MQ系列气体传感器通用说明书

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1、通用说明书工作原理MQ 系列气体传感器的敏感材料是活性很高的金属氧化物半导体 ,最常用的如 SnO2。金属氧化物半导体在空气中被加热到一定温度时 ,氧原子被吸附在带负电荷 的半导体表面 ,半导体表面的电子会被转移到吸附氧上 ,氧原子就变成了氧负离子 ,同 时在半导体表面形成一个正的空间电荷层 ,导致表面势垒升高 ,从而阻碍电子流动 （见 图 1 。在敏感材料内部 ,自由电子必须穿过金属氧化物半导体微晶粒的结合部位 （晶界 才能形成电流。由氧吸附产生的势垒同样存在于晶界而阻碍电子的自由流动,传感器的电阻即缘于这种势垒。在工作条件下当传感器遇到还原性气体时,氧负离子因与还原性气体发生氧化还原反应而

2、导致其表面浓度降低 ,势垒随之降低 （图 2 和图 3。导致传感器的阻值减小。在给定的工作条件下和适当的气体浓度范围内 ,传感器的电阻值和还原性气体 浓度之间的关系可近似由下面方程表示 :其中 :Rs:传感器电阻A:常数C:气体浓度:Rs曲线的斜率传感器特性1氧气分压的影响图 4所示为大气中氧分压 (PO2和 MQ 气体传感器在清洁空气中阻值之间的典 型关系。2气敏特性根据前述方程 ,在某一气体浓度范围内 (从几十 ppm 至几千 ppm,在工作条件下 , 传感器的电阻同气体浓度呈对数线性关系。如图 5 所示。传感器对多种还原气体具有敏感性 ,对指定气体的相对灵敏度 ,取决于敏感材料 的构成及

3、其工作温度。图 1- 晶粒间势垒模型 ( 洁净空气实际上,每个传感器的电阻值和相对灵敏度都不完全相同 ,图 5中描述的敏感特 性为传感器在不同气体浓度下的阻值 (Rs与待检测气体的一定浓度下的阻值 (R0 的 比值与浓度的对数关系。3传感器响应特性在工作条件下传感器先被放入还原性气体中 ,其电阻急剧下降 ,待其稳定后 ,再将 其置入洁净空气中 ,传感器的电阻经过很短的时间即恢复到它的初始值。这个过程 中传感器典型的动作如图 6 所示。传感器的响应速度和恢复速度与传感器型号、材 料种类及所测气体的种类相关。4 初始动作如图 7 所示,当传感器不通电存放后 ,再在空气中通电 ,无论是否存在还原性气

4、体 传感器通电后的最初几秒钟 ,其阻值都会 (Rs急剧下降 ,然后逐渐达到一个平稳的水 平,即为传感器的初始动作。初始动作时间的长短取决于传感器储存期间的气氛条 件、储存时间长短 ,并因传感器型号而异 ,也与通电后传感器周围的氛围有关。通电 后传感器的初始动作会引起报警 (参照 4-6 节,因此在设计电路时要予以充分考虑。5 温、湿度影响MQ 传感器的检测原理是基于气体在传感器表面的化学吸附、反应与脱附。环 境温度的变化会改变化学反应速度 ,从而影响传感器的敏感特性。此外 ,水蒸气会吸 附在传感器表面 ,湿度将会引起 Rs的降低。如图 8 所示。精确使用 MQ 传感器时应 考虑温、湿度的影响。

5、6长期稳定性MQ系列传感器的长期稳定性典型数据如图 9所示。通常情况下 ,MQ 传感器表 现出稳定的经时特性 ,适用于免维护应用的场合。7加热器电压的影响在设计传感器的加热器时 ,充分考虑了在给定的恒定加热电压下 ,气体传感器表 现出最佳的敏感特性。灵敏度随加热电压的变化如图 10 所示。对于加热电压对传 感器性能的影响 ,使用时应充分考虑。 MQ 气体传感器使用注意事项1必须避免的情况1.1 暴露于有机硅蒸气中如果传感器的表面吸附了有机硅蒸气 ,传感器的敏感材料会被包裹住 ,抑制传感 器的敏感性 ,并且不可恢复。传感器要避免暴露其在硅粘接剂、发胶、硅橡胶、腻 子或其它含硅塑料添加剂可能存在的

6、地方。图 4- 氧气分压的典型影响图 5- 典型的敏感特性图 6- 典型的传感器响应恢复1.2高腐蚀性的环境传感器暴露在高浓度的腐蚀性气体 （如 H2S,SOX,Cl2,HCl 等中 ,不仅会引起加热 材料及传感器引线的腐蚀或破坏 ,并会引起敏感材料性能发生不可逆的改变。1.3碱、碱金属盐、卤素的污染传感器被碱金属尤其是盐水喷雾污染后 ,及暴露在卤素如氟中也会引起性能劣 变。1.4接触到水溅上水或浸到水中会造成敏感特性下降。1.5结冰水在敏感元件表面结冰会导致敏感材料碎裂而丧失敏感特性。1.6施加电压过高如果给敏感元件或加热器施加的电压高于规定值 ,即使传感器没有受到物理损 坏或破坏 ,也会造

7、成引线和 /或加热器损坏 ,并引起传感器敏感特性下降。1.7 电压加错管脚 （仅限于旁热式系列对 6 脚型的传感器 ,如果电压加在 1、3 或 4、6 管脚会导致引线断线 ,加在 2、4 管脚上则取不到信号2尽可能避免的情况2.1凝结水在室内使用条件下 ,轻微凝结水会对传感器性能会产生轻微影响。但是 ,如果水 凝结在敏感元件表面并保持一段时间 ,传感器特性则会下降。2.2处于高浓度气体中无论传感器是否通电 ,在高浓度气体中长期放置 ,都会影响传感器特性。2.3长期贮存传感器在不通电情况下长时间贮存 ,其电阻会产生可逆性漂移 ,这种漂移与贮存 环境有关。传感器应贮存在有清洁空气不含硅胶的密封袋中

8、。经长期不通电贮存的 传感器 ,在使用前需要长时间通电以使其达到稳定。2.4 长期暴露在极端环境中无论传感器是否通电 ,长时间暴露在极端条件下 ,如高湿、高温、或高污染等极 端条件 ,传感器性能将受到严重影响。2.5振动频繁、过度振动会导致敏感元件引线产生共振图 7- 典型的初始动作图 8- 典型的温湿度影响图 9- 典型的长期稳定性而断裂。在运输途中及组装线上使用气动改锥 /超声波焊接机会产生这种振动。2.6冲击如果传感器受到强烈冲击会导致其引线断线。2.7使用对传感器来说手工焊接是最理想的焊接方式。使用波峰焊是应满足以下条件 :2.7.1助焊剂 :含氯最少的松香助焊剂2.7.2速度:1-2

9、 米/分钟2.7.3预热温度:100 202.7.4焊接温度:250 102.7.51次通过波峰焊机违反以上使用条件将使传感器特性下降。电路设计1负载电阻 (RL通过负载电阻可获得输出信号 ,并可调节传感器两端的电压 ,负载电阻可充当传 感器的保护器。为每个传感器选择一个合适的负载电阻可补偿传感器的离散性,并发挥传感器的最佳特性。如图 11 为传感器常见的敏感特性。在同样的电路 (如图 14中,传感器配用不同的负载电阻 RL(4.7K,2.0K ,1K时, 气体浓度与输出电压 (VRL 的关系如图 12 所示。如图 13给出了 RS/RL和VRL/VC 的关系。 RS/RL为 1.0时,VRL

10、/VC 的斜率最 大。在此条件下对报警浓度可获得最佳信号分辨率。使用时应选择检测浓度下的 RS/RL值为 1.0时的 RL 作负载。也可使用可变电阻器 (RL以获得最佳结果。2 信号处理传统的信号输出处理方法是使用比较器 (图 14。当 VRL 超出设定值 (Vref 时,比 较器信号激发外部装置 ,比如蜂鸣器或 LED 灯。使用微处理器进行信号处理会更方 便实用。它除了具有执行比较器的功能外 ,还具有其它一些有用的功能 ,例如温度补 偿,自动校准等。3温度补偿电路如图 15 所示为同一支传感器在几种不同环境条件下 ,典型的灵敏度曲线。没有 补偿电路时 ,在+20/65%RH、 1500ppm

11、 丙烷检测气体设定的报警点 ,在环境温度发 生变化时会在 600ppm 至 3400ppm间变化。在给定的湿度条件下如 :65%RH,使用热敏电阻可在一定程度上补偿温度影响 ,从 而改变图 14中的 Vref 。例如+40/65%RH下,Vref可从 2.5V变化到 3.1V,- 10/65%RH下,Vref 可从 2.5V 变化到 1.图 10-典型的加热电压影响图 11-敏感特性 (Rs图 12-敏感特性 (VRL9V。使用补偿电路的结果见图 16 及表 1热敏电阻及附加电阻的选择方法如下3.1确定应用的预期环境温湿度范围。考虑平均值为 +20/65%RH 的通常条件 以及-10和+40/

12、40%65%RH的极限条件。3.2获取在上述环境条件下的待测气体的敏感特性曲线。3.3决定热敏电阻和附加电阻去拟合平均曲线。图 14 中补偿路的推荐值如下 :注:使用这种方法不能实现湿度补偿。4MQ300 系列加热器突入电流传感器的加热器材料有它自身的温度影响。 MQ300 系列传感器在不同环境温 度下突入电流及加热器稳态电流如图 17 所示。此图说明突入电流大约比稳态电流 高 50%。因为加热器电阻在低温时电阻值也低 , 这会导致在室温下电流比预期高。 因此使用该传感器的装置第一次通电时 ,通电的最初一段时间会产生极高的电流。 因此在电路设计时要同时考虑突入电流时的保护。5传感器加热器断路检

13、测回路传感器加热器的断路可通过与其串联的电阻检测出来。加在此串联电阻器上的 电压可用于此目的。6防止初始动作误报警正如 2-4 部分所描述的那样 ,无论是否有被测气体出现 ,通电后最初的几秒内 Rs 急剧下降 ,引起 VRL 超过 Vref,然后依照周围气氛趋向稳定 （初始动作。使用图 18 所 示的回路可以避免最初预热过程传感器初始动作可能引起的误报警。此回路应与传 感器回路图 14中的 VRL 连接。7蜂鸣器延迟回路（如烹调中产生的乙使用类似于图 18 所示的延迟回路可以防止短暂存在的气体 醇蒸气干扰引发的误报警。检测器设计 （见图 19 示例流程图1电路图 13-Rs/RL 和 VRL/

14、Vc 的关系图 14-常用的温度补偿电路图 15-无补偿电路的效果1.1 使用热敏电阻补偿温度影响时，热敏电阻将补 偿传感器周围发生的温度变 化。传感器和热敏电阻 要处于不受电路产生热量影响的位置才可以获得 理想的补 偿效果。 1.2 要确保传感器加热器的工作条件如电压，电 流，加热周期和检测时间 符合规定。 1.3 流过传感器的电流较大， 在设计电路结构 （如 线条宽度，跨距和 布局）时要充分考虑这一因素。 1.4 负载电阻值应接近报警点时传感器的电阻值。 使用可调电阻时，应 考虑它的可调范围。 1.5 电路功能应包括引线或加热器断路或 传感器 元件失效的故障 /安全保护模式。 2 检测器外

15、壳 2.1 外壳设计时传感器周围 应有一个隔离空间。隔 离间通过对流促进传感器快速响应，并使检测器中 其它元 件产生的热量对传感器的影响最小化。检测 器外壳应至少在两面设置数量和宽度 足够的切口， 以保证气体在传感器周围顺畅流动。 2.2 外壳的设计时要最大限度地 保证散热。 3 样机评审测验 开始批量生产前必须对样机进行评审。 检测器生产 1 生产设备 1.1 传感器和检测器的预热（预通电）设备 ，无 论施加的电压是否波 动，要持续施加额定周期下的 额定电压。在预通电过程中 ,传感器 /检测器要模拟 实际使用情况垂直固定。 1.2 气体测试箱 避免使用熟化后可能放出气体的 绝缘或 密封材料，

16、如硅树脂密封胶和溶剂型的粘合 剂。气体测试箱的温、湿度应是可调 的。要确保测 试箱的容积使每个传感器拥有 1 升或更多的空间。 检测器探测到的 应是静止的混合气，避免气体直接 流向传感器，引起传感器错误地高灵敏。在调 试过 程中检测器要象实际使用时那样保持垂直固定。 1.3 工厂环境 环境应保持清 洁并不得含有有机蒸 气，如酒精、丙酮、可燃性气体等。特别要注意保 持传感器 / 检测器预通电设备周围的环境中没有对 其产生影响的气体， 如含硅蒸气。 在使用 三氯乙烯 ， 氟里昂或地板密封剂等挥发性清洗剂时，所有的产 品要从该区域移走 并妥善安置，直到该区域彻底通 风后才可以返回。 2 制造工艺 （

17、制造工艺流程图 示例如图 -20） 2.1 传感器的贮存和处置 传感器要在通常密封袋中贮存。 2.2 传感 器预通电 6 郑州炜盛电子科技有限公司 图 16-补偿电路的效果 图 17-环境温度对 MQ300 加热电流的影响 图 18-防止初始动作引发报警电路传感器预热（预通电）的时间最短为 2 天，但强 烈建议通电 7天或更长时间 以获得最佳效果。通电 时要遵循标准电路条件并保持清洁的气氛条件。 2.3 传感器 装配到 PCB上之前，助焊剂必须充分烘 干。 2.4 传感器装配时强烈建议手工焊 接。推荐使用无 铅焊锡、不含氯的树脂助焊剂。 2.5 PCB预通电的时间最短为 2 小时，但强烈推荐通

18、 电 1 天或更长时间以获得最佳效果。通电时要遵循 标准电路 条件并保持清洁的气氛条件。 2.6 调试（参考图 14电路） 确保使用适当的检测气 体浓度来调试所有的产 品。保持调试箱内气氛的温湿度条件稳定。必须清 除调试 箱中任何痕量的烟，粘接剂，杂质气体，溶 剂。 例 1）使用可变负载电阻器调试 检测器时，先将检 测器放入气体测试箱。测试箱内配制报警浓度的被 测气体。调 整使检测气体中的 VRL 至与 Vref 相当。 例 2）使用虚设负载电阻器（ RL* ）调试 检测器时， 先将检测器放入气体测试箱。测试箱内配制报警浓 度的气体。测量 RL*两端的电压以获得报警浓度时 的 Rs。用相当于上

19、述测量出的 Rs阻值的 RL 来 替换检 测器中的 RL*。 注意：确认报警浓度的气体与周围环境的温湿 度水平相一 致。否则，调试结果会与正常使用时大 不相同。要在用户规定的测试条件和检测 器的预定 使用条件下进行调试。 2.7 最终装配时要避免使用气动工具可能引起的 任何冲击或振动。 2.8 成品预通电的时间最短为 2小时，但强烈推荐 通电 1天或更 长时间以获得最佳效果。确认通电时 遵循标准电路条件并保持清洁的气氛条件。 2.9 气体测试 用检测气体测试所有的最终成品。保持测试箱气氛 条件稳定，使用用 户规定的测试条件和检测器预期 使用条件进行测试。必须清除测试箱中任何痕量 的 烟、粘接剂

20、、杂质气体、溶剂。 2.10 气体测试不合格品的重新调试。如果 电路 功 能检测没有问题，可以重新进行浓度调试。预通电 时间应两倍于检测器测试后的未通电放置时间，确 保检测器充分稳定。重新设定不能超过 4次。 2.11 最终成 品的贮存。 检测器应保管在空气清洁 的环境中。避免在不洁及有污染的环境中保 存。前 述部分所列出的注意事项同样适用。 质量控制 7 郑州炜盛电子科技有限公 司1 对每个生产批次进行抽样以确认报警浓度准确。 检查这些样品是否符合运输 要求，并且保持这些测 试记录。 2 周期性地对最终成品进行一定数量的抽样以确 认极限条件下的报警浓度（如 -10或+40/85 RH） ，并且保持这些测试记 录。 3 周期性地对成品进行一定数量的抽样以确认长 期稳定性。并且保持这些测 试记录。 8 郑州炜盛电子科技有限公司