MQ系列氣體傳感器通用說明書

通用說明書工作原理MQ系列氣體傳感器的敏感材料是活性很高的金屬氧化物半導(dǎo)體,最常用的如SnO2。金屬氧化物半導(dǎo)體在空氣中被加熱到一定溫度時,氧原子被吸附在帶負電荷的半導(dǎo)體表面,半導(dǎo)體表面的電子會被轉(zhuǎn)移到吸附氧上,氧原子就變成了氧負離子,同時在半導(dǎo)體表面形成一個正的空間電荷層,導(dǎo)致表面勢壘升高,從而阻礙電子流動(見圖1。在敏感材料內(nèi)部,自由電子必須穿過金屬氧化物半導(dǎo)體微晶粒的結(jié)合部位(晶界才能形成電流。由氧吸附產(chǎn)生的勢壘同樣存在于晶界而阻礙電子的自由流動,傳感器的電阻即緣于這種勢壘。在工作條件下當(dāng)傳感器遇到還原性氣體時,氧負離子因與還原性氣體發(fā)生氧化還原反應(yīng)而導(dǎo)致其表面濃度降低,勢壘隨之降低(圖2和圖3。導(dǎo)致傳感器的阻值減小。在給定的工作條件下和適當(dāng)?shù)臍怏w濃度范圍內(nèi),傳感器的電阻值和還原性氣體濃度之間的關(guān)系可近似由下面方程表示:其中:Rs:傳感器電阻A:常數(shù)[C]:氣體濃度α:Rs曲線的斜率傳感器特性1氧氣分壓的影響圖4所示為大氣中氧分壓(PO2和MQ氣體傳感器在清潔空氣中阻值之間的典型關(guān)系。2氣敏特性根據(jù)前述方程,在某一氣體濃度范圍內(nèi)(從幾十ppm至幾千ppm,在工作條件下,傳感器的電阻同氣體濃度呈對數(shù)線性關(guān)系。如圖5所示。傳感器對多種還原氣體具有敏感性,對指定氣體的相對靈敏度,取決于敏感材料的構(gòu)成及其工作溫度。圖1-晶粒間勢壘模型(潔凈空氣實際上,每個傳感器的電阻值和相對靈敏度都不完全相同,圖5中描述的敏感特性為傳感器在不同氣體濃度下的阻值(Rs與待檢測氣體的一定濃度下的阻值(R0的比值與濃度的對數(shù)關(guān)系。3傳感器響應(yīng)特性在工作條件下傳感器先被放入還原性氣體中,其電阻急劇下降,待其穩(wěn)定后,再將其置入潔凈空氣中,傳感器的電阻經(jīng)過很短的時間即恢復(fù)到它的初始值。這個過程中傳感器典型的動作如圖6所示。傳感器的響應(yīng)速度和恢復(fù)速度與傳感器型號、材料種類及所測氣體的種類相關(guān)。4初始動作如圖7所示,當(dāng)傳感器不通電存放后,再在空氣中通電,無論是否存在還原性氣體,傳感器通電后的最初幾秒鐘,其阻值都會(Rs急劇下降,然后逐漸達到一個平穩(wěn)的水平,即為傳感器的初始動作。初始動作時間的長短取決于傳感器儲存期間的氣氛條件、儲存時間長短,并因傳感器型號而異,也與通電后傳感器周圍的氛圍有關(guān)。通電后傳感器的初始動作會引起報警(參照4-6節(jié),因此在設(shè)計電路時要予以充分考慮。5溫、濕度影響MQ傳感器的檢測原理是基于氣體在傳感器表面的化學(xué)吸附、反應(yīng)與脫附。環(huán)境溫度的變化會改變化學(xué)反應(yīng)速度,從而影響傳感器的敏感特性。此外,水蒸氣會吸附在傳感器表面,濕度將會引起Rs的降低。如圖8所示。精確使用MQ傳感器時應(yīng)考慮溫、濕度的影響。6長期穩(wěn)定性MQ系列傳感器的長期穩(wěn)定性典型數(shù)據(jù)如圖9所示。通常情況下,MQ傳感器表現(xiàn)出穩(wěn)定的經(jīng)時特性,適用于免維護應(yīng)用的場合。7加熱器電壓的影響在設(shè)計傳感器的加熱器時,充分考慮了在給定的恒定加熱電壓下,氣體傳感器表現(xiàn)出最佳的敏感特性。靈敏度隨加熱電壓的變化如圖10所示。對于加熱電壓對傳感器性能的影響,使用時應(yīng)充分考慮。MQ氣體傳感器使用注意事項1必須避免的情況1.1暴露于有機硅蒸氣中如果傳感器的表面吸附了有機硅蒸氣,傳感器的敏感材料會被包裹住,抑制傳感器的敏感性,并且不可恢復(fù)。傳感器要避免暴露其在硅粘接劑、發(fā)膠、硅橡膠、膩子或其它含硅塑料添加劑可能存在的地方。圖4-氧氣分壓的典型影響圖5-典型的敏感特性圖6-典型的傳感器響應(yīng)恢復(fù)1.2高腐蝕性的環(huán)境傳感器暴露在高濃度的腐蝕性氣體(如H2S,SOX,Cl2,HCl等中,不僅會引起加熱材料及傳感器引線的腐蝕或破壞,并會引起敏感材料性能發(fā)生不可逆的改變。1.3堿、堿金屬鹽、鹵素的污染傳感器被堿金屬尤其是鹽水噴霧污染后,及暴露在鹵素如氟中也會引起性能劣變。1.4接觸到水濺上水或浸到水中會造成敏感特性下降。1.5結(jié)冰水在敏感元件表面結(jié)冰會導(dǎo)致敏感材料碎裂而喪失敏感特性。1.6施加電壓過高如果給敏感元件或加熱器施加的電壓高于規(guī)定值,即使傳感器沒有受到物理損壞或破壞,也會造成引線和/或加熱器損壞,并引起傳感器敏感特性下降。1.7電壓加錯管腳(僅限于旁熱式系列對6腳型的傳感器,如果電壓加在1、3或4、6管腳會導(dǎo)致引線斷線,加在2、4管腳上則取不到信號。2盡可能避免的情況2.1凝結(jié)水在室內(nèi)使用條件下,輕微凝結(jié)水會對傳感器性能會產(chǎn)生輕微影響。但是,如果水凝結(jié)在敏感元件表面并保持一段時間,傳感器特性則會下降。2.2處于高濃度氣體中無論傳感器是否通電,在高濃度氣體中長期放置,都會影響傳感器特性。2.3長期貯存?zhèn)鞲衅髟诓煌娗闆r下長時間貯存,其電阻會產(chǎn)生可逆性漂移,這種漂移與貯存環(huán)境有關(guān)。傳感器應(yīng)貯存在有清潔空氣不含硅膠的密封袋中。經(jīng)長期不通電貯存的傳感器,在使用前需要長時間通電以使其達到穩(wěn)定。2.4長期暴露在極端環(huán)境中無論傳感器是否通電,長時間暴露在極端條件下,如高濕、高溫、或高污染等極端條件,傳感器性能將受到嚴(yán)重影響。2.5振動頻繁、過度振動會導(dǎo)致敏感元件引線產(chǎn)生共振圖7-典型的初始動作圖8-典型的溫濕度影響圖9-典型的長期穩(wěn)定性而斷裂。在運輸途中及組裝線上使用氣動改錐/超聲波焊接機會產(chǎn)生這種振動。2.6沖擊如果傳感器受到強烈沖擊會導(dǎo)致其引線斷線。2.7使用對傳感器來說手工焊接是最理想的焊接方式。使用波峰焊是應(yīng)滿足以下條件:違反以上使用條件將使傳感器特性下降。電路設(shè)計1負載電阻(RL通過負載電阻可獲得輸出信號,并可調(diào)節(jié)傳感器兩端的電壓,負載電阻可充當(dāng)傳感器的保護器。為每個傳感器選擇一個合適的負載電阻可補償傳感器的離散性,并發(fā)揮傳感器的最佳特性。如圖11為傳感器常見的敏感特性。在同樣的電路(如圖14中,傳感器配用不同的負載電阻RL(4.7KΩ,2.0KΩ,1KΩ時,氣體濃度與輸出電壓(VRL的關(guān)系如圖12所示。如圖13給出了RS/RL和VRL/VC的關(guān)系。RS/RL為1.0時,VRL/VC的斜率最大。在此條件下對報警濃度可獲得最佳信號分辨率。使用時應(yīng)選擇檢測濃度下的RS/RL值為1.0時的RL作負載。也可使用可變電阻器(RL以獲得最佳結(jié)果。2信號處理傳統(tǒng)的信號輸出處理方法是使用比較器(圖14。當(dāng)VRL超出設(shè)定值(Vref時,比較器信號激發(fā)外部裝置,比如蜂鳴器或LED燈。使用微處理器進行信號處理會更方便實用。它除了具有執(zhí)行比較器的功能外,還具有其它一些有用的功能,例如溫度補償,自動校準(zhǔn)等。3溫度補償電路如圖15所示為同一支傳感器在幾種不同環(huán)境條件下,典型的靈敏度曲線。沒有補償電路時,在+20℃/65%RH、1500ppm丙烷檢測氣體設(shè)定的報警點,在環(huán)境溫度發(fā)生變化時會在600ppm至3400ppm間變化。Vref可從2.5V變化到1.圖10-典型的加熱電壓影響圖11-敏感特性(Rs圖12-敏感特性(VRL9V。使用補償電路的結(jié)果見圖16及表1。熱敏電阻及附加電阻的選擇方法如下:3.1確定應(yīng)用的預(yù)期環(huán)境溫濕度范圍?？紤]平均值為+20℃/65%RH的通常條件以及-10℃和+40℃/40%—65%RH的極限條件。3.2獲取在上述環(huán)境條件下的待測氣體的敏感特性曲線。3.3決定熱敏電阻和附加電阻去擬合平均曲線。圖14中補償路的推薦值如下:注:使用這種方法不能實現(xiàn)濕度補償。4MQ300系列加熱器突入電流傳感器的加熱器材料有它自身的溫度影響。MQ300系列傳感器在不同環(huán)境溫度下突入電流及加熱器穩(wěn)態(tài)電流如圖17所示。此圖說明突入電流大約比穩(wěn)態(tài)電流高50%。因為加熱器電阻在低溫時電阻值也低,這會導(dǎo)致在室溫下電流比預(yù)期高。因此使用該傳感器的裝置第一次通電時,通電的最初一段時間會產(chǎn)生極高的電流。因此在電路設(shè)計時要同時考慮突入電流時的保護。5傳感器加熱器斷路檢測回路傳感器加熱器的斷路可通過與其串聯(lián)的電阻檢測出來。加在此串聯(lián)電阻器上的電壓可用于此目的。6防止初始動作誤報警正如2-4部分所描述的那樣,無論是否有被測氣體出現(xiàn),通電后最初的幾秒內(nèi)Rs急劇下降,引起VRL超過Vref,然后依照周圍氣氛趨向穩(wěn)定(初始動作。使用圖18所示的回路可以避免最初預(yù)熱過程傳感器初始動作可能引起的誤報警。此回路應(yīng)與傳感器回路圖14中的VRL連接。7蜂鳴器延遲回路使用類似于圖18所示的延遲回路可以防止短暫存在的氣體(如烹調(diào)中產(chǎn)生的乙醇蒸氣干擾引發(fā)的誤報警。檢測器設(shè)計(見圖19示例流程圖1電路圖13-Rs/RL和VRL/Vc的關(guān)系圖14-常用的溫度補償電路圖15-無補償電路的效果1.1使用熱敏電阻補償溫度影響時，熱敏電阻將補償傳感器周圍發(fā)生的溫度變化。傳感器和熱敏電阻要處于不受電路產(chǎn)生熱量影響的位置才可以獲得理想的補償效果。1.2要確保傳感器加熱器的工作條件如電壓，電流，加熱周期和檢測時間符合規(guī)定。1.3流過傳感器的電流較大，在設(shè)計電路結(jié)構(gòu)（如線條寬度，跨距和布局）時要充分考慮這一因素。1.4負載電阻值應(yīng)接近報警點時傳感器的電阻值。使用可調(diào)電阻時，應(yīng)考慮它的可調(diào)范圍。1.5電路功能應(yīng)包括引線或加熱器斷路或傳感器元件失效的故障/安全保護模式。2檢測器外殼2.1外殼設(shè)計時傳感器周圍應(yīng)有一個隔離空間。隔離間通過對流促進傳感器快速響應(yīng)，并使檢測器中其它元件產(chǎn)生的熱量對傳感器的影響最小化。檢測器外殼應(yīng)至少在兩面設(shè)置數(shù)量和寬度足夠的切口，以保證氣體在傳感器周圍順暢流動。2.2外殼的設(shè)計時要最大限度地保證散熱。3樣機評審測驗開始批量生產(chǎn)前必須對樣機進行評審。檢測器生產(chǎn)1生產(chǎn)設(shè)備1.1傳感器和檢測器的預(yù)熱（預(yù)通電）設(shè)備，無論施加的電壓是否波動，要持續(xù)施加額定周期下的額定電壓。在預(yù)通電過程中,傳感器/檢測器要模擬實際使用情況垂直固定。1.2氣體測試箱避免使用熟化后可能放出氣體的絕緣或密封材料，如硅樹脂密封膠和溶劑型的粘合劑。氣體測試箱的溫、濕度應(yīng)是可調(diào)的。要確保測試箱的容積使每個傳感器擁有1升或更多的空間。檢測器探測到的應(yīng)是靜止的混合氣，避免氣體直接流向傳感器，引起傳感器錯誤地高靈敏。在調(diào)試過程中檢測器要象實際使用時那樣保持垂直固定。1.3工廠環(huán)境環(huán)境應(yīng)保持清潔并不得含有有機蒸氣，如酒精、丙酮、可燃性氣體等。特別要注意保持傳感器/檢測器預(yù)通電設(shè)備周圍的環(huán)境中沒有對其產(chǎn)生影響的氣體，如含硅蒸氣。在使用三氯乙烯，氟里昂或地板密封劑等揮發(fā)性清洗劑時，所有的產(chǎn)品要從該區(qū)域移走并妥善安置，直到該區(qū)域徹底通風(fēng)后才可以返回。2制造工藝（制造工藝流程圖示例如圖-20）2.1傳感器的貯存和處置傳感器要在通常密封袋中貯存。2.2傳感器預(yù)通電6鄭州煒盛電子科技有限公司圖16-補償電路的效果圖17-環(huán)境溫度對MQ300加熱電流的影響圖18-防止初始動作引發(fā)報警電路傳感器預(yù)熱（預(yù)通電）的時間最短為2天，但強烈建議通電7天或更長時間以獲得最佳效果。通電時要遵循標(biāo)準(zhǔn)電路條件并保持清潔的氣氛條件。2.3傳感器裝配到PCB上之前，助焊劑必須充分烘干。2.4傳感器裝配時強烈建議手工焊接。推薦使用無鉛焊錫、不含氯的樹脂助焊劑。2.5PCB預(yù)通電的時間最短為2小時，但強烈推薦通電1天或更長時間以獲得最佳效果。通電時要遵循標(biāo)準(zhǔn)電路條件并保持清潔的氣氛條件。2.6調(diào)試（參考圖14電路）確保使用適當(dāng)?shù)臋z測氣體濃度來調(diào)試所有的產(chǎn)品。保持調(diào)試箱內(nèi)氣氛的溫濕度條件穩(wěn)定。必須清除調(diào)試箱中任何痕量的煙，粘接劑，雜質(zhì)氣體，溶劑。例1）使用可變負載電阻器調(diào)試檢測器時，先將檢測器放入氣體測試箱。測試箱內(nèi)配制報警濃度的被測氣體。調(diào)整使檢測氣體中的VRL至與Vref相當(dāng)。例2）使用虛設(shè)負載電阻器（RL*）調(diào)試檢測器時，先將檢測器放入氣體測試箱。測試箱內(nèi)配制報警濃度的氣體。測量RL*兩端的電壓以獲得報警濃度時的Rs。用相當(dāng)于上述測量出的Rs阻值的RL來替換檢測器中的RL*。注意：確認報警濃度的氣體與周圍環(huán)境的溫濕度水平相一致。否則，調(diào)試結(jié)果會與正常使用時大不相同。要在用戶規(guī)定的測試條件和檢測器的預(yù)定使用條件下進行調(diào)試。2.7最終裝配時要避免使用氣動工具可能引起的任何沖擊或振動。2.8成品預(yù)通電的時間最短為2小時，但強烈推薦通電1天或更長時間以獲得最佳效果。確認通電時遵循標(biāo)準(zhǔn)電路條件并保持清潔的氣氛條件。2.9氣體測試用檢測氣體測試所有的最終成品。保持測試箱氣氛條件穩(wěn)定，使用用戶規(guī)定的測試條件和檢測器預(yù)期使用條件進行測試。必須清除測試箱中任何痕量的煙、粘接劑、雜質(zhì)氣體、溶劑。2.10氣體測試不合格品的重新調(diào)試。如果電路功能檢測沒有問題，可以重新進行濃度調(diào)試。預(yù)通電時間應(yīng)兩倍于檢測器測試后的未通電放置時間，確保檢測器