Kemoresistive sensorer: Hvad de er, hvordan de fungerer, typer og praktiske eksempler med MQ-135, MQ-9 og MQ-3

Fremskridt inden for gasdetektion har revolutioneret elektronik i hjemmet og industrien og har leveret overkommelige og enkle enheder til overvågning af miljøet og beskyttelse af sundhed og sikkerhed. Inden for dette område, MQ-serien kemoresistive sensorer De er blevet en uundværlig reference for både elektronikentusiaster og fagfolk, der er interesserede i luftkvalitetskontrol, risikoforebyggelse eller design af nye IoT-applikationer.

Hvis du er kommet så langt, er du sikkert nysgerrig efter at vide præcis Hvad er en kemoresistiv sensor?, hvordan specifikke modeller som f.eks. MQ-135, MQ-9 eller MQ-3, og hvilke praktiske forskelle der er mellem dem. Forbered dig, for denne artikel går langt ud over en simpel definition: her finder du en detaljeret forklaring, eksempler fra det virkelige liv, tilslutningsinstruktioner og kalibreringsdetaljer, samt alle nøglerne til at forstå og integrere disse enheder i dine egne projekter.

Hvad er en kemoresistiv sensor?

Un En kemoresistiv sensor er en enhed, der er i stand til at detektere og måle koncentrationen af ​​bestemte gasser eller kemiske forbindelser i luften. Ved at ændre dens interne elektriske modstand. Når sensoren udsættes for et specifikt stof – såsom kulilte, ammoniak, alkohol eller benzen, blandt andre – ændres den elektriske modstand i et følsomt materiale (normalt tinoxid, SnO₂, doteret med andre forbindelser) proportionalt med koncentrationen af ​​den pågældende gas.

Disse sensorer, der er bredt anvendt på grund af deres lave omkostninger, pålidelighed og nemme integration, bruges i miljøkvalitetskontrol, hjemmeautomation, lækagealarmer, giftkontrol og hundredvis af andre applikationer.

Hvordan en kemoresistiv sensor fungerer

Det grundlæggende princip for kemoresistive sensorer, som er fælles for MQ-familien, er baseret på tre hovedelementer:

• Følsomt materiale: Et lag af materiale, normalt tinoxid, aflejres på en keramisk overflade. Dette materiale reagerer kemisk med de omgivende gasser og ændrer dermed dets ledningsevne målbart.
• Intern varmelegeme: En lille filament fungerer som en varmelegeme og holder sensorens temperatur på den optimale temperatur for hurtige og præcise kemiske reaktioner.
• Spændingsdelerkredsløb: Sensoren fungerer som en variabel modstand, der danner en spændingsdeler sammen med en modstand (RL), som gør det muligt at aflæse variationerne af en mikrocontroller, analog-digital-konverter eller simpelthen via en tærskelkomparator.

Processen er som følger: Ved at påføre spænding opvarmer varmelegemet den følsomme pille. Når målgassen er til stede, varierer den indre modstand (Rs). Ved at måle udgangsspændingen kan koncentrationen af ​​den tilstedeværende gas udledes. I modsætning til rent digitale sensorer leverer MQ-familien typisk både en analog udgang proportional med det detekterede niveau, som en digital alarmudgang som aktiveres, når en tærskelværdi, der kan indstilles med et potentiometer, overskrides.

MQ-familien: Sensortyper og deres anvendelser

MQ-sensorudvalget er omfattende, og hver model er specialiseret i at detektere et eller flere stoffer. Dette gør dem ekstremt alsidige, men det kræver også en grundig forståelse af hver sensors følsomhed for at vælge den rigtige til hvert behov.

Følgende tabel viser de mest almindelige modeller og de gasser, de er optimeret til, samt den anbefalede spænding til varmelegemet:

Blandt disse er MQ-3, MQ-9 og MQ-135 er særligt populære til specifikke anvendelser:

• MQ-3: Detektion af alkohol, ethanol og i mindre grad røg og benzen. Almindelig i alkometre og adgangskontrolsystemer.
• MQ-9: Til detektering af kulilte (CO) og brandfarlige gasser såsom LPG, ideel til lækagealarmer i køkkener og værksteder.
• MQ-135: Den analyserer luftkvaliteten og detekterer ammoniak (NH₃), nitrogenoxider (NOx), benzen, CO₂, røg og alkoholdamp, hvilket gør den yderst alsidig i by- og laboratoriemiljøer.

Almindelige funktioner ved MQ-sensorer

Ud over forskellene mellem modellerne har de fleste MQ-sensorer et par lignende tekniske og brugsmæssige egenskaber:

• Multigasfølsomhed: Selvom hver sensor er optimeret til specifikke gasser, reagerer de fleste på mere end én forbindelse med varierende intensitet.
• Dobbelt udgang: Omfatte analog udgang (værdi proportional med koncentrationen) og digital udgang (aktiveres når en tærskelværdi, der kan justeres med potentiometer, overskrides).
• De kræver opvarmning: Den interne varmelegeme skal nå op på temperaturen for at opnå nøjagtige målinger. Det anbefales at indlede en indledende opvarmning på minutter til timer, efterfulgt af et par minutters forvarmning hver gang efter stabilisering.
• Mærkeligt forbrug: Varmeapparatet kan forbruge op til 800 mW, så en passende strømforsyning anbefales, hvis der anvendes flere sensorer.
• Stabilitet og holdbarhed: Takket være deres robuste konstruktion og elektrokemiske design tilbyder de lang levetid, når de bruges som anvist, især med hensyn til temperatur og fugtighed.
• Justerbar følsomhed: Ved hjælp af det integrerede potentiometer kan den digitale alarmtærskel ændres.

Praktisk betjening: fra sensor til måling

Det er enkelt at bruge MQ-sensorer, men det kræver en vis omhu for at opnå pålidelige data. Den grundlæggende forbindelse omfatter:

• Sensoren modtager 5V (varierer på nogle modeller).
• GND-benet er forbundet til systemjord.
• Den analoge udgang (A0/AOUT) er forbundet med en analog indgang på mikrocontrolleren eller til en ekstern ADC, hvis det er nødvendigt.
• Den digitale udgang (D0/DOUT) forbindes til en digital indgang til alarmer eller hændelser.

Signalbehandling varierer afhængigt af udgangstypen:

1. Digital aflæsning: Den fungerer som en kontakt, der aktiveres, når koncentrationen overstiger den indstillede tærskel. Ideel til simple alarmer.
2. Analog aflæsning: Tillader overvågning af gasniveauer på en kontinuerlig skala, nyttigt til proportionelle handlinger eller visualisering.

Vigtigt! Selvom MQ-sensorer er nøjagtige til at detektere tilstedeværelse, kræver deres brug som kvantitative målere specifik kalibrering i hvert miljø og med hver sensor, idet der henvises til producentens datablade.

Kalibrering, følsomhedskurve og koncentrationsberegning i PPM

En af de største udfordringer er at omsætte læsning til pålidelig koncentration, normalt i PPMHver sensor har en specifik følsomhedskurve, dokumenteret i databladet, som relaterer sensorens modstand ved forskellige koncentrationer.

• R'er: Sensormodstand i gasprøven.
• Ro: Rengør luftmodstand eller reference efter indledende indbrænding.

Rs/Ro-forholdet giver dig mulighed for at estimere koncentrationen i ppm ved hjælp af databladskurven. De grundlæggende kalibreringstrin er:

1. Arbejd i ren luft under den indledende stabilisering (hvor Ro udvindes).
2. Mål spændingen under disse forhold og beregn Ro med: Ro = (RL x (Vcc – Vout)) / Vout.
3. Mål i nærvær af gassen og beregn Rs med samme formel, ved brug af den tilsvarende Vout.
4. Beregn Rs/Ro og slå det op på kurven for at bestemme den estimerede koncentration.

Denne proces kan automatiseres i mikrocontrollere, hvilket muliggør kontinuerlig overvågning og periodisk kalibrering for at opretholde nøjagtigheden.

Detaljeret eksempel på kalibrering og brug med MQ-3 (alkohol) sensoren

El sensor MQ-3 Den bruges i vid udstrækning til at detektere alkohol i luften, i alkometer eller i adgangskontroller. Dens funktion ligner andre MQ'er, der er indstillet til ethanol og alkohol generelt.

For at bygge et system med Arduino anbefales det at:

• Tilslut efter den sædvanlige ordning (VCC, GND, AUUT til analog indgang, DOUT til digital indgang).
• Foretag den indledende "indbrænding" i 24 til 48 timer for at stabilisere sig.
• Beregn Ro i ren luft med den foregående formel, hvor RL = 1kΩ (typisk) bruges.
• Mål Rs i hver prøve, beregn Rs/Ro og omregn til koncentration ved hjælp af kurven i databladet.

Arduino-algoritmen kan implementere måle-, beregnings- og visningsfunktioner for at lette kontrol og dataindsamling i miljøovervågnings- eller alkometerprojekter.

Praktiske fordele og begrænsninger ved MQ-sensorer

Fordele:

• Lav pris og tilgængelighed: De er billige og nemme at få fat i, hvilket gør dem tilgængelige i flere sensorer.
• alsidighed: Specialiserede modeller til mange gasser, der åbner op for mange muligheder inden for forskellige områder.
• Nem integration: Med standardmoduler og kompatible biblioteker er det nemt at integrere dem i systemer.
• Dobbelte udgange: Digital til alarmer og analog til kontinuerlig overvågning.
• Omfattende dokumentation og fællesskab: Fremmer læring, problemløsning og udvikling.

Begrænsninger og forholdsregler:

• Begrænset præcision: De er ikke en erstatning for professionelt udstyr, når absolut nøjagtighed er påkrævet.
• Krydsfølsomhed: De detekterer flere gasser og kan forfalske resultater i miljøer med varierende sammensætninger.
• Ikke-øjeblikkelig respons: Termisk og kemisk inerti betyder, at reaktionen er relativt langsom, og at genopretningen kan forlænges.
• Periodisk kalibrering: Det er vigtigt at opretholde pålidelighed og nøjagtighed.
• Energiforbrug: Varmeapparatet kan forbruge op til 800 mW, hvilket kræver hensyntagen i systemer med flere sensorer.
• Forudsætninger ambientales: Temperatur og luftfugtighed påvirker nøjagtigheden, så brugen skal ske i overensstemmelse med producentens specifikationer.

Integration og kodeeksempler til Arduino og mikrocontrollere

Det er meget enkelt at integrere MQ-sensorer i platforme som Arduino, med eksempler og biblioteker tilgængelige. Nedenfor er nogle grundlæggende eksempler:

Digital aflæsning

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);
}

Analog aflæsning

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);
}

Koncentrationsberegning (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);
}

For at få koncentrationen i PPM skal forholdet sammenlignes med den logaritmiske kurve, der er specifik for sensoren, og interpoleres i henhold til databladet.

Avancerede beregninger og sensorstyringskurser

For systemer med flere MQ-sensorer anbefales det at indkapsle logikken i specifikke klasser eller funktioner, der administrerer parametre som RO, kurver, timing, tærskler og styring af indbrændingscyklusser. Dette letter systemvedligeholdelse, kalibrering og pålidelighed, samtidig med at det muliggør yderligere funktioner som alarmovervågning, IoT-integration og datavisualisering.

relateret artikel:

Komplet guide til MQ-2-sensoren til Arduino: Betjening og applikationer