智能型NH3气体传感器
- 来源:
- 深圳市圣凯安科技
- 日期:
- 2023年6月8日
6.2 常见气体检测及其传感器应用
6.2.1 可燃性气体检测
1. 可燃性气体检测的原理
可燃气体探测器是对单一或多种可燃气体浓度响应的探测器。可燃气体探测器有催化
型、红外光学型两种类型。
催化型可燃气体探测器是利用难熔金属铂丝加热后的电阻变化来测定可燃气体浓度。 当
可燃气体进入探测器时，在铂丝表面引起氧化反应（无焰燃烧） ，其产生的热量使铂丝的温
度升高，而铂丝的电阻率便发生变化。
红外光学型是利用红外传感器通过红外线光源的吸收原理来检测现场环境的碳氢类可
燃气体。
烷烃类可燃气体探测器结实耐用， 操作简便的智能型可燃气体探测器， 被设计用以检测
可燃性烷烃类气体浓度在爆炸下限 0-100%的变化。
这种探测器使用一种获得专利的“小型即插型可更换”红外线光学传感器。 红外线传感
器的特点是长时间的工作稳定性及少的阶段性维护。 红外线气体传感器在某些测量环境下
是对于传统的催化燃烧式传感器红外线可燃气体探测器属于无干扰智能型产品， 具有良好的
安全性能， 操作灵活简便。 这种探测器的一个主要的特点是它的自动校准功能， 可以通过带
背光的液晶显示屏上的提示一步步地引导操作者进行校准。 红外线气体探测器提供三种不同
的输出方式：模拟信号 4-20mA直流电； RS-485 通讯接口及 3 个继电器（两个报警，一个故
障自检）。可对警铃进行现场调试和编程。这些不同的输出方式为系统建立提供了大的灵
活性。则只提供 4~20MA直流电的输出。控制电路以微处理芯片为基础，封装成一个即插型
模块并被连在标准的连接模板上。 传感器及信号发生器被安装在一个防爆机壳内， 机壳上有
玻璃罩。带有背光的数字显示屏既可显示传感器读数也可在编程时显示菜单功能。
图 6-2 可燃性气体检测电路
该可燃气体报警器电路由气敏传感器、 多谐振荡器和音频输出电路组成， 如图所示。 多
谐振荡器由与非门集成电路 IC 内部的两个与非门 (Dl 和 D2)和外围阻容元件组成。音频输
出电路由电阻器 R5、音频放大管 V和扬声器 BL 组成。当室内的可燃气体浓度在允许范围内
( 低于限定值 ) 时，气敏传感器 a、b 端之间阻值较大， b 端(IC 的 l 脚) 输出电压较低，多谐
振荡器不工作，扬声器 BL 中无声音。当煤气或天然气泄漏，使室内的可燃气体体积分数超
过限定值时， 气敏传感器 b 端的输出电压高于 IC 内 Dl 的转换电压时， 多谐振荡器工作， 从
IC 的 4 脚输出振荡信号。该信号经 V 放大后，推动扬声器 BL 发出报警声。调节 R2的电阻
值，使气敏传感器 c、d 之间的电压为 4.5V。元器件选择 Rl 选用 1/2W 碳膜电阻器 ;R2 选用
小型密封式可变电阻器 ;R3-R6 均选用 1/4W 碳膜电阻器。 Cl 选用高频瓷介电容器 ;C2 选用耐
压值为 16V的铝电解电容器。 VS选用 1/2W、6.8V 稳压二极管。 V 选用 S9013 或 C805O硅 NPN
型晶体管。 IC 选用 CD401l 或 MC4011四与非门集成电路。传感器可选用国产 QM-N2气敏传
感器件。
图 6-3 可燃性气体内部电路
图中， R1是传感器要求的负载电阻， 阻值为 120 Ω，Vcc 为 5 V 电源电压 ;A 、B为 LM358
双运放， A 为跟随器， 起缓冲隔离作用， 以便将 R1上的电压 VR1基本上全部施加到比较器 B
的同相输入端。 RW为报警灵敏度调整电位器。稳态时，调整 RW使得加到比较器反相输入端
的电压 V-略高于稳态时 R1 上的电压 VR1这个电压越高，报警灵敏度就越低。加电并使传感
器达到稳态后， MQ-KC为较稳定的固定阻值，当 Vcc 不变时， VR1基本为一固定值，保持不
变。当有可燃性气体泄露时，传感器接触到可燃气，使其电导率上升，电阻下降，使 VR1
上升，当 VR1高于 V-时，比较器输出一个大于 7V 的电压，从而使蜂鸣器 HA发出滴、滴的
报警声。若用该电压控制一个继电器，即可实现控制功能。为了提高抗干扰能力， 可分别在
R1和 B 的 V-端并联一只滤波电容。
2. 可燃性气体检测的实例
根据系统的功能要求， 设计出系统硬件电路， 硬件电路框图如图 1 所不， 主要由主控制
器电路、传感器电路、串口通信电路、 LCD液屏，显 T电路和声光报警电路等组成。各部分
电路的简要功能如下：
主控制器电路： 系统的控制核心，通过编写程序， 实现系统各个部分的智能控制。 甲烷
传感器电路 : 用于采集矿井内的甲烷浓度，并将采集数据传送给单片机处理。
串口通信电路： 用于实现检测装置与计算机的数据通信， 可以将每日记录的甲烷浓度数
据传输到电脑上，便于记录、分析和管理。
按键电路： 用于实现木装置的人机交互， 通过按键可设置报警上限以及间断采集时间间
隔等信息。
报警电路：发出声光报警，提醒井下工作人员，撤离工作现场。
LCD液晶显示电路：用于实现甲烷浓度信息的实时显不，并可显不每日的甲烷浓度变化
曲线，便于进行人机交互。
电源电路 : 为系统提供能量来源。
图 6-4 硬件电路框图
6.2.2 CO 气体检测
1. CO 气体检测的原理
系统是由气体浓度检测及变换电路、开关控制电路、模 / 数转换电路、数字显示电路和
报警电路组成。
⑴传感器。 浓度检测电路的核心器件是气体传感器， 利用传感器的转换功能， 将气体的
浓度转换成可以直接测量的电压信号。
⑵变换电路。它包括线性化补偿电路、放大电路、 电压电流转换电路。 从传感器中输出
的电压信号线性不好而且信号很小， 需要对它进行线性化处理和放大处理。 因为要进行远距
离传输，所以将电压转化成电流信号传输，在送入下一个电路之前再变换成电压信号。
⑶开关控制电路。它包括一个多路模拟开关、 多谐振荡器、计数器等。 多谐振荡器产生
时钟脉冲控制多路模拟开关对 16 路气体浓度进行巡回检测，并显示当前检测的路数。
⑷模 / 数转换电路。负责将模拟电压信号转换成数字频率信号。
6.2.1 可燃性气体检测
1. 可燃性气体检测的原理
可燃气体探测器是对单一或多种可燃气体浓度响应的探测器。可燃气体探测器有催化
型、红外光学型两种类型。
催化型可燃气体探测器是利用难熔金属铂丝加热后的电阻变化来测定可燃气体浓度。 当
可燃气体进入探测器时，在铂丝表面引起氧化反应（无焰燃烧） ，其产生的热量使铂丝的温
度升高，而铂丝的电阻率便发生变化。
红外光学型是利用红外传感器通过红外线光源的吸收原理来检测现场环境的碳氢类可
燃气体。
烷烃类可燃气体探测器结实耐用， 操作简便的智能型可燃气体探测器， 被设计用以检测
可燃性烷烃类气体浓度在爆炸下限 0-100%的变化。
这种探测器使用一种获得专利的“小型即插型可更换”红外线光学传感器。 红外线传感
器的特点是长时间的工作稳定性及少的阶段性维护。 红外线气体传感器在某些测量环境下
是对于传统的催化燃烧式传感器红外线可燃气体探测器属于无干扰智能型产品， 具有良好的
安全性能， 操作灵活简便。 这种探测器的一个主要的特点是它的自动校准功能， 可以通过带
背光的液晶显示屏上的提示一步步地引导操作者进行校准。 红外线气体探测器提供三种不同
的输出方式：模拟信号 4-20mA直流电； RS-485 通讯接口及 3 个继电器（两个报警，一个故
障自检）。可对警铃进行现场调试和编程。这些不同的输出方式为系统建立提供了大的灵
活性。则只提供 4~20MA直流电的输出。控制电路以微处理芯片为基础，封装成一个即插型
模块并被连在标准的连接模板上。 传感器及信号发生器被安装在一个防爆机壳内， 机壳上有
玻璃罩。带有背光的数字显示屏既可显示传感器读数也可在编程时显示菜单功能。
图 6-2 可燃性气体检测电路
该可燃气体报警器电路由气敏传感器、 多谐振荡器和音频输出电路组成， 如图所示。 多
谐振荡器由与非门集成电路 IC 内部的两个与非门 (Dl 和 D2)和外围阻容元件组成。音频输
出电路由电阻器 R5、音频放大管 V和扬声器 BL 组成。当室内的可燃气体浓度在允许范围内
( 低于限定值 ) 时，气敏传感器 a、b 端之间阻值较大， b 端(IC 的 l 脚) 输出电压较低，多谐
振荡器不工作，扬声器 BL 中无声音。当煤气或天然气泄漏，使室内的可燃气体体积分数超
过限定值时， 气敏传感器 b 端的输出电压高于 IC 内 Dl 的转换电压时， 多谐振荡器工作， 从
IC 的 4 脚输出振荡信号。该信号经 V 放大后，推动扬声器 BL 发出报警声。调节 R2的电阻
值，使气敏传感器 c、d 之间的电压为 4.5V。元器件选择 Rl 选用 1/2W 碳膜电阻器 ;R2 选用
小型密封式可变电阻器 ;R3-R6 均选用 1/4W 碳膜电阻器。 Cl 选用高频瓷介电容器 ;C2 选用耐
压值为 16V的铝电解电容器。 VS选用 1/2W、6.8V 稳压二极管。 V 选用 S9013 或 C805O硅 NPN
型晶体管。 IC 选用 CD401l 或 MC4011四与非门集成电路。传感器可选用国产 QM-N2气敏传
感器件。
图 6-3 可燃性气体内部电路
图中， R1是传感器要求的负载电阻， 阻值为 120 Ω，Vcc 为 5 V 电源电压 ;A 、B为 LM358
双运放， A 为跟随器， 起缓冲隔离作用， 以便将 R1上的电压 VR1基本上全部施加到比较器 B
的同相输入端。 RW为报警灵敏度调整电位器。稳态时，调整 RW使得加到比较器反相输入端
的电压 V-略高于稳态时 R1 上的电压 VR1这个电压越高，报警灵敏度就越低。加电并使传感
器达到稳态后， MQ-KC为较稳定的固定阻值，当 Vcc 不变时， VR1基本为一固定值，保持不
变。当有可燃性气体泄露时，传感器接触到可燃气，使其电导率上升，电阻下降，使 VR1
上升，当 VR1高于 V-时，比较器输出一个大于 7V 的电压，从而使蜂鸣器 HA发出滴、滴的
报警声。若用该电压控制一个继电器，即可实现控制功能。为了提高抗干扰能力， 可分别在
R1和 B 的 V-端并联一只滤波电容。
2. 可燃性气体检测的实例
根据系统的功能要求， 设计出系统硬件电路， 硬件电路框图如图 1 所不， 主要由主控制
器电路、传感器电路、串口通信电路、 LCD液屏，显 T电路和声光报警电路等组成。各部分
电路的简要功能如下：
主控制器电路： 系统的控制核心，通过编写程序， 实现系统各个部分的智能控制。 甲烷
传感器电路 : 用于采集矿井内的甲烷浓度，并将采集数据传送给单片机处理。
串口通信电路： 用于实现检测装置与计算机的数据通信， 可以将每日记录的甲烷浓度数
据传输到电脑上，便于记录、分析和管理。
按键电路： 用于实现木装置的人机交互， 通过按键可设置报警上限以及间断采集时间间
隔等信息。
报警电路：发出声光报警，提醒井下工作人员，撤离工作现场。
LCD液晶显示电路：用于实现甲烷浓度信息的实时显不，并可显不每日的甲烷浓度变化
曲线，便于进行人机交互。
电源电路 : 为系统提供能量来源。
图 6-4 硬件电路框图
6.2.2 CO 气体检测
1. CO 气体检测的原理
系统是由气体浓度检测及变换电路、开关控制电路、模 / 数转换电路、数字显示电路和
报警电路组成。
⑴传感器。 浓度检测电路的核心器件是气体传感器， 利用传感器的转换功能， 将气体的
浓度转换成可以直接测量的电压信号。
⑵变换电路。它包括线性化补偿电路、放大电路、 电压电流转换电路。 从传感器中输出
的电压信号线性不好而且信号很小， 需要对它进行线性化处理和放大处理。 因为要进行远距
离传输，所以将电压转化成电流信号传输，在送入下一个电路之前再变换成电压信号。
⑶开关控制电路。它包括一个多路模拟开关、 多谐振荡器、计数器等。 多谐振荡器产生
时钟脉冲控制多路模拟开关对 16 路气体浓度进行巡回检测，并显示当前检测的路数。
⑷模 / 数转换电路。负责将模拟电压信号转换成数字频率信号。
