【文章內(nèi)容簡介】 氣體，或者這兩種類型的組合。支持歐洲共同體稱為MINIGAS協(xié)調(diào)的項目，該項目由芬蘭VTT技術(shù)研究中心的研究。該研究項目旨在開發(fā)新型基于光子氣體傳感器，并支持創(chuàng)建較小的儀器具有同等或更高的速度和靈敏度比傳統(tǒng)的實驗室級氣體探測器。 氣體傳感器可以分為氣體檢測器，氣體檢測器是兩種主要類型：便攜設(shè)備和固定式氣體檢測器的操作機(jī)構(gòu)（半導(dǎo)體，氧化，催化，紅外等）。第一個是用來監(jiān)視人員周圍的氣氛，并在衣物上，或在皮帶/線束被穿戴。氣體探測器的第二個不同的是固定型的，它可用于檢測一個或多個氣體類型。固定式探測器通常安裝在靠近過程領(lǐng)域的工廠或控制室。一般來說，它們都安裝上固定式鋼結(jié)構(gòu)溫和的和電纜連接到SCADA系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)督和跳閘連鎖緊急情況下可以激活的探測器。較新的氣體分析儀可以向上突破的分量信號，在復(fù)雜的氣體中，同時確定了幾個氣體。燃?xì)鈭缶骺煞譃槊裼每扇細(xì)怏w報警器、復(fù)合型可燃性氣體報警器、有毒有害氣體報警器三大系列產(chǎn)品[6]。(1)居民家庭用的燃?xì)鈭缶饕话銥槊裼每扇細(xì)怏w報警器,一般安裝在廚房煤氣管道上，遇燃?xì)庑孤┑揭欢繒r，報警器有數(shù)字顯示或同時伴聲光報警，同時聯(lián)動其它外部設(shè)備,有的報警器在報警時可自動關(guān)閉燃?xì)忾y門，以防燃?xì)饫^續(xù)泄漏；有的報警器則可自動開啟風(fēng)扇，把燃?xì)廒s出室外[6]。 (2)復(fù)合型可燃性氣體報警器及有毒有害氣體報警器工業(yè)用可燃性氣體報警器及有毒有害氣體報警器的區(qū)別只是存在于檢測探頭，而在原理和應(yīng)用中都很相近，根據(jù)檢測環(huán)境的不同可將工業(yè)用燃?xì)鈭缶骷坝卸練怏w報警器，分為探測器、控制器和檢漏儀[7]。 任何一個完整的氣體傳感器都必須具備以下條件：穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是在整個工作時間的傳感器的響應(yīng)取決于零點漂移間隔漂移的基本穩(wěn)定，并且能選擇性地檢測某種單一氣體，而對共存的其它氣體不響應(yīng)或低響應(yīng)。好在沒有目標(biāo)氣體傳感器的輸出變化的響應(yīng)在整個工作時間則成為零點漂移。在理想的情況下，在連續(xù)運行條件下的傳感器，每個零點漂移小于10％。對檢測信號響應(yīng)速度快，重復(fù)性高的情況下也要使其零點漂移穩(wěn)定，且長期工作穩(wěn)定性好。選擇性 選擇性亦稱為交叉靈敏度，在對于多種氣體檢測的過程中是十分重要的?？纱_定由所述傳感器測量的響應(yīng)，這等同于一定濃度的目標(biāo)氣體所產(chǎn)生的傳感器的響應(yīng)產(chǎn)生的干擾氣體的濃度。交叉靈敏度降低了測量的可重復(fù)性和可靠性，較高的靈敏度，和一定的穩(wěn)定性，對于商用氣體傳感器是必不可少的條件。 生物學(xué)，化學(xué)是傳感器的主要設(shè)計參考依據(jù)，而其靈敏度主要由所使用的技術(shù)所決定的。傳感器結(jié)構(gòu)是指傳感器的輸出變化量與所測得的輸入的變化的比率。對被測氣體具有較高的靈敏度，能有效地檢測允許范圍內(nèi)的氣體濃度。首先要考慮的是選擇一個確定的方法，檢測目標(biāo)氣體的爆炸下限的百分比或閥限制有足夠的靈敏度。耐腐蝕性 耐腐蝕性對于傳感器的使用壽命有著重要意義，眾所周知，許多待檢測的氣體有很強(qiáng)的腐蝕性，若耐腐蝕的能力不強(qiáng)這會造成探針老化，當(dāng)氣體濃度非常大的時候，嚴(yán)重影響傳感器的使用壽命。探頭應(yīng)能夠承受所需的氣體體積分?jǐn)?shù)為10~20倍，在自然工作時，氣體傳感器的零點漂移是要越小越好。 氣體傳感器的靈敏度，選擇性和穩(wěn)定性，是根據(jù)本身的材料所確定的，以確定選擇合適的材料。同時新材料發(fā)展的特性，使傳感器處于最佳工作狀態(tài)。再者就是要求使用壽命長；制造成本低，使用與維護(hù)方便。 氣體報警器的實現(xiàn)，與不同傳感器之間的選擇是很重要的，是該系統(tǒng)的重要組成部分，它的性能反映瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的精度和范圍。易燃?xì)怏w的危險，爆炸下限的值越小，爆炸極限，爆炸下限和上限之間的范圍內(nèi)，更危險。有許多可燃?xì)怏w也具有一定的毒性。其中CO的氣體毒性是對人體有非常大的傷害的，見下表1。表1 CO對人體的有害程度空氣中一氧化碳的濃度吸入時間和中毒癥狀200ppm23小時前頭部輕度頭痛400ppm800ppm45 分鐘頭暈眼花2小時精神失1600ppm20分鐘頭暈、頭痛眼花2小時死亡3200ppm510分鐘頭暈、頭痛、眼花30分鐘死亡6400ppm12分鐘頭暈、頭痛、眼花1015分鐘死亡12800ppm13分鐘死亡由于本次設(shè)計主要是針對家庭用戶，所以選用了MQ9比較適，并且特別對于一氧化碳會中毒也有顯著作用[10][11][12]。這種傳感器生產(chǎn)成本及維護(hù)成本低，穩(wěn)定性強(qiáng)，敏捷性高，同時十分小巧方便，十分利于用作氣體傳感器。 MQ9傳感器對一氧化碳的靈敏度高，常用于檢查CO氣體的濃度，而對于其它的機(jī)溶劑或其他揮發(fā)性氣體的靈敏度低，是因為裝有活性炭過濾器，消除了雜質(zhì)氣體的影響，所以我們拿他來用于漏氣的檢測。在這里我們主要他對一氧化碳的檢測功能[13]。其靈敏特性如圖所示： 圖4 傳感器的靈敏特性有標(biāo)準(zhǔn)試驗下得到數(shù)據(jù)結(jié)果：Ro＝1000ppm一氧化碳中的20℃/65%RH環(huán)境條件下傳感器的電阻值，Rs=1000ppm一氧化碳、不同溫/濕度下傳感器的電阻值，縱坐標(biāo)以傳感器電阻比（Rs/Ro）表示?；緶y試回路： 此傳感器需要施加2個電壓，回路電壓和加熱器電壓，回路電壓則是用于測定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻（RL）上的兩端電壓（VRL）。加熱器電壓用于維持敏感素子處于與對象氣體相適應(yīng)的特定溫度而施加在集成的加熱器上。由于這種傳感器具有陰陽極，所以VC需用直流電源。為了將判定值水平最佳化，并使敏感素子的功耗（PS）低于15mW的限度值，為更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當(dāng)?shù)腞L值。只要能滿足傳感器的電性要求，回路電壓和加熱器電壓可以共用同一個電源電路。 MQ9的管腳連接如圖。 圖5傳感器的連接圖MQ9傳感器的工作原理是它的表面電阻Rs，是通過與其串聯(lián)的負(fù)載電阻RL上的有效電壓值VRL輸出而獲得的。二者之間的關(guān)系為：（Vrl*Rs/RL）+Vrl=Vc下圖是利用上圖回路測得由潔凈空氣轉(zhuǎn)換到至一氧化碳?xì)怏w中時，傳感器的變化RL上的信號輸出變化情況。圖6傳感器輸出信號的變化對于穩(wěn)定性，MQ9型氣敏元件的敏感層是用非常穩(wěn)定的二氧化錫制成的。其在正常使用的情況下可以使用達(dá)到至少6年，或者更久。因此，它具有優(yōu)秀的長期穩(wěn)定性。靈敏度調(diào)整：MQ9型氣敏器件對一氧化碳和其它類型的不同濃度的氣體，電阻也隨之變化。因此，考慮過報警點時的溫濕度的影響再使用MQ9時一定要用一氧化碳校正傳感器，應(yīng)考慮對于傳感器的靈敏度的矯正。靈敏度的矯正過程：1. 將傳感器通上電并寫持續(xù)通電50小時以上；2. 調(diào)節(jié)電阻使得一氧化碳的濃度每到一分半鐘就獲得一個濃度值；3. 改變另外的電阻直到一分鐘末得到一個CO濃度時所需要的信號值。MQ9一氧化碳?xì)怏w傳感器具體特性測量范圍為01000PPM，工作溫度20～70176。，測量精度為3%，零點漂移為PPM10，分辨率為1PPM。半導(dǎo)體材料不同于其他材料，其所制作的氣體傳感器，不用懷疑其一定會出現(xiàn)零點漂移的。來制作后一定會遇到的問題報警器設(shè)計的重中之重是妥善處理好氣體傳感器溫度補償問題（圖圖8）為了達(dá)到使氣體傳感器穩(wěn)定工作的目的，主要方法是使氣體傳感器的表面溫度維持相對不變，因此常常采用的方法在使用環(huán)境當(dāng)中提高氣體傳感器的熱機(jī)功率。 圖7 傳感器輸出特性曲線圖 圖8傳感器加溫度補償所需的加熱電壓曲線溫度補償電路由于傳感器電阻Rs本身容易受到溫度的影響，若直接使用會產(chǎn)生誤差，經(jīng)過放大器的放大之后，原本很小的誤差就會被擴(kuò)大，從而影響最終的結(jié)果。所以，在這里，本設(shè)計使用了一個對稱的電橋溫度補償電路，RT為熱敏電阻，隨室內(nèi)溫度而改變。如圖9所示，運用電橋補償法進(jìn)行溫度補償。其中，RS為傳感器電阻，RL為負(fù)載電阻，R1為滑動變阻器，并選取OP07（在下面再做介紹）放大器組成差分放大電路。 圖9 溫度補償電路 電路工作原理：常用電橋式溫度補償電路來減小對由于溫度升高所帶來的的影響。負(fù)載電阻RL不隨溫度升高而變化，而傳感器電阻Rs與溫度變化成正比，傳感器的輸出電壓由Vi1/RL=[Vcc/（RL+Rs）]可知，傳感器輸出電壓是減小的，即傳感器發(fā)生零點漂移。因此本設(shè)計采用了電橋式溫度補償電路是為了消除該漂移的影響。熱敏電阻RT電阻值與溫度的變化成正比。根據(jù)電橋式溫度補償電路的原理，只需調(diào)整滑動變阻器R1的阻值，無所謂RS、RT如何變化，即可保持四個阻值之間的定比關(guān)系?；瑒幼冏杵鱎1上的電壓為Vi2，則有： Vi2/R1=Vcc*(RT+R1)。而輸出電壓Vi=0，即保證了傳感器在零點沒有輸出值，消除了零點漂移的問題。此后，傳感器電阻RS只隨一氧化碳?xì)怏w濃度的增量有關(guān)，保持滑動變阻器阻值不變，導(dǎo)致輸出電壓Vi1變動，電壓差Vi=Vi1Vi2作為輸入信號，經(jīng)放大電路放大：Vout/10=1/10Vi=Vi2Vi1，A/D轉(zhuǎn)換的輸入信號即為最后所得到的的電壓信號Vout。電壓增益Av=Vout/（Vi2Vi1），本設(shè)計中，放大10倍。 由傳感器接收到了空氣模擬信號而不能直接傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，因此要先用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。經(jīng)過由模擬信號到數(shù)字信號的四個階段。本設(shè)計采用ADC0809的模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)，是8位的逐次逼近型型A / D轉(zhuǎn)換器，ADC0809由8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器、8路模擬開關(guān)、三態(tài)輸出鎖存器、比較器以及逐次逼近寄存器、地址鎖存與譯碼器、邏輯控制和定時電路等其它一些電路組成。它采用COMS技術(shù)的20pin雙列直插式封裝鎖三態(tài)注冊直接驅(qū)動數(shù)據(jù)總線連接到電腦上，無需額外的接口電路。因此，ADC0809具有三態(tài)輸出能力，并且可用于處理對8路模擬量的輸入，其輸入輸出與TTL兼容，常用于單獨工作同時可以與各種微處理器相連接[8][9]。 ADC0809的主要特性：8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位；轉(zhuǎn)換時間為100μs(時鐘為640kHz時)，130μs（時鐘為500kHz時）；具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫耍粏蝹€+5V電源供電；模擬輸入電壓范圍0～+5V，不需零點和滿刻度校準(zhǔn)；工作溫度范圍為40～+85攝氏度；最大轉(zhuǎn)換誤差為1LSB；低功耗，約15mW。 圖10 ADC0809實物圖 圖11 A/D轉(zhuǎn)換模塊引腳圖 圖12 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 IN0，IN1，IN2為電路程序前檢測結(jié)果后的輸入口，轉(zhuǎn)換順序由ADDA、ADDB、ADDC控制，最后用AT89C51單片機(jī)P0口來完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。ADC0809芯片采用雙列直插式封裝總共有28個引腳，如圖所示。下面描述各引腳的功能。IN0～I(xiàn)N7：8個通道的模擬輸入線，支持傳輸8路模擬信號，可以選通8路模擬開關(guān)。21～28：8位數(shù)字量輸出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通IN0IN7間的一路模擬量輸入。ALE：ALE為地址鎖存信號，在高電平時有效。當(dāng)ALE線為高電平的時候，此時鎖存信號并且由可以由3位地址輸入ADDA、ADDB、ADDC的不同組合來選擇地址信號來進(jìn)行鎖存。經(jīng)譯碼后，被選中的通道的模擬量進(jìn)入轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換）。EOC：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。REF（+）、REF（）：基準(zhǔn)電壓。Vcc：電源，單一+5V。GND：地ADC0809的工作過程：正常工作時，首先要先將地址鎖存器中的地址確定下來，即通過輸入三位地址并且使ALE置1。比較器的數(shù)據(jù)來自將地址譯碼選通模擬的輸入。START上升沿啟動逐次逼近寄存器并使其復(fù)位。模數(shù)轉(zhuǎn)換則由下降沿啟動，輸出信號進(jìn)行變化，轉(zhuǎn)換由此體現(xiàn)出來。直到模數(shù)轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)?，將結(jié)果數(shù)據(jù)存入鎖存器，即模數(shù)轉(zhuǎn)換已結(jié)束，這個信號可用作中斷申請。輸出三態(tài)門打開與否與OE輸入高電平還是低電平有關(guān)同時將轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳輸模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時傳送給單片機(jī)中，并且對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換是否完成是數(shù)據(jù)傳送成功與否的關(guān)鍵問題傳送只能在確認(rèn)完成后才能進(jìn)行。因此常常采用下述三種傳送方式。（1）定點傳送方式對于一種模數(shù)轉(zhuǎn)換其來說轉(zhuǎn)換時間是已知的和固定的一項硬性技術(shù)指標(biāo)。例如6MHz的MCS51單片機(jī)的機(jī)器周期為2μs，6MHz的MCS51單片機(jī)64個機(jī)器周期總共時間為128μs，同時也就是ADC0809轉(zhuǎn)換時間。128μs時間一到，模數(shù)轉(zhuǎn)換啟動后到可據(jù)此設(shè)計一個延時子程序即調(diào)用此子程序，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。（2）查詢方式像ADC0809的EOC端狀態(tài)信號A/D轉(zhuǎn)換芯片。則可以用查詢方式測試EOC的狀態(tài)，即可確認(rèn)轉(zhuǎn)換是否完成，若完成則可以并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。（3）中斷方式把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號作為中斷請求信號同時以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。一旦確定轉(zhuǎn)換完成，則數(shù)據(jù)傳送可通過指令進(jìn)行。首先送出口地址并以信號（OE信號）有效時，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線供