Напредъкът в откриването на газове революционизира домашната и промишлена електроника, предоставяйки достъпни и прости устройства за наблюдение на околната среда и защита на здравето и безопасността. В тази област, Хеморезистивни сензори от серия MQ Те са се превърнали в задължителен справочник както за ентусиастите на електрониката, така и за професионалистите, интересуващи се от контрол на качеството на въздуха, предотвратяване на рискове или проектиране на нови IoT приложения.
Ако сте стигнали дотук, вероятно сте любопитни да знаете точно Какво е хеморезистивен сензор?, как специфични модели, като например MQ-135, MQ-9 или MQ-3, и какви практически разлики съществуват между тях. Пригответе се, защото тази статия далеч надхвърля просто определение: тук ще намерите подробно обяснение, примери от реалния живот, инструкции за свързване и подробности за калибриране, както и всички ключове за разбиране и интегриране на тези устройства във вашите собствени проекти.
Какво е хеморезистивен сензор?
Un Хеморезистивен сензор е устройство, способно да открива и измерва концентрацията на определени газове или химични съединения във въздуха. Чрез промяна на вътрешното си електрическо съпротивление. Когато сензорът е изложен на специфично вещество – като например въглероден оксид, амоняк, алкохол или бензен, наред с други – електрическото съпротивление на чувствителен материал (обикновено калаен оксид, SnO₂, легиран с други съединения) се променя пропорционално на концентрацията на този газ.
Тези сензори, широко разпространени поради ниската си цена, надеждност и лесна интеграция, се използват в контрола на качеството на околната среда, домашната автоматизация, алармите за течове, контрола на отравянията и стотици други приложения.
Как работи хеморезистивен сензор
Основният принцип на химиорезистивните сензори, общ за семейството MQ, се основава на три основни елемента:
- Чувствителен материал: Върху керамична повърхност се отлага слой материал, обикновено калаен оксид. Този материал реагира химически с околните газове, като по този начин измеримо променя проводимостта си.
- Вътрешен нагревател: Малка нишка действа като нагревател, поддържайки температурата на сензора на оптимално ниво за бързи и точни химични реакции.
- Схема на делителя на напрежение: Сензорът работи като променлив резистор, образувайки делител на напрежението заедно с резистор (RL), което позволява отчитането на вариациите от микроконтролер, аналогово-цифров преобразувател или просто чрез прагов компаратор.
Процесът е следният: чрез прилагане на напрежение, нагревателят нагрява чувствителната пелета. Когато целевият газ е наличен, вътрешното съпротивление (Rs) се променя. Чрез измерване на изходното напрежение може да се изведе концентрацията на наличния газ. За разлика от чисто цифровите сензори, семейството MQ обикновено осигурява както аналогов изход, пропорционален на откритото ниво, като цифров алармен изход който се активира, когато се превиши праг, регулируем с потенциометър.
Семейство MQ: Видове сензори и техните приложения
Гамата от сензори MQ е обширна и всеки модел е специализиран в откриването на едно или повече вещества. Това ги прави изключително универсални, но също така изисква задълбочено разбиране на чувствителността на всеки сензор, за да се избере правилният за всяка нужда.
Следната таблица изброява най-често срещаните модели и газовете, за които са оптимизирани, както и препоръчителното напрежение за нагревателя:
| модел | Открити газове | Захранване на нагревателя |
|---|---|---|
| MQ-2 | Метан, Бутан, Пропан-бутан, Дим | 5V |
| MQ-3 | Алкохол, етанол, дим | 5V |
| MQ-4 | Метан, природен газ | 5V |
| MQ-5 | Природен газ, пропан-бутан | 5V |
| MQ-6 | Бутан, пропан-бутан | 5V |
| MQ-7 | Въглероден окис | Алтернативи 5V / 1.4V |
| MQ-8 | водород | 5V |
| MQ-9 | Въглероден оксид, Запалими газове | Алтернативи 5V / 1.5V |
| MQ-131 | озон | 6V |
| MQ-135 | Бензен, алкохол, дим, качество на въздуха | 5V |
Сред тях, MQ-3, MQ-9 и MQ-135 са особено популярни за специфични приложения:
- MQ-3: Откриване на алкохол, етанол и в по-малка степен на дим и бензен. Често срещан в дрегери и системи за контрол на достъпа.
- MQ-9: За откриване на въглероден оксид (CO) и запалими газове като пропан-бутан, идеален за аларми за течове в кухни и работилници.
- MQ-135: Той анализира качеството на въздуха, откривайки амоняк (NH₃), азотни оксиди (NOx), бензен, CO₂, дим и алкохолни пари, което го прави изключително универсален в градска и лабораторна среда.
Общи характеристики на MQ сензорите
Освен разликите между моделите, повечето MQ сензори имат няколко сходни технически и потребителски характеристики:
- Чувствителност към множество газове: Въпреки че всеки сензор е оптимизиран за специфични газове, повечето реагират на повече от едно съединение, с различна интензивност.
- Двоен изход: Включете аналогов изход (стойност, пропорционална на концентрацията) и цифров изход (активира се, когато се превиши праг, регулируем с потенциометър).
- Те изискват загряване: Вътрешният нагревател трябва да достигне желаната температура за точни измервания. Препоръчва се първоначално изгаряне от минути до часове, последвано от няколко минути предварително загряване всеки път след стабилизиране.
- Значителна консумация: Нагревателят може да консумира до 800 mW, така че се препоръчва подходящо захранване, ако се използват няколко сензора.
- Стабилност и срок на годност: Благодарение на здравата си конструкция и електрохимичен дизайн, те предлагат дълъг живот, когато се използват по предназначение, особено по отношение на температура и влажност.
- Регулируема чувствителност: Използвайки вградения потенциометър, можете да променяте прага на цифровата аларма.
Практическа работа: от сензор до измерване
Използването на MQ сензори е лесно, но изисква известно внимание за получаване на надеждни данни. Основната връзка включва:
- Сензорът получава 5V (варира при някои модели).
- GND пинът се свързва със системната земя.
- Аналоговият изход (A0/AOUT) е свързан с аналогов вход на микроконтролера или с външен аналогово-цифров преобразувател (ADC), ако е необходимо.
- Цифровият изход (D0/DOUT) се свързва с цифров вход за аларми или събития.
Обработката на сигнала варира в зависимост от типа на изхода:
- Дигитално четене: Работи като превключвател, активирайки се, когато концентрацията надвиши зададения праг. Идеален за прости аларми.
- Аналогово отчитане: Позволява непрекъснато наблюдение на нивата на газ, полезно за пропорционални действия или визуализация.
Важно! Въпреки че MQ сензорите са точни при откриване на присъствие, използването им като количествени измервателни уреди изисква специфично калибриране във всяка среда и с всеки сензор, като се консултирате с информационните листове на производителя.
Калибриране, крива на чувствителност и изчисляване на концентрацията в PPM
Едно от основните предизвикателства е да се превърне четенето в надеждна концентрация, обикновено в PPMВсеки сензор има специфична крива на чувствителност, документирана в неговия информационен лист, която свързва съпротивлението на сензора при различни концентрации.
- Rs: Съпротивление на сензора в газовата проба.
- Ро: Почистете въздушното съпротивление или референтния елемент след първоначалното изгаряне.
Съотношението Rs/Ro ви позволява да оцените концентрацията в ppm, използвайки кривата от информационния лист. Основните стъпки за калибриране са:
- Работете на чист въздух по време на първоначалната стабилизация (където се получава Ro).
- Измерете напрежението при тези условия и изчислете Ro с: Ro = (RL x (Vcc – Vout)) / Vout.
- Измерете в присъствието на газ и изчислете Rs по същата формула, като използвате съответния Vout.
- Изчислете Rs/Ro и го потърсете на кривата, за да определите очакваната концентрация.
Този процес може да бъде автоматизиран в микроконтролерите, което позволява непрекъснато наблюдение и периодично калибриране за поддържане на точност.
Подробен пример за калибриране и употреба със сензора MQ-3 (алкохол)
El сензор MQ-3 Той се използва широко за откриване на алкохол във въздуха, в дрегери или в системи за контрол на достъпа. Работата му е подобна на тази на други MQ устройства, настроени за етанол и алкохол като цяло.
За да изградите система с Arduino, се препоръчва:
- Свържете по обичайната схема (VCC, GND, AOUT към аналогов вход, DOUT към цифров).
- Направете първоначалното „изгаряне“ в продължение на 24 до 48 часа, за да се стабилизира.
- Изчислете Ro в чист въздух с предишната формула, като използвате RL = 1kΩ (типично).
- Измерете Rs във всяка проба, изчислете Rs/Ro и го преобразувайте в концентрация, като използвате кривата в информационния лист.
Алгоритъмът на Arduino може да реализира функции за измерване, изчисление и показване, за да улесни контрола и събирането на данни при проекти за мониторинг на околната среда или дрегери.
Практически предимства и ограничения на MQ сензорите
Ползи:
- Ниска цена и наличност: Те са евтини и лесни за получаване, което позволява използването им в множество сензори.
- гъвкавост: Специализирани модели за много газове, откриващи много възможности в различни области.
- Лесна интеграция: Със стандартните модули и съвместимите библиотеки, включването им в системи е лесно.
- Двойни изходи: Цифров за аларми и аналогов за непрекъснато наблюдение.
- Обширна документация и общност: Улеснява ученето, решаването на проблеми и развитието.
Ограничения и предпазни мерки:
- Ограничена точност: Те не са заместител на професионалното оборудване, когато се изисква абсолютна точност.
- Кръстосана чувствителност: Те откриват множество газове и могат да фалшифицират резултатите в среди с различен състав.
- Немоментален отговор: Термичната и химическа инерция означава, че реакцията е относително бавна и възстановяването може да бъде удължено.
- Периодично калибриране: Важно е да се поддържа надеждност и точност.
- Консумация на енергия: Нагревателят може да консумира до 800 mW, което изисква внимание при системи с множество сензори.
- Условия на околната среда: Температурата и влажността влияят на точността, така че употребата трябва да бъде в съответствие със спецификациите на производителя.
Примери за интеграция и код за Arduino и микроконтролери
Интегрирането на MQ сензори в платформи като Arduino е много лесно, с налични примери и библиотеки. По-долу са дадени някои основни примери:
Цифрово отчитане
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);
}
Аналогово отчитане
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);
}
Изчисляване на концентрацията (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);
}
За да получите концентрацията в PPM, сравнете съотношението с логаритмичната крива, специфична за сензора, и интерполирайте съгласно информационния лист.
Разширени изчисления и класове за управление на сензори
За системи с множество MQ сензори е препоръчително логиката да се капсулира в специфични класове или функции, управляващи параметри като RO, криви, време, прагове и управление на цикъла на работа. Това улеснява поддръжката, калибрирането и надеждността на системата, като същевременно позволява допълнителни функции като наблюдение на аларми, интеграция с IoT и визуализация на данни.
