Napredek pri zaznavanju plinov je povzročil revolucijo v domači in industrijski elektroniki ter zagotovil cenovno dostopne in preproste naprave za spremljanje okolja ter varovanje zdravja in varnosti. Na tem področju, Kemorezistivni senzorji serije MQ Postali so nepogrešljiv vir tako za navdušence nad elektroniko kot za strokovnjake, ki jih zanima nadzor kakovosti zraka, preprečevanje tveganj ali načrtovanje novih aplikacij interneta stvari.
Če ste prišli tako daleč, vas verjetno zanima, kaj točno Kaj je kemorezistni senzor?, kako specifični modeli, kot je npr. MQ-135, MQ-9 ali MQ-3, in kakšne praktične razlike obstajajo med njimi. Pripravite se, saj ta članek presega preprosto definicijo: tukaj boste našli podrobno razlago, primere iz resničnega življenja, navodila za priključitev in podrobnosti o kalibraciji ter vse ključe za razumevanje in integracijo teh naprav v vaše lastne projekte.
Kaj je kemorezistni senzor?
Un Kemorezistivni senzor je naprava, ki lahko zazna in meri koncentracijo določenih plinov ali kemičnih spojin v zraku. S spreminjanjem notranje električne upornosti. Ko je senzor izpostavljen določeni snovi – kot so ogljikov monoksid, amoniak, alkohol ali benzen, med drugim – se električna upornost občutljivega materiala (običajno kositrov oksid, SnO₂, dopiranega z drugimi spojinami) spremeni sorazmerno s koncentracijo tega plina.
Ti senzorji, ki so široko sprejeti zaradi nizkih stroškov, zanesljivosti in enostavne integracije, se uporabljajo pri nadzoru kakovosti okolja, avtomatizaciji doma, alarmih za puščanje, nadzoru zastrupitev in stotinah drugih aplikacij.
Kako deluje kemorezistni senzor
Osnovno načelo kemorezistivnih senzorjev, skupnih družini MQ, temelji na treh glavnih elementih:
- Občutljiv material: Na keramično površino se nanese plast materiala, običajno kositrovega oksida. Ta material kemično reagira z okoliškimi plini in merljivo spreminja njegovo prevodnost.
- Notranji grelec: Majhna nitka deluje kot grelec in ohranja temperaturo senzorja na optimalni temperaturi za hitre in natančne kemijske reakcije.
- Vezje delilnika napetosti: Senzor deluje kot spremenljivi upor, ki skupaj z uporom (RL) tvori delilnik napetosti, kar omogoča odčitavanje sprememb s strani mikrokrmilnika, analogno-digitalnega pretvornika ali preprosto prek primerjalnika praga.
Postopek je naslednji: z uporabo napetosti grelec segreje občutljivo peleto. Ko je prisoten ciljni plin, se notranji upor (Rs) spreminja. Z merjenjem izhodne napetosti je mogoče sklepati o koncentraciji prisotnega plina. Za razliko od izključno digitalnih senzorjev družina MQ običajno zagotavlja tako analogni izhod, sorazmeren z zaznano ravnjo, kot digitalni alarmni izhod ki se aktivira, ko je presežen prag, nastavljiv s potenciometrom.
Družina MQ: Vrste senzorjev in njihova uporaba
Paleta senzorjev MQ je obsežna in vsak model je specializiran za zaznavanje ene ali več snovi. Zaradi tega so izjemno vsestranski, vendar je za izbiro pravega za vsako potrebo potrebno tudi temeljito razumevanje občutljivosti vsakega senzorja.
V naslednji tabeli so navedeni najpogostejši modeli in plini, za katere so optimizirani, ter priporočena napetost za grelec:
| Model | Zaznani plini | Dovajanje grelnika |
|---|---|---|
| MQ-2 | Metan, butan, utekočinjeni naftni plin, dim | 5V |
| MQ-3 | Alkohol, etanol, dim | 5V |
| MQ-4 | Metan, zemeljski plin | 5V |
| MQ-5 | Zemeljski plin, utekočinjeni naftni plin | 5V |
| MQ-6 | Butan, utekočinjeni naftni plin | 5V |
| MQ-7 | Ogljikov monoksid | Izmenično 5V / 1.4V |
| MQ-8 | Vodik | 5V |
| MQ-9 | Ogljikov monoksid, Vnetljivi plini | Izmenično 5V / 1.5V |
| MQ-131 | Ozon | 6V |
| MQ-135 | Benzen, alkohol, dim, kakovost zraka | 5V |
Med temi, MQ-3, MQ-9 in MQ-135 so še posebej priljubljeni za specifične aplikacije:
- MQ-3: Zaznavanje alkohola, etanola in v manjši meri dima in benzena. Pogosto v alkotesterjih in sistemih za nadzor dostopa.
- MQ-9: Za zaznavanje ogljikovega monoksida (CO) in vnetljivih plinov, kot je utekočinjeni naftni plin (LPG), idealno za alarme puščanja v kuhinjah in delavnicah.
- MQ-135: Analizira kakovost zraka in zaznava amonijak (NH₃), dušikove okside (NOx), benzen, CO₂, dim in alkoholne hlape, zaradi česar je zelo vsestranski v urbanem in laboratorijskem okolju.
Skupne značilnosti senzorjev MQ
Poleg razlik med modeli ima večina senzorjev MQ nekaj podobne tehnične in uporabne lastnosti:
- Občutljivost na več plinov: Čeprav je vsak senzor optimiziran za specifične pline, večina reagira na več kot eno spojino z različno intenzivnostjo.
- Dvojni izhod: Vključi analogni izhod (vrednost sorazmerna s koncentracijo) in digitalni izhod (aktivira se, ko je presežen prag, nastavljiv s potenciometrom).
- Zahtevajo ogrevanje: Za natančne meritve mora notranji grelec doseči želeno temperaturo. Priporočljivo je začetno segrevanje, ki traja nekaj minut do nekaj ur, po stabilizaciji pa sledi nekajminutno predgrevanje.
- Opazna poraba: Grelec lahko porabi do 800 mW, zato je pri uporabi več senzorjev priporočljiv ustrezen napajalnik.
- Stabilnost in rok uporabnosti: Zaradi robustne konstrukcije in elektrokemične zasnove ponujajo dolgo življenjsko dobo, če se uporabljajo v skladu z navodili, zlasti glede temperature in vlažnosti.
- Nastavljiva občutljivost: Z uporabo integriranega potenciometra je mogoče spreminjati digitalni prag alarma.
Praktično delovanje: od senzorja do meritve
Uporaba senzorjev MQ je preprosta, vendar zahteva nekaj previdnosti za pridobivanje zanesljivih podatkov. Osnovna povezava vključuje:
- Senzor prejema 5 V (odvisno od modela).
- Priključek GND se poveže z ozemljitvijo sistema.
- Analogni izhod (A0/AOUT) je povezan z analognim vhodom mikrokrmilnika ali po potrebi z zunanjim ADC-jem.
- Digitalni izhod (D0/DOUT) se poveže z digitalnim vhodom za alarme ali dogodke.
Obdelava signala se razlikuje glede na vrsto izhoda:
- Digitalno branje: Deluje kot stikalo, ki se aktivira, ko koncentracija preseže nastavljeni prag. Idealno za preproste alarme.
- Analogno branje: Omogoča neprekinjeno spremljanje ravni plina, kar je uporabno za sorazmerna dejanja ali vizualizacijo.
Pomembno! Čeprav so senzorji MQ natančni pri zaznavanju prisotnosti, njihova uporaba kot kvantitativni merilniki zahteva specifična kalibracija v vsakem okolju in z vsakim senzorjem, pri čemer si oglejte proizvajalčeve podatkovne liste.
Kalibracija, krivulja občutljivosti in izračun koncentracije v PPM
Eden glavnih izzivov je preoblikovati branje v zanesljivo koncentracijo, običajno v PPMVsak senzor ima specifično krivuljo občutljivosti, dokumentirano v njegovem podatkovnem listu, ki povezuje upornost senzorja pri različnih koncentracijah.
- Rs: Upor senzorja v vzorcu plina.
- Ro: Po začetnem vžigu očistite zračni upor ali referenco.
Razmerje Rs/Ro vam omogoča oceno koncentracije v ppm z uporabo krivulje iz podatkovnega lista. Osnovni koraki umerjanja so:
- Med začetno stabilizacijo (kjer je dosežen Ro) delajte na čistem zraku.
- Izmerite napetost pod temi pogoji in izračunajte Ro z: Ro = (RL x (Vcc – Vout)) / Vout.
- Izmerite v prisotnosti plina in izračunajte Rs z isto formulo, pri čemer uporabite ustrezni Vout.
- Izračunajte Rs/Ro in ga poiščite na krivulji, da določite ocenjeno koncentracijo.
Ta postopek je mogoče avtomatizirati v mikrokrmilnikih, kar omogoča neprekinjeno spremljanje in periodično kalibracijo za ohranjanje natančnosti.
Podroben primer kalibracije in uporabe s senzorjem MQ-3 (alkohol)
El senzor MQ-3 Široko se uporablja za zaznavanje alkohola v zraku, v alkotesterjih ali v sistemih za nadzor dostopa. Njegovo delovanje je podobno drugim MQ-jem, uglašenim za etanol in alkohol na splošno.
Za izgradnjo sistema z Arduinom je priporočljivo:
- Priključite po običajni shemi (VCC, GND, AOUT na analogni vhod, DOUT na digitalni).
- Začetno "prižiganje" izvajajte od 24 do 48 ur, da se stabilizira.
- Izračunajte Ro v čistem zraku s prejšnjo formulo, pri čemer uporabite RL = 1 kΩ (tipično).
- V vsakem vzorcu izmerite Rs, izračunajte Rs/Ro in pretvorite v koncentracijo z uporabo krivulje v podatkovnem listu.
Algoritem Arduino lahko izvaja funkcije merjenja, izračuna in prikaza za lažje upravljanje in pridobivanje podatkov pri projektih spremljanja okolja ali alkotesterjev.
Praktične prednosti in omejitve senzorjev MQ
Prednosti:
- Nizka cena in razpoložljivost: So poceni in enostavni za pridobitev, kar omogoča njihovo uporabo v več senzorjih.
- Vsestranskost: Specializirani modeli za številne pline, ki odpirajo številne možnosti na različnih področjih.
- Enostavnost integracije: S standardnimi moduli in združljivimi knjižnicami je njihova vključitev v sisteme enostavna.
- Dvojni izhodi: Digitalni za alarme in analogni za neprekinjeno spremljanje.
- Obsežna dokumentacija in skupnost: Olajša učenje, reševanje problemov in razvoj.
Omejitve in previdnostni ukrepi:
- Omejena natančnost: Niso nadomestilo za profesionalno opremo, kadar je potrebna absolutna natančnost.
- Navzkrižna preobčutljivost: Zaznavajo več plinov in lahko ponaredijo rezultate v okoljih z različnimi sestavami.
- Ne takojšen odziv: Zaradi toplotne in kemične inercije je reakcija relativno počasna in okrevanje je lahko dolgotrajno.
- Periodična kalibracija: Pomembno je ohraniti zanesljivost in natančnost.
- Poraba energije: Grelec lahko porabi do 800 mW, kar je treba upoštevati pri sistemih z več senzorji.
- Condiciones ambientales: Temperatura in vlažnost vplivata na natančnost, zato je treba uporabo izvajati v skladu s specifikacijami proizvajalca.
Integracija in primeri kode za Arduino in mikrokrmilnike
Integracija senzorjev MQ v platforme, kot je Arduino, je zelo preprosta, na voljo so primeri in knjižnice. Spodaj je nekaj osnovnih primerov:
Digitalno branje
const int MQ_PIN = 2; // Pin conectado a DOUT del sensor
const int MQ_DELAY = 2000;
void setup() {
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
bool estado = digitalRead(MQ_PIN);
if (!estado) {
Serial.println("Detección de gas");
} else {
Serial.println("No detectado");
}
delay(MQ_DELAY);
}
Analogno odčitavanje
const int MQ_PIN = A0; // Pin conectado a AOUT del sensor
const int MQ_DELAY = 2000;
void setup() {
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
int valor_adc = analogRead(MQ_PIN);
float voltaje = valor_adc * (5.0 / 1023.0);
Serial.print("Valor ADC:");
Serial.print(valor_adc);
Serial.print(" V:");
Serial.println(voltaje);
delay(MQ_DELAY);
}
Izračun koncentracije (PPM)
const int MQ_PIN = A0;
const int RL = 1; // kΩ, resistencia del circuito
float Ro = 10.0; // Valor calibrado en aire limpio
void setup() {
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
int adc_value = analogRead(MQ_PIN);
float voltaje = adc_value * (5.0 / 1023.0);
float Rs = RL * (5.0 - voltaje) / voltaje;
float ratio = Rs / Ro;
// Consultar curva del fabricante para convertir ratio en PPM
Serial.print("Voltaje:");
Serial.print(voltaje);
Serial.print(" Rs:");
Serial.print(Rs);
Serial.print(" Ratio Rs/Ro:");
Serial.println(ratio);
delay(1000);
}
Za pridobitev koncentracije v PPM primerjajte razmerje z logaritemsko krivuljo, specifično za senzor, in interpolirajte v skladu s podatkovnim listom.
Napredni izračuni in tečaji upravljanja senzorjev
Pri sistemih z več senzorji MQ je priporočljivo logiko enkapsulirati v posebne razrede ali funkcije, ki upravljajo parametre, kot so RO, krivulje, čas, pragovi in upravljanje cikla vklopa. To olajša vzdrževanje, kalibracijo in zanesljivost sistema, hkrati pa omogoča dodatne funkcije, kot so spremljanje alarmov, integracija interneta stvari in vizualizacija podatkov.
