李雯

摘要：工業(yè)、科研、農(nóng)業(yè)等許多領(lǐng)域都需要測量環(huán)境中某些氣體的成分濃度。使用氣敏電阻傳感器，可以把某種氣體的成分、濃度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再轉(zhuǎn)換為電流、電壓信號。本文以氣敏電阻傳感器MQ-3為敏感元件，設(shè)計制作一種結(jié)構(gòu)簡單的酒精測試器，使學(xué)生更直觀的理解MQN型氣敏電阻傳感器的工作特點，具有一定的工程參考價值。

關(guān)鍵詞：氣敏電阻傳感器；MQ-3；酒精測試器

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）20-0181-01

隨著我國科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，對檢測技術(shù)的水平和要求也越來越高，在信息社會的一切活動領(lǐng)域中，從日常生活、生產(chǎn)活動到科學(xué)實驗，時時處處都離不開檢測。現(xiàn)代化的檢測手段在很大程度上決定了生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平，而科學(xué)技術(shù)的發(fā)展又為檢測技術(shù)提供了新的理論基礎(chǔ)和制造工藝，同時對檢測技術(shù)提出了更高的要求。筆者以MO-3氣敏電阻為敏感元件，應(yīng)用發(fā)光二極管驅(qū)動器LM3914驅(qū)動10級發(fā)光二極管，設(shè)計制作一種結(jié)構(gòu)簡單的酒精測試器，使學(xué)生更直觀的理解MQN型氣敏電阻傳感器的工作特點，具有一定的工程參考價值。

1 酒精測試技術(shù)的原理

1.1 MQ-3氣敏電阻傳感器

MQ系列氣體傳感器的敏感材料是活性很高的金屬氧化物粉料添加少量的鉑催化劑、激活劑及其他添加劑，按一定比例燒結(jié)而成的半導(dǎo)體器件。最常見的如SnO2金屬氧化物半導(dǎo)體在空中被加熱到一定溫度時，氧原子被吸附在帶負(fù)電荷的半導(dǎo)體表面。半導(dǎo)體表面的電子會轉(zhuǎn)移到吸附氧上，氧原子就變成了氧負(fù)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。

在工作條件下當(dāng)傳感器遇到還原性氣體，氧負(fù)離子與還原性氣體發(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，導(dǎo)致傳感器的阻值減小。

1.2 LM3914

LM3914是10位發(fā)光二極管驅(qū)動器，它可以把輸入模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出驅(qū)動10位發(fā)光二極管來進(jìn)行點顯示或柱顯示。7腳和8腳之間接參考電壓源，5腳為信號輸入端，9腳為點/柱模式選擇。

LM3914內(nèi)部由輸入緩沖器、10級電壓比較器、顯示模式選擇等組成。其中10級電壓比較器是由4腳和6腳之間連接的10個精密的分壓電阻和比較器組成。當(dāng)LM3914的7腳和8腳之間維持一個1.25V的基準(zhǔn)電壓時，每級分壓器上的基準(zhǔn)電壓為0.125V，逐級比較電壓分別為0.125V、0.25V、0.375V、0.5V至1.25V。當(dāng)模擬信號從5腳加入，經(jīng)輸入緩沖器放大后，送至10級電壓比較器的反相輸入端，與各電壓比較器正相輸入端上的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。若5腳輸入電壓低于0.125V時，10級比較器均輸出高電平，10級發(fā)光二級管均不亮；若5腳輸入電壓高于0.125V時，1腳為低電平，點亮一個發(fā)光二極管；若5腳輸入電壓高于0.25V時，1腳和18腳均輸出低電平，點亮兩個發(fā)光二極管。以此類推，當(dāng)輸入信號電壓高于1.25V時，1腳、10腳～18腳均輸出低電平，即可點亮十個發(fā)光二極管。芯片內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1 電路原理圖

2 酒精測試器的電路設(shè)計及測試原理

電路采用直流電源供電，經(jīng)三端穩(wěn)壓器W7805輸出穩(wěn)定的5V電壓作為氣敏傳感器MQ-3和發(fā)光二極管LM3914的共同電源，同時也作為10個共陽極接法的發(fā)光二極管的電源。電路如圖2所示：

圖2 發(fā)光二極管驅(qū)動器LM3914

氣敏電阻傳感器的A極、B極與電位器RP構(gòu)成分壓電路，當(dāng)被測氣體酒精濃度升高時，氣敏傳感器的阻值降低，分壓隨

之減小，電位器RP上的分壓升高，LM3914的5腳輸入電壓隨之升高，通過比較放大，驅(qū)動發(fā)光二極管依次發(fā)光。10個發(fā)光二極管對輸入電壓作10級顯示，酒精濃度越高，LM3914的5腳輸入電壓越高，發(fā)光二極管點亮個數(shù)越多。

測試時，先將電源閉合，使氣敏電阻MQ-3的兩個加熱極H通電加熱3到5分鐘，目的是加速被測氣體的化學(xué)吸附和電離的過程并燒去氣敏電阻表面的污物。開始測量時將酒精棉球逐漸靠近MQ-3的測試口，測試口附近空氣中的酒精濃度逐漸升高，發(fā)光二極管的點亮個數(shù)逐漸增加。若酒精棉球在靠近的過程中，發(fā)光二極管點亮較慢，說明測試器的靈敏度較低，可通過調(diào)節(jié)電位器RP提高靈敏度；若發(fā)光二極管的亮度比較弱，可適當(dāng)改變LM3914的7腳接入電阻R1的大小來進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖3 酒精測試器

3 結(jié)論

氣敏傳感器在被測氣體濃度較低時有較大的電阻變化，而當(dāng)被測氣體濃度較大時，其電阻率的變化逐漸趨緩，有較大的非線性。這種特性較適用于氣體的微量檢漏、濃度檢測或超限報警。目前，氣敏電阻傳感器已廣泛用于石油、化工、電力、家居等各個領(lǐng)域。

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