氣敏傳感器QM-N5在礦井中的應(yīng)用

摘要：通過(guò)氣敏傳感器采集信息，555定時(shí)器轉(zhuǎn)化信號(hào)來(lái)檢測(cè)礦井中瓦斯的濃度，以避免更多的人員傷亡。用氣敏傳感器QM-N5采集礦井中信息，通過(guò)555定時(shí)器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)溫濕度補(bǔ)償電路濾除一些隨機(jī)干擾，最后進(jìn)行顯示與報(bào)警。提出了一套完整的測(cè)量礦井中瓦斯?jié)舛鹊姆桨浮Ｔ摲桨附Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔可靠，能夠測(cè)量礦井中瓦斯的濃度。
關(guān)鍵詞：QM-N5；555定時(shí)器；報(bào)警器；瓦斯?jié)舛葴y(cè)量

    近年來(lái)在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中由于瓦斯?jié)舛瘸薅鹬卮笫鹿食Ｓ邪l(fā)生，而每次事故的發(fā)生都會(huì)造成人員傷亡，不僅對(duì)傷亡人員的家庭帶來(lái)沉重的災(zāi)難，也給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大損失，所以礦井中瓦斯的防治追在眉睫。本文介紹了一種基于QM-N5氣敏傳感器檢測(cè)礦井瓦斯?jié)舛葴y(cè)量的方法。氣敏傳感器QM-N5是以金屬氧化物SO2為主體材料的N型半導(dǎo)體氣敏元件，它靈敏度高、響應(yīng)速度快、輸出信號(hào)大、穩(wěn)定可靠；在(5± 0．5)V交直流電源下工作，使用方便，所需外圍元器件少；可用于檢測(cè)甲烷、酒精、氫氣、硫化氫等多種氣體。

1 設(shè)計(jì)方案
    設(shè)計(jì)方案如圖1所示。它包括傳感器及外圍電路、555定時(shí)器電路、顯示報(bào)警電路等3部分。傳感器及外圍電路封裝于小型屏蔽容器內(nèi)，固定于礦井墻壁上。QM-N5氣敏傳感器采集礦井中氣體的濃度，并輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)；經(jīng)555定時(shí)器電路轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)溫濕度補(bǔ)償電路的判斷與處理，如果是外界環(huán)境溫濕度的變化引起阻值變化，繼續(xù)掃描外界環(huán)境氣體的濃度，并將氣體濃度的值顯示于LED。當(dāng)超過(guò)安全范圍時(shí)給出報(bào)警，提醒礦井中的工作人員迅速撤離，并即時(shí)通風(fēng)換氣。

2 傳感器及外圍電路的設(shè)計(jì)
    方案擬采用以金屬氧化物SO2為主體材料的N型半導(dǎo)體QM-N5作為氣敏傳感器。該器件以555定時(shí)器電路的復(fù)位端進(jìn)行觸發(fā)。
2．1 QM-N5的主要技術(shù)指標(biāo)
    工作電壓AC或DC(5±0．5)V；回路電壓最大DC24 V；負(fù)載電阻2 kΩ；清潔空氣中電阻小于等于4 000 kΩ；靈敏度大于等于4(1 000 ppm C4H10)；響應(yīng)時(shí)間小于等于10 s；恢復(fù)時(shí)間小于等于30 s；檢測(cè)范圍為50～10 000ppm。[!--empirenews.page--]
2．2 QM-N5的測(cè)試電路
    QM-N5是檢測(cè)C4H10濃度的測(cè)量系統(tǒng)。它有兩個(gè)電極，一是工作電極Vh，二是回路電極Vc。R為電位器，調(diào)節(jié)QM-N5氣體傳感器AB之間電阻的大小。Vout為輸出信號(hào)電壓?；緶y(cè)試電路如圖2所示。
2．3 QM-N5使用注意事項(xiàng)
    元件開(kāi)始通電工作時(shí)，沒(méi)有接觸可燃性氣體，其電導(dǎo)率急劇增加1 min后達(dá)到穩(wěn)定，這時(shí)方可正常使用；加熱電壓的改變會(huì)直接影響元件的性能，所以在規(guī)定的電壓范圍內(nèi)使用為佳；使用溫度-15～+35℃；相對(duì)濕度45％～75％RH；大氣壓力80～106 kPa；為避免腐蝕性氣體及油污染，長(zhǎng)期使用，需防止堵塞防爆不銹鋼網(wǎng)。
2．4 555定時(shí)器電路
    555定時(shí)器電路是一塊介于模擬與數(shù)字電路的一種混合電路。圖3為555的內(nèi)部電路，可以看出，有2個(gè)比較器，1個(gè)觸發(fā)器，1個(gè)倒相器，1個(gè)晶體管和若干電阻構(gòu)成。兩個(gè)比較器組成模擬電路，觸發(fā)器為數(shù)字電路。

    555為8腳封裝的器件。其中，1腳(GND)為接地腳；2腳(TL)為低電平觸發(fā)端；3腳(Q)為電路的輸出端；4腳()為復(fù)位端，低電平有效；5腳(V-C)為電壓控制端；6腳(TH)為閾值輸入端；7腳(DIS)為放電端；8腳(VCC)為電源電壓端，其電壓范圍3～18V。

3 電路原理分析
    圖4是礦井瓦斯超限報(bào)警電路原理。7805為三端集成穩(wěn)壓器。氣敏傳感器QM-N5和電位器RP組成瓦斯氣體檢測(cè)電路；555定時(shí)器電路為轉(zhuǎn)換、觸發(fā)電路；555定時(shí)器和揚(yáng)聲器組成報(bào)警電路。當(dāng)?shù)V井中無(wú)瓦斯或瓦斯?jié)舛群艿蜁r(shí)，氣敏傳感器QM-N5的A-B極間導(dǎo)電率很小，電位器RP滑動(dòng)觸點(diǎn)的電壓過(guò)小。555定時(shí)器電路的4腳有效，經(jīng)反相放大后，555定時(shí)器電路的3腳輸出低電平，揚(yáng)聲器不發(fā)聲，反之，報(bào)警。

    當(dāng)環(huán)境溫濕度變化時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)或漏報(bào)，所以在原電路的基礎(chǔ)上加上溫濕度補(bǔ)償電路。555定時(shí)器3腳的信號(hào)接在圖5運(yùn)算放大器A的反相輸入端，熱敏電阻接在運(yùn)算放大器A的同相輸入端。由于選用氣敏傳感器QM-N5的溫度系數(shù)與熱敏電阻RT的溫度系數(shù)相同或接近，因此當(dāng)環(huán)境溫濕度升高，氣敏電阻RT的阻值下降，從而實(shí)現(xiàn)了溫濕度補(bǔ)償。

4 結(jié)語(yǔ)
    通過(guò)分析瓦斯在礦井的危害，提出了利用氣敏傳感器QM-N5和555定時(shí)器來(lái)澍量礦井瓦斯?jié)舛鹊囊惶追桨?。主要介紹了QM-N5傳感器、555定時(shí)器的組成。采用溫濕度補(bǔ)償電路的方法濾除一些隨機(jī)干擾。該方案電路簡(jiǎn)潔，設(shè)計(jì)可靠性較高，對(duì)于礦井檢測(cè)瓦斯的濃度有較好的借鑒。