。

关键字：

气体传感器，

目录

摘要………………………………………..............……...................…3

第一章绪论………………………………………..............……...................….5

1.1设计背景………………………………………..............……...................….5

1.2建筑物防灾现状……………………………................……...................….6

1.3设计目的………………………………………..............……...................….7

第二章理论分析......................................................................................................8

2.1、气敏传感器的定义和分类.....................................................................................................8

2.2、主要气敏传感器的特性.........................................................................................................8

2.3、半导体气体传感器的工作机理.............................................................................................9

3.1、烟雾报警器电路原理图........................................................................................................10

3.2、烟雾报警器电路工作原理..................................................................................................10

3.3+15V稳压电源的设计..............................................................................................................11

3.4定时器的设计..........................................................................................................................11

3.5制作与调试............................................................................................................................12

3.6元件选取..................................................................................................................................12

4心得体会.....................................................................................................................................12

谢辞.................................................................................................................................................13

附录.................................................................................................................................................14

第一章绪论

1.1设计背景

当今，火灾是世界各国人民所面临的一个共同的灾难性问题。

它给人类社会造成过不少生命、财产的严重损失。

火灾是威胁公共安全，危害人们生命财产的灾害之一。

俗话说：

“水火无情”；“贼偷一半，火烧全光”。

当今，火灾是世界各国人民所面临的一个共同的灾难性问题。

它给人类社会造成过不少生命、财产的严重损失。

随着社会生产力的发展，社会财富日益增加，火灾损失上升及火灾危害范围扩大的总趋势是客观规律。

随着社会生产力的发展，社会财富日益增加，火灾损失上升及火灾危害范围扩大的总趋势是客观规律。

据联合国“世界火灾统计中心”提供的资料介绍，发生火灾的损失，美国不到7年翻一番，日本平均16年翻一番，中国平均12年翻一番。

全世界每天发生火灾1万多起，造成数百人死亡。

近几年来，我国每年发生火灾约4万起，死2000多人，伤3000—4000人，每年火灾造成的直接财产损失10多亿元，尤其是造成几十人、几百人死亡的特大恶性火灾时有发生，给国家和人民群众的生命财产造成了巨大的损失。

严峻的现实证明，火灾是当今世界上多发性灾害中发生频率较高的一种灾害，也是时空跨度最大的一种灾害。

火灾的危害性具体体现在以下五个方面。

（1）火灾会造成惨重的直接财产损失

（2）火灾造成的间接财产损失更为严重。

现代社会各行各业密切联系，牵一发而动全身。

一旦发生重、特大火灾，造成的间接财产损失之大，往往是直接财产损失的数十倍。

（3）火灾会造成大量的人员伤亡。

（4）火灾会造成生态平衡的破坏，据资料统计，我国年均森林火灾毁林面积达100万公顷（我国森林覆盖率仅为13%，日本60%），森林大面积减少，造成洪水泛滥。

（5）火灾会造成不良的社会政治影响。

然而很多火灾都是由于发现不及时导致了严重的后果，及早发现隐患对于后期的救灾具有至关重要的作用。

于是烟雾传感器就应运而生了，而烟雾传感器以其独特的优势，在火灾报警和有害气体检测起到了至关重要的作用。

而基于烟雾传感器的火灾报警器也就顺应时代的要求产生了，他克服了很多的不确定性，大大减小了误报率，在实际生活中有很大的应用价值。

1.2建筑物防灾现状

在建高层建筑的消防设施缺乏或不完善。

由于在建高层建筑物本身的消防设施未建成或不完善，部分在建工地的火灾自动报警系统尚未建立或不完善，使初期火情不易被察觉；部分虽有消防设施，但由于未接通水电，此时的消防设施只是“摆设”，而且施工场地大多采用临时水源，水压不足，且大部分工地未设置消防水池；部分建筑工地没有配备消防器材或配备不足，切存放位置不明显,随意丢放现象严重，施工周期长的工地灭火器材失效现象严重。

在建高层建筑内外可燃物质多。

在建高层建筑外围的施工的脚手架和安全防护网大多用可燃材料做成；内部存放大量装饰、装修材料多为可燃易燃物品；施工人员临时搭建的仓库、食堂、工棚等，这些简易建筑大部分采用木材、竹子、油毡等可燃材料搭建，里面还存放大量施工人员的生活物品，这都增加了火灾的荷载。

在建高层建筑内部情况复杂。

工程在建过程中，建筑材料堆垛多，脚手架多，存放物多，物品杂乱无章；一些工地为了建筑工地、建筑材料的安全，在一些在建楼层内的通道、楼梯、库室设置临时的门、档板等障碍物，并且没有必要的安全出口指示标志，使人很难找到安全出口；但与此相反由于正在施工，楼梯间、电梯井等未做防火防烟处理，成为火势蔓延的途径。

工地周边的各种建筑材料、垃圾堆积如山，严重堵塞消防通道，一旦发生火灾，这些都给人员疏散，官兵灭火救援带来极大的阻碍。

安全生产制度落实不严，电气设备设计不规范。

笔者深入当地的多处在建高层建筑工地中实地查看，从查看的情况看，虽然大部分工地的相关安全生产制度都能上墙公布，但抓落实不严，安全生产管理松懈，管理人员消防安全意识淡薄，麻痹、侥幸心理严重，工地中电焊、电工等特种工操作人员缺乏专业培训。

施工方为了赶进度，用人审查制度不严，不少特种工都没有《特种行业许可证》，属无证上岗，施工时操作不规范，违反安全生产制度现象时有发生。

此外，由于施工现场用电量大，而建筑工地用电是临时性的，导致安装极不规范，电线私拉乱接、配电箱随意安装现象严重。

由于电线移动频繁，致使绝缘层破损，易引起短路而引发火。

这些都是在建高层建筑实际存在但又容易被工人忽略的火灾隐患。

工人消防安全意识淡薄，生活用火用电隐患普遍。

由于高层建筑工地施工用电、用气、用火量大，施工人员者大多为外来务工人员，消防安全意识淡薄，消防安全素质偏低，私拉乱接电线、就地生火做饭、使用液化气、乱扔烟头等现象普遍，特别是冬季，有些施工人员甚至烧木材取暖。

建筑内部设施一般达不到防火要求，临时布线过多、过乱，施工现场木料、模板、防护网、装修贴面材料、油漆、工人的生活物品等都是易燃、可燃物品多，如果生活用火用电稍有不慎，极易引发火灾。

北京央视北配楼“2。

9”火灾正突出反映了单位负责人及员工消防安全意识淡薄。

1.3设计目的

为了能切实保障人们的生命安全及财产安全不受火灾的影响，设计出一种能够在火灾刚刚发生时或者有可燃气体堆积引起的火灾隐患或人员安全时就能报警的装置，就能极大地减少不良后果的发生。

做到防患于未然。

报警器通过内部智能处理器感应离散光源、微小的烟粒和气雾来检测，一旦检测到烟雾，立刻通过一个内置的专用IC驱动电路和一个外部压电式换能器输出报警声，使人们及早得知火情，将火灾扑灭在萌芽状态。

第二章理论分析

2.1、气敏传感器的定义和分类

气体传感器是将被测气体浓度转换为与其一定关系的电量输出的装置或器件。

气体传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。

图1气敏传感器

由于气体种类繁多,性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，按构成气体传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。

目前实际使用最多的是半导体气体传感器。

半导体气体传感器是利用待测气体与半导体表面接触时，产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。

按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控制型。

前者半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子接受，结果使半导体的电导率等物理性质发生变化，但内部化学组成不变；后者半导体与气体的反应，使半导体内部组成发生变化，而使电导率变化。

按照半导体变化的物理特性，又可分为电阻型和非电阻型，电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度；非电阻型半导体气敏元件是利用其它参数，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测被测气体的。

2.2、主要气敏传感器的特性

1、半导体式气体传感器：

它是利用一些金属氧化物半导体材料，在一定温度下，电导率随着环境气体成份的变化而变化的原理制造的。

缺点：

稳定性较差，受环境影响较大；尤其，每一种传感器的选择性都不是唯一的，输出参数也不能确定。

因此，不宜应用于计量准确要求的场所。

目前这种传感器的主要供应商在日本（发明者），其次是中国，最近有新加入了韩国，其他国家如美国在这方面也有相当的工作。

2、催化燃烧式气体传感器：

这种传感器是在铂金电阻的表面制备耐高温的催化剂层，在一定的温度下，可燃性气体在其表面催化燃烧，燃烧是白金电阻温度升高，电阻变化，变化值是可燃性气体浓度的函数。

缺点：

在可燃性气体范围内，无选择性。

暗火工作，有引燃爆炸的危险。

大部分元素有机蒸汽对传感器都有中毒作用。

目前这种传感器的主要供应商在中国、日本、英国（发明国）！

3、热导池式气体传感器：

每一种气体，都有自己特定的热导率，当两个和多个气体的热导率差别较大时，可以利用热导元件，分辨其中一个组分的含量。

这种传感器已经成功地用于氢气的检测、二氧化碳的检测、高浓度甲烷的检测。

这种气体传感器可应用范围较窄，限制因素较多。

这是一种老式产品，全世界各地都有制造商。

产品质量全世界大同小异。

4、电化学式气体传感器：

它相当一部分的可燃性的、有毒有害气体都有电化学活性，可以被电化学氧化或者还原。

利用这些反应，可以分辨气体成份、检测气体浓度

目前这种传感器的主要供应商遍布全世界，主要在德国、日本、美国，最近新加入几个欧洲供应商：

英国、瑞士等。

中国在这个领域起步很早，但是产业化进程效果不佳。

5、红外线气体传感器：

大部分的气体在中红外区都有特征吸收峰，检测特征吸收峰位置的吸收情况，就可以确定某气体的浓度。

这种传感器成功的用于：

二氧化碳、甲烷的检测。

目前这种“传感器”的供应商在欧洲！

中国在这一领域目前是“半”空白！

6、磁性氧气传感器：

这是磁性氧气分析仪的核心，但是目前也已经实现了“传感器化”进程。

它是利用空气中的氧气可以被强磁场吸引的原理制备的

2.3、半导体气体传感器的工作机理

半导体气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。

当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。

当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力（气体的吸附和渗透特性）时，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。

例如氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子接收性气体。

如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。

具有正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气体或电子供给性气体。

当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，将使半导体载流子减少，而使半导体电阻值增大。

当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。

由于空气中的含氧量大体上是恒定的，因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相对固定。

若气体浓度发生变化，其阻值也将变化。

根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。

N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。

3.1烟雾报警器电路原理图（见附录）

简易的烟雾报警器原理图如图所示，整个电路分电源、检测、定时报警输出三部分。

电源部分由变压器、VD1-VD4、C2、三端稳压器7810和7805

检测部分由HQ-2、IC1构成

定时部分由R3，C1

3.2烟雾报警器电路工作原理

半导体气敏传感器俗称气敏头、电鼻子．它是由金属氧化物半导体的烧结体（或烧结膜）所形成的感应部分和加热器所构成。

当于200℃-500"C的半导体和空气中可燃有害气体接触时，半导体的电导率就会发生相应的变化。

在工业生产和日常生活中。

利用气敏传感器这一特性来进行可燃性气体和毒性气体的浓度检测和泄漏报警．以确保生产和生命的安全。

半导体气敏头的图形符号见图4。

外形、内部结构和管脚接法见图5，文字符号没有统一规定，常用的有QM、QR、HQ和S等。

从图6可知，气敏元件在纯洁的空气中通电加热时,其电阻急剧下降，过4～5分钟（此段时间称作初始稳定期）后达到稳定阻值。

之后，将随着被检测气体的吸附而发生变化。

其电阻值变化的规律视半导体的类型而定；P型半导体气敏元件阻值上升；而N型半导体气敏元件阻值下降。

4单元电路的设计及元件的选取

3.3+15V稳压电源的设计

电源部分将220V市电经变压器降至15V，由VD1-VD4组成的整流电路整流，并经过电容C2滤波后供给后面的电路。

烟雾检测器件HQ-2所需10V和5V的直流电源由三端稳压器7810和7805供给，两只运算放大器IC所需1OV电源也由7810供给。

图6稳压电源电路

3.4定时器的设计

图2由定时器构成的多谢振荡器

HQ-2气敏管A，B之间的电阻在无烟环境中为几十千欧，检测到烟雾时其阻值可下降到几千欧。

一旦气敏管检测到周围有烟雾的存在，则其A、B之间的电阻迅速减小，此时IC1通过电位器所取得的分压随之增大，比较器IC1迅速翻转，使得VT2导通。

由于IC2在IC1导通之前输出高电平，因此VT1已处于导通状态。

所以只要IC1一翻转，输出端Uo便可以输出自己设定的报警信号（如闪光，语音等）。

IC1翻转后，由R3，C1组成的定时器开始工作。

当电容C1被充电达到阈值电位时，IC2翻转，VT1关断，报警信号停止输出，烟雾消失后比较器复位，C1通过IC1放电。

电路恢复原来状态。

3.5制作与调试

本设计只需按常规制作，安装无误即可成功，无须特别的调试。

改变R3的阻值可改变报警信号的长短。

而通过调节电位器RPl可改变比较器IC1的阈值电位，也就改变了系统的灵敏度。

电路工作时，气敏管会发热一段时间，那是因为加热回路电压烧去气敏电阻表面污物，属于正常现象。

电路实用扩展现在市场上很多类型的气敏传感器其工作参数和管脚排列都差不多，如检测煤气的UL-281、检测各种可燃气体的MQN-10等，它们的测量回路电压、加热回路电压、加热电流等工作参数都相同，因此只需将此气敏管代替图中的HQ-2，而不需改变其它元件，就可以制成相应的煤气报警器、可燃气体报警器等。

此制作简单，且易成功，初学者不妨试试。

因为有220V供电，请注意安全!

3.6元件选取

（1）检测器件选用HQ-2气敏管

（2）IC选用LM324.

（3）VT1，VT2选用3DK9晶体三极管。

（4）其他如原理图所示，无特殊要求。

4心得体会

通过这个设计使我对传感器有了根深层次的认识，了解到的传感器必须应用到实际中才能发挥它的作用，而不能只停留在理论研究的阶段。

在这期间也发现了不少的问题，要真正完成好一个设计光会一方面的知识是远远不够的，我们一定在大学期间多掌握些知识，无论是为了将来的就业还是自己创业都很有意义。

谢辞

宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来，不经历风雨怎能见彩虹。

经过几个月的艰苦奋战，我的毕业设计几经曲折终于接近尾声。

在这几个月的时间里，我衷心感谢我的指导老师李棚，在课题选定、理论指导和方案的论证上，我都遇到了诸多的困难，然而老师对我们精心的指导和耐心的鼓励，使我能够坚持到底，课程设计有了圆满的结果。

参考文献

《传感器与自动检测》部分未予显示

附录

电路原理图