【正文】 可以通過探測器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枅缶蚴棺詣訙缁鹣到y(tǒng)啟動，及時撲滅火災。 1． 2 火災報警器的發(fā)展趨勢 二十多年前，中國的消防報警產(chǎn)品剛剛起步，無論產(chǎn)品技術(shù)含量、產(chǎn)品系 列完整性、使用性，還是社會影響程度都是相當?shù)偷摹獾漠a(chǎn)品和品牌一統(tǒng)天下，占領中國的大部分市場。由于中國的建設正在飛速發(fā)展，市場大的驚人，難道這由中國發(fā)展帶來的成果只能由外國企業(yè)來瓜分？可幸的是中國企業(yè)抓住了機遇，頂住了挑戰(zhàn)，先是一批國家的科研院所，后是一批國營企業(yè)、民營企業(yè)，業(yè)內(nèi)也吸引和凝聚一大批國內(nèi)的技術(shù)和管理精英，花了十多年時間，通過幾次產(chǎn)品更新?lián)Q代，就使自己的產(chǎn)品緊緊跟上了國際水平，并且奪回了大部分國內(nèi)市場，使得現(xiàn)在大多國外產(chǎn)品只有招架之功，這是典型的自力更生，走自己的路。當然目前而言，我們基本占據(jù) 的是國內(nèi)市場，對外還剛啟動。中國企業(yè)正虎視眈眈，準備進軍海外市場。 1. 3 火災報警器的現(xiàn)狀及特點 消防報警產(chǎn)品是一個系列產(chǎn)品，包括火災探測設備、信息傳輸設備、報警分析控制器、消防控制聯(lián)動。是物理傳感技術(shù)、自動控制、計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸和管理、智能樓宇等技術(shù)的綜合集成，屬于高新技術(shù)。依托中國多年的基本建設的發(fā)展，這個行業(yè)也得到發(fā)展，具備了和國外知名企業(yè)抗衡的能力。在目前中國許多冠名以高新技術(shù)的行業(yè)中，中國企業(yè)大多做的是下游的制造和服務，分取極少一部分的利潤，象消防報警產(chǎn)品那樣又擁有自我知識產(chǎn)權(quán)，又 擁有大量市場的行業(yè)其實是很少的。 在消防報警產(chǎn)品的技術(shù)含量上，國內(nèi)產(chǎn)品和國外產(chǎn)品差距不是很大，許多指標已經(jīng)超越，存在的問題是：類似于國外消防報警產(chǎn)品的大批量規(guī)模化的生產(chǎn)才剛起步，有待 電子電器工程學院 畢業(yè)論文（設計） 目錄 于積累經(jīng)驗和技術(shù)；也因此在產(chǎn)品一致性和長期穩(wěn)定性上有一些差距；國內(nèi)正在形成權(quán)重的大型企業(yè)和集團，這樣可以帶領國內(nèi)的各家企業(yè)去沖擊海外市場，并最終占領海外的消防報警市場。 2 煙霧檢測報警器的方案設計 煙霧檢測報警器設計思路 煙霧檢測報警器是能夠檢測環(huán)境中的煙霧濃度，并具有報警功能的儀器，儀器的最基本組成部分應包括：煙霧信號采 集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機控制電路。 煙霧信號采集電路一般由煙霧傳感器，將煙霧信號轉(zhuǎn)化為模擬的電信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 ADC0832將從煙霧檢測電路送出的模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機可識別的數(shù)字信號后送入單片機。單片機對該數(shù)字信號進行 濾波處理，并對處理后的數(shù)據(jù)進行分析，是否大于或等于某個預設值 (也就是報警限 )，如果大于則啟動報警電路發(fā)出報警聲音，反之則為正常狀態(tài)。 煙霧傳感器的選型 煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，是氣 電變換器，它將可燃性氣 體在空氣中的含量 (即濃度 )轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號，通過 A/D轉(zhuǎn)換電路 將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到單片機，進而由單片機完成數(shù)據(jù)處理、濃度 處理及報警控制等工作。傳感器作為煙霧檢測報警器的信號采集部分，是儀表的核心組成部分之一。由此可見，傳感器的選型是非常重要的。 煙霧傳感器介紹 (1) 煙霧傳感器的分類 煙霧傳感器種類繁多，從檢測原理上可以分為三大類： (a)利用物理化學性質(zhì)的煙霧傳感器：如半導體煙霧傳感器、接觸燃 燒煙霧傳感器等。 (b)利用物理性質(zhì)的煙霧傳感器：如熱導煙霧傳感器、光干涉煙霧傳 感器、紅外傳感器等。 (c)利用電化學性質(zhì)的煙霧傳感器：如電流 型煙霧傳感器、電勢型氣 體傳感器等。 2022 級電子信息科學與技術(shù)專業(yè) 畢業(yè)論文（設計） III (2) 煙霧傳感器應滿足的基本條件 一個煙霧傳感器可以是單功能的，也可以是多功能的；可以是單一的實體，也可以是由多個不同功能傳感器組成的陣列。但是，任何一個完整的煙霧傳感器都必須具備以下條件： (a)能選擇性地檢測某種單一煙霧，而對共存的其它煙霧不響應或低 響應； (b)對被測煙霧具有較高的靈敏度，能有效地檢測允許范圍內(nèi)的煙霧 濃度； (c)對檢測信號響應速度快，重復性好； (d)長期工作穩(wěn)定性好； (e)使用壽命長； (f)制造成本低，使用與維護方便。 (3)常見煙霧傳感器簡介 下面對工業(yè)上常用的幾種煙霧傳感器作簡單介紹。 (a) 半導體煙霧傳感器 半導體煙霧傳感器包括用氧化物半導體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器，以及用單晶半導體器件制作的煙霧傳感器。自 1962年半導體金屬氧化物煙霧傳感器問世以來，由于具有靈敏度高、響應快、輸出信號強、耐久性強、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜等諸多優(yōu)點，得到了廣泛的應用。該傳感器己成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的煙霧傳感器之一。按照敏感機理分類，可分為電阻型和非電阻型。 (b) 固體電解質(zhì)煙霧傳感器 固體電解質(zhì)煙霧傳感器使用固 體電解質(zhì)氣敏材料作為氣敏元件，其原理是利用氣敏材料在通過煙霧時產(chǎn)生電阻，測量其形成電動勢從而測量氣體濃度。由于這種傳感器電導率高，靈敏度和選擇性好，因而得到了廣 泛的應用，幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個領域，其產(chǎn)量僅次于半導體煙霧傳感器的一類傳感器。但這種傳感器制造成本高，檢測煙霧范圍有限，在檢測環(huán)境污染領域中有優(yōu)勢。 (c) 接觸燃燒式傳感器 當易燃煙霧接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時會發(fā)生氧化反應而燃燒，故得名接觸燃燒式傳感器。接觸燃燒式煙霧傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲 (也可表面涂鉑、鈀等稀有 金屬催化層 )，使用時將鉑絲通電，保持 300176。 C~400176。 C的高溫，此時若與煙霧接觸，煙霧就會在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會上升，鉑絲的電阻值也上升；通過測量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道煙霧的濃度。 (d) 高分子煙霧傳感器 電子電器工程學院 畢業(yè)論文（設計） 目錄 利用高分子氣敏材料制作的煙霧傳感器近年來得到很大的發(fā)展。高分子氣敏材料在遇到特定煙霧時，其電阻、介電常數(shù)、材料表面聲波傳播速 度和頻率、材料重量等物理性能發(fā)生變化。高分子氣敏材料由于具有易操 作性、工藝簡單、常溫選擇性好、價格低廉、易與微結(jié)構(gòu)傳感器和聲表面波器件相結(jié)合，在 毒性煙霧和食品鮮度等方面的檢測中具有重要作用。高分子煙霧傳感器具有對特定煙霧分子靈敏度高，選擇性好，且結(jié)構(gòu)簡單，能在常溫下使用，可以彌補其它煙霧傳感器的不足。 (e) 電化學傳感器 電化學傳感器由膜電極和電解液封裝而成。煙霧濃度信號將電解液分解成陰陽帶電離子，通過電極將信號傳出。它的優(yōu)點是：反映速度快、準確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測，但壽命較短 (大約兩年 )。它主要適用于毒性煙霧檢測。目前國際上絕大部分毒氣檢測采用該類型傳感器。 (f) 熱傳導傳感器 熱傳導傳感器與接觸燃燒式傳感器具有類似的結(jié)構(gòu)形式，但 是測量原理不同。它的測量原理是：將加熱后的鉑電阻線圈置于目標煙霧中，由于向目標煙霧傳送熱量造成溫度降低，引起電阻值變化，傳感器即測量電阻 值的變化情況。溫度的變化情況是目標煙霧熱傳導率的函數(shù)，而對于一種給定的煙霧或汽化物，熱傳導率是它固有的物理特性。 (g)紅外傳感器 紅外傳感器通常用兩束紅外光進行煙霧測量，主光束通過測量元件內(nèi)的目標煙霧，參考光束通過比較元件內(nèi)的參考煙霧。在測量和比較元件中，紅外射線被煙霧有選擇地吸收了。未吸收的紅外光由光電探測器測量，產(chǎn)生一個正比于目標煙霧濃度的差分信號。非擴散式紅外探測器 NDIR (nondispersive IR )是其中的一種，所有的未吸收光全部以最小的擴散和損耗被記錄下來。 不同的煙霧吸收不同波長的 IR，所以傳感器根據(jù)目標煙霧而調(diào)整，典型應用包括測量 CO和 CO冷凍劑煙霧和一些易燃氣。由于非碳氫化合物易燃煙霧 (如氫 )不吸收電磁譜中 IR部分的能量，所以這種傳感器可以精確地測量碳氫化合物，并具有最小的交叉靈敏度，而且不受其它煙霧的腐蝕以及高濃度目標煙霧的影響。 (4) 常見煙霧傳感器可檢測煙霧種類 由于煙霧的種類繁多，一種類型的煙霧傳感器不可能檢測所有的氣體，通 常只能檢測某一種或兩種特定性質(zhì)的煙霧。例如氧化物半導體煙霧傳感器主要檢測各種還原性煙2022 級電子信息科學與技術(shù)專業(yè) 畢業(yè)論文（設計） III 霧，如 CO、 H C2H5OH、 CH3OH等。固體電解質(zhì)煙霧傳感器主要用于檢測無機煙霧，如O CO H Cl SO2等。 表 、開發(fā)的各類煙霧傳感器及其可檢測的氣體種類。 傳感器種類 C0 CO2 H2S NH3 HCN HCI COCI2 CI2 NOX SO2 O2 CH4 C3H2 H2 H2O 半導體氣體傳感器 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 固體電解質(zhì)傳 感器 ○ ○ ○ ○ ○ 接觸燃燒式傳感器 ◎ ○ ○ ○ 電化學式傳感器 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 高分子電解質(zhì)氣體傳感器 ◎ ○ ○ ○ ○ 注：○好 ◎不太好 表 煙霧傳感器的選定 煙霧檢測報警器主要應用在石油、化工、冶金、油庫、液化氣站、噴漆作業(yè)等易發(fā) 電子電器工程學院 畢業(yè)論文（設計） 目錄 生可燃煙霧泄漏的場所，根據(jù)報警器檢測煙霧種類的要求，一般選用接觸燃燒式煙霧傳感器和半導體煙霧傳感器。 使用接觸燃燒式傳感器，其探頭的阻 緩及中毒，是不可避免的問題。 阻緩是當在煙霧與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下，則有可能在無焰燃燒的同時，有些固態(tài)物質(zhì)附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應緩慢反應滯緩，靈敏度降低。雖然將阻緩的傳感器再放回新鮮空氣環(huán)境中有得到某種程度的恢復的可能，但是如果長期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會不斷下降，導致傳感器最終喪失檢測煙霧的能力。中毒是如果環(huán)境空氣中含有硅烷之類的物質(zhì)時，則傳感器將 使催化元件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的中毒，以致靈敏度很快就喪失。當懷疑檢測環(huán) 境中存在這些物質(zhì)時，經(jīng)常對探頭進行標定 ，是必須且有效的辦法。 因此，經(jīng)常對傳感器進行標定，是保證其準確性的必要的途徑。一般連續(xù)使用兩個月后應對傳感器進行量程校準，這種經(jīng)常性對傳感器的維護，無形中加大了工作人員的工作量，同時增加了報警器的維護成本。 半導體煙霧傳感器包括用氧化物半導體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以及用單晶半導體器件制作的煙霧傳感器，它具有靈敏度高， 響應快、體積小、結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、價格便宜等優(yōu)點，因而得到廣泛應用。半導體煙霧傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性 (抗干擾性 )和穩(wěn) 定性 (使用壽命 )。 經(jīng)過對比上述兩種煙霧傳 感器的應用特性，發(fā)現(xiàn)半導體煙霧傳感器的優(yōu)點更加突出：靈敏度高、響應快、抗干擾性好、使用方便、價格便宜，且不會發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護成本較低等。因此，本設計采用半導體煙霧傳感器作為報警器煙霧信息采集部分的核心。而在眾多半導體氣體傳感器中，本設計選用 MQ2 型煙霧傳感器，這種型號的傳感器不但具備一般半導體煙霧傳感器靈敏度 高、響應快、抗干擾能力強、壽命長等優(yōu)點 。 MQ2 型煙霧傳感器的工作原理 半導體煙霧傳感器包括用氧化物半導體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以及用單晶半導體器件制作的煙 霧傳感器。按敏感機理分類，可分為電阻型和非電阻型。半導體氣敏元件也有 N 型和 P 型之分。 N 型在檢測時阻值隨煙霧濃度的增大而減?。?P型阻值隨煙霧濃度的增大而增大。半導體氣敏傳感器的分類如表 所示。 2022 級電子信息科學與技術(shù)專業(yè) 畢業(yè)論文（設計） III 表 半導體氣敏傳感器的分類 所利用的特性工作溫度表面電阻控制器 300~450176。C 表 半導體氣敏傳感器的分類 類型 所利用的特性 工作溫度 代表性被檢測氣體 電阻型 電阻 表面電阻控制器 300～ 450176。 C 可燃性氣體 體電阻控制器 300～ 450176。 C 700176。 C 以上 乙醇、可燃性氣體 非電阻型 二極管整流特性 室溫～ 200176。 C H CO、乙醇 晶體管特性 150176。 C H H2S 本設計中采用的 MQ2 型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導體氣敏材料，屬于表面離子式 N 型半導體。當處于 200~300176。 C 溫度時，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少， 從而使其電阻值增加。當與煙霧接觸時，如果晶粒間界處的勢壘受 到該煙霧的調(diào)制而變化，就會引起表而電導率的變化。利用這一點就可以 獲得這種煙霧存在的信息。 遇到可燃煙霧（如