魯開林，吳孔平，李 琳，蔡 俊，李良光，周孟然

安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南,232001

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不同類型甲烷氣敏傳感器起始工作響應(yīng)時(shí)間的研究

魯開林，吳孔平，李 琳，蔡 俊，李良光，周孟然

安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南,232001

對(duì)不同類型甲烷氣敏傳感器起始工作輸出對(duì)應(yīng)濃度的電壓值的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了研究。基于STM32開發(fā)板搭建甲烷氣敏傳感器系統(tǒng)進(jìn)行A/D采樣，數(shù)據(jù)被采集后輸入計(jì)算機(jī)。對(duì)響應(yīng)電壓隨時(shí)間變化的研究表明，甲烷氣敏傳感器通電工作到輸出對(duì)應(yīng)濃度的電壓值需要一段時(shí)間。甲烷氣敏傳感器起始工作到響應(yīng)輸出穩(wěn)定電壓延遲時(shí)間的研究對(duì)改善傳感器制備方案、提升傳感器的靈敏度、優(yōu)化甲烷傳感器檢測系統(tǒng)都具有重要意義。

氣敏傳感器；甲烷；響應(yīng)時(shí)間；A/D采樣

甲烷是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用的易燃?xì)怏w。甲烷(CH4)在空氣中的體積比達(dá)到5%～15%遇火就會(huì)發(fā)生爆炸，即瓦斯爆炸。瓦斯爆炸是礦井安全生產(chǎn)中最嚴(yán)重的災(zāi)害之一，因此高靈敏度的甲烷氣敏傳感器的研制是極其緊迫的任務(wù)[1]。催化燃燒式傳感器和半導(dǎo)體氣體傳感器是目前測量甲烷濃度常用的兩種氣敏傳感器。隨著對(duì)傳感器動(dòng)態(tài)特性要求的提高,必須考慮甲烷氣敏傳感器的起始工作的響應(yīng)時(shí)間。本文采用MJC4/3.0L型催化燃燒式傳感器和MQ-5型半導(dǎo)體氣體傳感器為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象。傳統(tǒng)方法采用價(jià)格比較昂貴的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D采樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[2]，本文采用基于STM32開發(fā)板構(gòu)建甲烷氣敏傳感器宏觀檢測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速采集、效率高、可靠性強(qiáng),重點(diǎn)對(duì)不同類型氣敏傳感器起始工作輸出電壓對(duì)應(yīng)一定濃度甲烷的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了研究。

1 傳感器和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 氣敏傳感器

催化燃燒式傳感器的敏感元件以鉑(Pt)絲線圈螺旋圈為骨架，外面包覆粘合劑為載體，燒結(jié)成球狀；外表面摻雜有鉑、鈀等貴金屬原子作為催化層(圖1)[3]。鉑絲通電后對(duì)催化元件加熱并保持較高溫度(400℃)，當(dāng)空氣中有一定濃度的甲烷氣體時(shí)，在元件表面發(fā)生無焰燃燒，燃燒使鉑絲線圈(黑元件)的電阻值增大，而補(bǔ)償元件(白元件)不發(fā)生反應(yīng)，溫度不變[4]。采用惠斯通電橋測量電路，黑元件與白元件相比只是缺少催化層，此時(shí)在充足的氧氣條件下與甲烷氣體接觸時(shí)，敏感元件由于甲烷燃燒產(chǎn)生的熱量使其電阻值上升，導(dǎo)致電橋失去平衡，有電壓輸出，電壓變化量與氣體濃度的變化量成正比例關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)檢測功能。

圖1 MJC4/3.0L傳感器的敏感元件結(jié)構(gòu)示意圖

半導(dǎo)體氣體傳感器主要是以電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)半導(dǎo)體為材料，使氣體吸附于該氧化物表面，由于吸附分子與半導(dǎo)體間存在能量差，氣體分子在半導(dǎo)體表面被吸附之后，在半導(dǎo)體表面和吸附分子之間將出現(xiàn)電荷重排的現(xiàn)象。如果是還原性的甲烷氣體被吸附，此時(shí)電子從甲烷向半導(dǎo)體表面轉(zhuǎn)移，使半導(dǎo)體表面電子密度增加，從而使半導(dǎo)體的電阻率下降[5]，利用由此產(chǎn)生的電導(dǎo)率變化來測量氣體的濃度。

1.2 氣敏傳感器的采集電路

催化燃燒式傳感器選擇鄭州煒盛電子生產(chǎn)的MJC4/3.0L型催化燃燒式傳感器，工作電壓為3.0 V，工作電流為120 mA，具有低功耗、響應(yīng)速度快，抗H2S中毒等特點(diǎn)。MJC4/3.0L型傳感器采集工作電路如圖2(a)所示。該傳感器有4個(gè)引腳，其中引腳2和引腳3短接作為輸出端口a，引腳1和引腳4分別接+3V電壓源的正極、負(fù)極。電位器的中間引腳作為輸出端口b。Rc為補(bǔ)償元件，Rd為敏感元件，將Rc和Rd置于同一個(gè)測量氣室中，測量電橋由穩(wěn)壓電源供電[6]。在無甲烷的空氣中，Rd≈Rc，調(diào)節(jié)電橋使之平衡，信號(hào)輸出端Uab=0。輸出端口a和輸出端口b分別接在STM32開發(fā)板上的PA1端口與GND端口。

圖2 氣體傳感器采集工作電路圖

半導(dǎo)體氣體傳感器選擇鄭州煒盛電子的MQ-5型半導(dǎo)體氣體傳感器，它的工作電壓和加熱電壓是+5V。在圖2(b)MQ-5型氣體傳感器采集電路中，MQ-5型有6個(gè)引腳，把引腳1和引腳3短接后接+5V工作電壓VC，引腳4和引腳6短接后作為傳感器的信號(hào)輸出端，引腳2和引腳5為傳感器的加熱絲的兩端[7]，外接+5V加熱電壓VH。其中VH是施加在集成的加熱器上電壓來維持敏感素子與對(duì)應(yīng)氣體相適應(yīng)的特定溫度，VC則是用于測定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻R4上的兩端電壓UR4。工作電壓VC和加熱電壓VH由STM32開發(fā)板的+5V電源提供。負(fù)載電阻R4兩端與STM32開發(fā)板上的PA2端口和GND端口相連。

1.3 測量方法

圖3 氣敏傳感器對(duì)甲烷的響應(yīng)測試系統(tǒng)

測定不同類型氣敏傳感器起始工作的時(shí)間響應(yīng)特性的測試系統(tǒng)如圖3所示。把MJC4/3.0L型催化燃燒式傳感器和MQ-5型半導(dǎo)體氣體傳感器放在密閉的實(shí)驗(yàn)箱中，實(shí)驗(yàn)箱外形尺寸為(330×310×230) mm，體積約為20 L。實(shí)驗(yàn)箱中分別配置三組不同濃度的甲烷氣體。MJC4/3.0L型和MQ-5型氣體傳感器各選用3只。本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集是通過STM32開發(fā)板來完成的。STM32開發(fā)板選擇STM32F103RBT6作為微控制單元(MCU)，STM32的模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)是12位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，有18個(gè)通道，可測量16個(gè)外部和2個(gè)內(nèi)部信號(hào)源[8]。采集到數(shù)據(jù)通過串行輸入到計(jì)算機(jī)，由SecureCRT 7.0軟件來接收并通過SmartPrinter軟件打印成數(shù)據(jù)文檔。采集數(shù)據(jù)打印記錄的時(shí)間間隔為0.013 s。利用采集的數(shù)據(jù)繪制出MJC4/3.0L型催化燃燒式傳感器和MQ-5型半導(dǎo)體氣體傳感器的測試結(jié)果的電壓隨時(shí)間變化曲線。坐標(biāo)橫軸為時(shí)間軸，零點(diǎn)取為傳感器通電開始工作的時(shí)刻;縱軸為電壓值，以A/D采樣數(shù)據(jù)計(jì)算出對(duì)應(yīng)電壓值表示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 傳感器在空氣中初期穩(wěn)定時(shí)間及電壓

MJC4/3.0L型催化燃燒式傳感器在空氣中的信號(hào)輸出端電壓Uab=0 V，隨著時(shí)間的增加，Uab的值不變。MQ-5型半導(dǎo)體氣體傳感器在空氣中通電工作之后，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 MQ-5傳感器在空氣中初期工作的負(fù)載電阻R4電壓變化曲線

從圖4可知，三只MQ-5型氣體傳感器通電工作之后，負(fù)載電阻R4上的兩端電壓UR4逐漸減小，在28 s左右到達(dá)一個(gè)穩(wěn)定值。對(duì)于以二氧化錫(SnO2)半導(dǎo)體為材料的氣體傳感器，屬于N型半導(dǎo)體，在加熱器通電之后溫度升高，它吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使敏感元件電阻值增加，其電阻UAB的變化如圖5所示。因此使用該傳感器要先在空氣中預(yù)熱30 s左右，使敏感元件的電阻值趨于穩(wěn)定。

圖5 MQ-5傳感器中敏感元件電阻RAB的變化曲線

2.2 同一類型傳感器在不同濃度甲烷的工作響應(yīng)時(shí)間

MJC4/3.0L型和MQ-5型氣體傳感器在6 000、8 000和10 000 ppm三種濃度的甲烷氣體中進(jìn)行起始工作響應(yīng)時(shí)間的測試，其測試的數(shù)據(jù)如圖6所示。

從圖6(a)可知，MJC4/3.0L型催化燃燒式傳感器在6 000～10 000 ppm濃度甲烷氣體中通電工作后穩(wěn)定輸出對(duì)應(yīng)濃度甲烷氣體的電壓值所需的時(shí)間在4.9～ 5.2 s之間。隨甲烷濃度增大，信號(hào)輸出端Uab的電壓也增大，并且電壓出現(xiàn)峰值的時(shí)間也隨之提前0.1～0.2 s。圖6(b)中，MQ-5型半導(dǎo)體氣體傳感器通電工作到穩(wěn)定輸出對(duì)應(yīng)濃度甲烷氣體的電壓值所需的時(shí)間約為4.2 s，甲烷濃度增大時(shí)，負(fù)載電阻R4的電壓隨之增大。在6 000～10 000 ppm濃度甲烷氣體中，這兩種類型氣敏傳感器在通電工作到穩(wěn)定輸出電壓的響應(yīng)時(shí)間，MQ-5型半導(dǎo)體氣體傳感器比MJC4/ 3.0L型催化燃燒式傳感器快1 s左右。

圖6 (a) MJC4/ 3.0L傳感器和(b)MQ-5傳感器的測試結(jié)果電壓隨時(shí)間變化曲線

2.3 同一類型傳感器在相同濃度甲烷的工作響應(yīng)時(shí)間

同一濃度下，三只MJC4/3.0L型催化燃燒式傳感器和MQ-5型半導(dǎo)體氣體傳感器進(jìn)行通電開始工作，測試結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7顯示標(biāo)記為傳感器1、傳感器2、傳感器3的三只MJC4 /3.0型催化燃燒式傳感器在10 000 、8 000和6 000 ppm濃度的甲烷氣體中，其信號(hào)輸出端Uab的峰值相差10 mV左右，輸出的穩(wěn)定電壓值相差1.5 mV。結(jié)果表明，三只MJC4/3.0型傳感器在相同濃度的甲烷氣體下通電工作到電壓穩(wěn)定的時(shí)間基本相同。

圖7 不同濃度甲烷氣體中三只MJC4/ 3.0L傳感器的測試結(jié)果電壓隨時(shí)間變化曲線

圖8 不同濃度甲烷氣體中三只MQ-5傳感器的測試結(jié)果電壓隨時(shí)間變化曲線

三只標(biāo)記為傳感器1、傳感器2、傳感器3的MQ-5型半導(dǎo)體氣體傳感器通電工作到輸出在10 000 ppm、8 000 ppm和6 000 ppm的甲烷氣體中的電壓響應(yīng)時(shí)間如圖8所示，負(fù)載電阻R4的電壓出現(xiàn)的峰值相差20 mV，穩(wěn)定輸出的電壓值相差15 mV。在同種濃度的甲烷氣體環(huán)境下，三只MQ-5型半導(dǎo)體氣體傳感器通電工作到電壓穩(wěn)定的時(shí)間基本一致。

2.4 不同類型傳感器在相同檢測環(huán)境下電阻值的變化

在圖2(b)中，MQ-5型半導(dǎo)體氣體傳感器的敏感元件的電壓UAB=Vc-UR4。已知UR4和R4的值，求得R4的電流I=UR4/R4。那么RAB=UAB/I。敏感元件RAB隨時(shí)間的變化如圖9(b)所示。敏感元件RAB初始值為28.26KΩ，后來逐漸減小，最后穩(wěn)定在3.62KΩ。

圖9 (a)MJC4/ 3.0L傳感器和(b)MQ-5傳感器的電阻隨時(shí)間變化曲線

MJC4/3.0L型催化燃燒式傳感器和MQ-5型半導(dǎo)體氣體傳感器電阻的對(duì)比如圖10所示。圖中，氣敏傳感器由于密閉的實(shí)驗(yàn)箱中含有一定濃度的甲烷氣體，MJC4/3.0L型催化燃燒式傳感器的敏感元件Rd阻值是增大的，而MQ-5型半導(dǎo)體氣體傳感器中敏感元件RAB的阻值是減小的。MQ-5型半導(dǎo)體氣體傳感器中敏感元件RAB的變化值ΔRAB比MJC4/3.0L型催化燃燒式傳感器的敏感元件Rd的變化值ΔRd大很多,ΔRAB/ΔRd=94 800。

圖10MJC4/3．0L傳感器與MQ?5傳感器電阻變化曲線

3 結(jié)束語

隨著煤礦安全生產(chǎn)對(duì)檢測甲烷濃度精度要求的提高，需要考慮甲烷氣敏傳感器的延遲效應(yīng)。理論上講，氣敏傳感器起始工作時(shí)響應(yīng)輸出對(duì)應(yīng)一定濃度的穩(wěn)定電壓值的延遲時(shí)間是必然的，這與氣敏傳感器工作的物理機(jī)制有關(guān)。在實(shí)驗(yàn)中，基于STM32開發(fā)板的A/D采樣電壓信號(hào)，采集到數(shù)據(jù)先通過串行傳輸給計(jì)算機(jī)，成功實(shí)現(xiàn)SecureCRT 7.0軟件來接收并通過SmartPrinter軟件打印成數(shù)據(jù)文檔。通過對(duì)這兩種類型氣敏傳感器起始工作輸出對(duì)應(yīng)濃度的電壓值的響應(yīng)時(shí)間測定發(fā)現(xiàn)，兩種類型氣敏傳感器都存在明顯的延遲效應(yīng)，MQ-5型半導(dǎo)體氣體傳感器比MJC4/3.0L型催化燃燒式傳感器約快1 s。另外，在輸出的電壓值方面，MQ-5型半導(dǎo)體氣體傳感器約是MJC4/3.0L型催化燃燒式傳感器35倍，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

Response Time for Different Types of Methane Gas Sensor in Start Point for Working

LU Kai-lin,WU Kong-ping,LI Lin,CAI Jun,LI Liang-guang,ZHOU Meng-ran

School of Electrical and Information Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan,Anhui 232001,China

The response time of starting point output voltage values for different types of methane gas sensor corresponding to the certain CH4 concentration was studied.Based on STM32 development board methane gas sensor system built for A/D sampling, data were collected and then input into the computer via a serial transfer.The results of the research on the relation of response voltage values versus time show that methane gas sensor outputting the stable voltage value will relay some time. The researches on the delay in response time for the start point for working of methane gas sensors with outputting stable voltage are of great significance in improving the preparation of sensors, enhancing the sensitivity of the sensor and optimizing gas detection system sensors.

gas sensor;methane;response time;A/D sampling

10.3969/j.issn.1673-2006.2015.03.028

2014-12-10

安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“ZnO基甲烷氣敏傳感器宏觀體系的構(gòu)筑和性能研究”(1208085QF116)。

魯開林(1987-)，安徽安慶人，在讀碩士研究生，主要研究方向：信息檢測與處理技術(shù)。

THD712

A

1673-2006(2015)03-0104-05