环境监测课设

XX大学课程设计（论文）室内环境测量设计方案摘要随着经济的发展，人们对生活质量的提高、生活环境的改善以及对生产安全性的越来越重视，天然气、液化气逐步走入普通家庭，但随之而来的是使用天然气带来的安全隐患。本设计方案主要利用MQ-4气敏传感器气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化的原理，搭建外围电路，构成一个简易监测厨房天然气浓度的报警系统，旨在对厨房天然气浓度进行实时监测，及时发现火灾等隐患。本方案由气体检测电路、第1级开关电路、第2级开关电路、防止电源接通瞬间误报警电路以及蜂鸣器电路构成，根据检测到天然气浓度的不同分为两级报警，实现实时监控及时报警。关键词：气敏传感器MQ-4，室内天然气泄漏，实时监测系统目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章绪论 1\o"CurrentDocument"1.1课题背景 1\o"CurrentDocument"1.2系统需求分析 1\o"CurrentDocument"第二章气敏传感器介绍及传感器的选择 2\o"CurrentDocument"2.1气敏传感器的分类及工作原理 22.1.1半导体气敏传感器 22.1.2光学气敏传感器 22.1.3接触燃烧式气敏传感器 32.1.4电化学气敏传感器 3\o"CurrentDocument"2.2各种气敏传感器的反应机理和优缺点综述 4\o"CurrentDocument"2.3气敏传感器的选择 4\o"CurrentDocument"第三章气敏传感器的应用技术 6\o"CurrentDocument"3.1气敏传感器输出电压获取方式 6\o"CurrentDocument"3.2气敏传感器的温度补偿电路 6\o"CurrentDocument"3.3气敏传感器的误动作防止电路 7\o"CurrentDocument"第四章系统方案设计 8\o"CurrentDocument"4.1方案一 8\o"CurrentDocument"4.2方案二 8\o"CurrentDocument"第五章总结 11参考文献 12第一章绪论1.1课题背景随着经济的发展，人们对生活质量的提高、生活环境的改善以及生活安全性的提高越来越重视。现在液化气、天然气等作为清洁能源，使用越来越普遍。但是随着燃气的广泛使用，在给人们带来方便的同时，也给人们带来了潜在的危险。燃气在使用过程中易发生泄漏事故，少量的燃气泄漏通常没有太大的危害。但是，如果空气中泄漏的燃气量较大，就会引起空气中有较高浓度的可燃性气体，一旦达到极限浓度，遇明火易发生爆炸、火灾等安全事故。由于燃气的使用率越来越高，燃气泄漏引发的爆炸、中毒和火灾等事故时有发生，对人们的生活和城市安全造成较大的影响。西安“11・14”爆炸事件造成10死36伤，无疑给市民敲响了安全的警钟。对室内有害气体浓度进行实时、有效地监测与报警已迫在眉睫。为了准确、高效的进行燃气泄漏监测，在发生泄漏事故时，及时发出燃气泄漏报警，本文提出利用气敏传感器，完成对厨房内天然气浓度的监测以及报警。提高了燃气泄漏监测报警的准确性、精确性和及时性。1.2系统需求分析通过分析家庭厨房的具体应用场景，得到以下几个基本特征：1、 燃气泄漏具有速度快、危害大的特征，发生事故必须要得到快速处理，启动应急措施。2、 一旦发生燃气泄漏，必须得到实时处理，启动应急措施，而且要做到全天候实时监测。3、 一般家庭中缺少专业人员，不能进行系统长期维护和更新设备。因此，针对以上基本特征，天然气监测系统的基本功能需求如下：1、 监测系统的快速性。由于天然气泄漏时，由浓度高地的方向浓度低得地方扩散，具有一定的迟滞性，若能够最快的监测出天然气泄漏，则能给危险的排除抢得最佳时间。又由于泄漏点的不确定性，所以本系统利用多个气敏传感器分布于多个区域进行监测。2、 精确的报警判断和有效的报警处理。要确保系统具有较高的稳定性，防止漏报、误报。能对泄漏现场迅速做出相应的处理。3、 采集节点的低功耗设计。受到厨房内布线困难因素的制约，传感器采集节点不能采用电源供电方式，必须采用电池供电。且没有专业人员的维护，电池需要连续工作至少一年以上。第二章气敏传感器介绍及传感器的选择2.1气敏传感器的分类及工作原理根据气敏元件的不同，气体传感器可分为半导体气体传感器，红外吸收式气敏传感器，接触燃烧式气敏传感器以及利用电极和电解液对气体进行检测的电化学传感器等。2.1.1半导体气敏传感器半导体气敏传感器的敏感元件大多是以金属氧化物半导体为基础材料，可分为电阻式和非电阻式两种。当被测气体在半导体表面吸附后，使半导体敏感材料的电学特性（例如电导率）发生变化，通过测量其变化，就可以实现对气体的检测。优点：成本低，反应快，灵敏度高，湿度影响小。缺点：必须高温工作，对气体选择性差。2.1.2光学气敏传感器光学气敏传感器可以工作在红外波段和紫外一可见光波段大多数气体分子的振动和转动光谱都在红外波段。当入射红外辐射的频率与分子的振动转动特征频率相同时，红外辐射就会被气体分子所吸收，引起辐射强度的衰减。典型的红外吸收式气敏传感器结构如图 2-1所示。红外光源产生的红外光入射到测量槽，照射到某种被测气体时，根据气体种类不同，将对不同波长的红外光具有不同的吸收特性，同种气体不同浓度对红外光的吸收量也不同。因此，通过测量到达光敏元件的红外光的强度，根据红外光源的波长和光敏元件输出的电信号就可以知道被测气体的种类和浓度。JII；■颁 J==L|_UTrX稣。/st承图2-1量子型红外光敏元件气敏传感器的构成某些材料和特定气体接触反应后其在紫外一可见光波段的吸收光谱会发生变化，比如甲基红在酸性气氛中会发生变色。用此类材料作为敏感第2页总12页元件可以在紫外一可见光波段实现对气体的检测。光学气敏传感器精度高、选择性好，气敏度范围宽，是钢铁，石化，化肥，机械等工业部门生产流程控制的重要监测手段；在环境污染成分检测和医学生理研究等方面也都有许多成功的应用。其缺点是价格偏高，使用和维护难度较大。2.1.3接触燃烧式气敏传感器典型的接触式燃烧式气敏传感器结构与电路原理图如图2-2所示。氧化催化剂中埋设有白金等金属线，工作时金属圈中通电流使温度保持在300〜600°C，当可燃气体接触传感器表面时会发生燃烧，所产生的热量使金属丝进一步温度升高，致使电阻值增大，导致电桥失衡产生输出。不同种类不同浓度的可燃气体燃烧产生的热量不同，对应不同的电路输出。(b>(b>图2-2接触燃烧式气敏传感器结构与电路原理接触燃烧式气敏传感器一般用于石油化工、造船厂、矿山及隧道等场合，以检测石油类可燃烧性气体的存放情况和防止危险事故发生。优点：对气体选择性好，线性好，受温度、湿度影响小，响应快。缺点：对低浓度的可燃性气体的气体敏感度低，敏感元件受到催化剂的侵害后其特性锐减，金属丝易断。2.1.4电化学气敏传感器电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。典型的电化学传感器由传感电极（或工作电极）和反电极组成，并由一个薄电解层隔开。气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，然后是憎水屏障，最终到达传感电极表面发生反应，以形成充分的电信号，通过电极间连接的电阻器，与被测气浓度成正比的电流会在正极与负极间流动。测量该电流即可确定气体浓度。电化学气敏传感器主要用于相对封闭环境中有毒有害气体的检测，比如矿井、居室、工作间等地对CO，H2S和甲醛等的监测和报警。优点：选择性好，反应迅速，灵敏度高，可实时连续检测。缺点：易受环境影响，价格较高。

2.2各种气敏传感器的反应机理和优缺点综述表2-1各种气敏传感器的反应机理和优缺点综述分类反应机理优缺点半导体气敏传感器通过测定气体接触前后半导体电性质变化来检测气体浓度和种类优点：成本低，反应快，灵敏度高，湿度影响小缺点：对气体选择性差光学气敏传感器利用气体不同浓度不同种类对于不同红外波长的吸收特性检测气体优点：精度、选择性好，气敏度范围宽缺点：价格偏高，使用和维护难度较大接触可燃式气敏传感器利用气体燃烧产生热量后电阻变化值来检测气体浓度和种类优点：输出与浓度成正比，再现性好，受温湿度影响小缺点：抗震性差，对于有毒气体反应差电化学气敏传感器不同浓度气体产生对应电信号来检测特定气体的浓度优点：灵敏度高，气体选择性好，在一定浓度可作分析仪器缺点：价格较高，易受环境影响2.3气敏传感器的选择对照表2-2分析，从经济、维护难度、灵敏度、受温湿度影响等角度综合来考虑，本系统采用半导体气敏传感器。虽然其对气体的选择性差，但由于本系统中将其用于对厨房内天然气的检测，所以对气体选择性要求并不高，半导体气敏传感器完全足以。半导体气敏传感器又分为电阻式与非电阻式，如表x-x所示。根据北侧气体以及工作温度，本系统采用表面控制性电阻式半导体气敏传感器。表2-2半导体气敏传感器分类主要物理特性传感器举例工作温度代表性被测气体电阻式表面控制型氧化锡、氧化锌室温~450°C可燃性气体体控制型氧化钛、氧化钻氧化镁、氧化锡300~450C700C以上酒精、可燃气体、氧气非电阻式表面电位氧化银室温硫醇二极管整流特性铂/硫化镉、铂/氧化钛室温~200C氢气、一氧化碳、酒精晶体管特性铂栅MOS场效应管150C氢气、硫化氢资料显示，此类气敏传感器型号较多，例如：MQ216、MQ306A、MQ-9、

MQ-4等等，在询问了价格，比较性能之后，最终本系统选用—MQ-4。其主要参数如表2-3所示表2-3MQ-4性能参数表被测气体天然气、甲烷检测浓度（ppm）300-10000标准测试电路5.0V+0.1V加热电压5.0V+0.2VAC或DC敏感体表面电阻RS2KQ-20KQ标准测试条件温度、湿度20°C±2°C；65%±5%RH第三章气敏传感器的应用技术3.1气敏传感器输出电压获取方式本系统选用半导体气敏传感器监测厨房天然气等有害浓度。半导体气敏传感器采用加热器对气敏元件进行加热，这时，加热器的加热温度对气敏传感器的特性有很大影响。为此，加热器的电压恒定是非常重要的。另外，气敏传感器的消耗功率不能超过额定值，否则会损坏气敏元件。则气敏元件的若输入电压为U.，传感器的电阻为Rs，负载电阻为Rl，消耗功率ps可按下式求得，即SL则气敏元件的（3-1）（&（3-1）（&）是与气敏

若检测到有气敏传感器输出电压获取方式如图3-1所示。其中，图传感器串联电阻R，该电阻的电压降就是传感器的输出电压。害气体，传感器的气敏元件的阻值降低，这时，R两端电压就会升高，从而，输出电压发生变化。考虑所确定浓度气体中气敏元件的阻值来决定R一 -一 SA输出高电平，控制后续电路工作，这1阻值，对于一般的应用，传感器的输出电压为2V〜3V时，则后续电路的处理就非常方便。图（b）是将传感器的输出接到比较器A输出高电平，控制后续电路工作，这13）通过串联电阻获取输出电压（b）简单的气体检测电路图3）通过串联电阻获取输出电压（b）简单的气体检测电路图3-1气敏传感器输出电压获取方式3.2气敏传感器的温度补偿电路半导体气敏传感器子气体中的电阻值与温度及湿度有关。温度和湿度低时，阻值较大；温度和湿度高时，阻值较小。为此，即使相同阻值的气体浓度也不同，需要进行补偿。如图3-2所示，它是在比较器A1的反相输第6页总12页

入端（基准电压端）介入的负温度系数的热敏电阻Rt，在温度降低时，rt阻值增大，则反相输入端的基准电压降低；而温度升高时基准电压增大，从而跟踪温度的变化达到补偿的目的。热敏电阻的B系数根据所用的气体传感器的温度依存性选定，通常选用B常数为3700~4000的热敏电阻，对很多半导体气敏传感器都能进行温度补偿。但采用热敏电阻时，不能在高低温都达到理想的补偿效果，这时需要灵敏地检测到气体时，优先考虑低温补偿即可。图3-1温度补偿电路3.3气敏传感器的误动作防止电路半导体气敏传感器的阻值在加电后不能马上稳定下来，从低阻到高阻逐渐趋于稳定。为防止接通电源后控制电路误动作，可采用图3-2所示电路。它是在接通电源后延迟一段时间VT1才导通，因此，在接通电源的一定时间内继电器K不动作。二极管VD1为电源断开时电容C1蓄积的电荷泄放提供通路，否则，电源断开后，电容C1中的电荷会使电路再次导通造成电路误动作。第四章系统方案设计4.1方案一QM-4连接U2578驱动器，驱动LED，通过LED亮灯的个数来显示天然气的浓度，实现实时监测。如图4-1所示。图4-1方案一电路图U2578是LED条形驱动器的集成电路，其输出量（LED点亮只数）与输入电压呈线性关系。LED被点亮的只数取决于输出端⑦脚电位的高低。当⑦<0.18V时，②〜⑥为低电平，LED1~LED5不亮；⑦=0.18V时，LED1亮；⑦=0.18V时，LED］、LED2亮；⑦=0.84V时，LED1~LED3亮；⑦=1.19V时，led1~led4亮；©=2V时，led1~led5亮。采用低功耗、高灵敏度的QM-4型气敏检测管，它和Rp组成气敏检测电路，气敏检测信号从RP的中心端旋臂输出。QM-4不接触可燃性气体时，A-B高阻，⑦脚电压趋于0V，QM-4接触一定可燃性气体浓度时，A-B电阻变很小，⑦趋于0.18V，浓度越高，LED1~LED5点亮只数越多。该系统，虽然能检测泄露天然气的浓度，但是由于气敏传感器受湿度影响大的特点，在正常情况下，半导体气敏传感器子气体中的电阻值与温度及湿度有关。需要进行温湿补偿度，且半导体气敏传感器的阻值加电后不能马上稳定下来，会引起误动作。所以不采用本设计方案。4.2方案二根据有害气体的浓度不同分两级报警。如图4-2所示。电路有气体检测电路、第1级开关电路、第2级开关电路、防止电源接通瞬间误报警电路以及蜂鸣器电路德国构成。接通电源后，LED1亮。LED2不亮，蜂鸣器不发声。由于半导体气敏传感器在不同点状态放置时会吸附水分，接通电第8页总12页源瞬间，即使气体浓度非常低，传感器的阻值也会下降。未来防止这种情―况时电路的误报警，接入电阻R10和电容C4构成的延迟电路。当传感器检测到有害气体时，阻值要降低，第1级开关电路中A1输出低电平，使VT1和VT2构成的多谢振荡器工作，LED1和LED2闪亮，发出第1级报警信号。气体浓度在增加，第2级开关电路中A2输出地电平，LED1灭，LED2亮，蜂鸣器发声进行第2级报警。电路中，热敏电阻Rt用于补偿传感器电阻受温度变化的影响。本系统中，考虑了温度的补偿、防止了接通电源瞬间的误报警以及对天然气浓度超标时的报警。本次设计采用此方案。但是，该系统也存在不足，如不能进行远程报警。我设想在该方案电路再增加一级切断家庭电源，并打开换气扇，同时通过网关通讯给住户发送短信。但