气敏传感器QM-N5在矿井中的应用

 

　　本文介绍了一种基于QM-N5气敏传感器检测矿井瓦斯浓度测量的方法。气敏传感器QM-N5是以金属氧化物SO2为主体材料的N型半导体气敏元件，它灵敏度高、响应速度快、输出信号大、稳定可靠;在(5± 0.5)V交直流电源下工作，使用方便，所需外围元器件少;可用于检测甲烷、酒精、氢气、硫化氢等多种气体。

　　1 设计方案

　　设计方案如图1所示。它包括传感器及外围电路、555定时器电路、显示报警电路等3部分。传感器及外围电路封装于小型屏蔽容器内，固定于矿井墙壁上。QM-N5气敏传感器采集矿井中气体的浓度，并输出相应的电压信号;经555定时器电路转变成数字信号，经温湿度补偿电路的判断与处理，如果是外界环境温湿度的变化引起阻值变化，继续扫描外界环境气体的浓度，并将气体浓度的值显示于LED。当超过安全范围时给出报警，提醒矿井中的工作人员迅速撤离，并即时通风换气。

　　2 传感器及外围电路的设计

　　方案拟采用以金属氧化物SO2为主体材料的N型半导体QM-N5作为气敏传感器。该器件以555定时器电路的复位端进行触发。

　　2.1 QM-N5的主要技术指标

　　工作电压AC或DC(5±0.5)V;回路电压最大DC24 V;负载电阻2 kΩ;清洁空气中电阻小于等于4 000 kΩ;灵敏度大于等于4(1 000 ppm C4H10);响应时间小于等于10 s;恢复时间小于等于30 s;检测范围为50～10 000ppm。

　　2.2 QM-N5的测试电路

　　QM-N5是检测C4H10浓度的测量系统。它有两个电极，一是工作电极Vh，二是回路电极Vc。R为电位器，调节QM-N5气体传感器AB之间电阻的大小。Vout为输出信号电压。基本测试电路如图2所示。

　　2.3 QM-N5使用注意事项

　　元件开始通电工作时，没有接触可燃性气体，其电导率急剧增加1 min后达到稳定，这时方可正常使用;加热电压的改变会直接影响元件的性能，所以在规定的电压范围内使用为佳;使用温度-15～+35℃;相对湿度45%～75%RH;大气压力80～106 kPa;为避免腐蚀性气体及油污染，长期使用，需防止堵塞防爆不锈钢网。

　　2.4 555定时器电路

　　555定时器电路是一块介于模拟与数字电路的一种混合电路。图3为555的内部电路，可以看出，有2个比较器，1个触发器，1个倒相器，1个晶体管和若干电阻构成。两个比较器组成模拟电路，触发器为数字电路。

　　555为8脚封装的器件。其中，1脚(GND)为接地脚;2脚(TL)为低电平触发端;3脚(Q)为电路的输出端;4脚(

)为复位端，低电平有效;5脚(V-C)为电压控制端;6脚(TH)为阈值输入端;7脚(DIS)为放电端;8脚(VCC)为电源电压端，其电压范围3～18V。

 

　　3 电路原理分析

　　图4是矿井瓦斯超限报警电路原理。7805为三端集成稳压器。气敏传感器QM-N5和电位器RP组成瓦斯气体检测电路;555定时器电路为转换、触发电路;555定时器和扬声器组成报警电路。当矿井中无瓦斯或瓦斯浓度很低时，气敏传感器QM-N5的A-B极间导电率很小，电位器RP滑动触点的电压过小。555定时器电路的4脚有效，经反相放大后，555定时器电路的3脚输出低电平，扬声器不发声，反之，报警。

　　当环境温湿度变化时，可能会产生误报或漏报，所以在原电路的基础上加上温湿度补偿电路。555定时器3脚的信号接在图5运算放大器A的反相输入端，热敏电阻接在运算放大器A的同相输入端。由于选用气敏传感器QM-N5的温度系数与热敏电阻RT的温度系数相同或接近，因此当环境温湿度升高，气敏电阻RT的阻值下降，从而实现了温湿度补偿。

　　4 结语

　　通过分析瓦斯在矿井的危害，提出了利用气敏传感器QM-N5和555定时器来澍量矿井瓦斯浓度的一套方案。主要介绍了QM-N5传感器、555定时器的组成。采用温湿度补偿电路的方法滤除一些随机干扰。该方案电路简洁，设计可靠性较高，对于矿井检测瓦斯的浓度有较好的借鉴。