煙霧傳感器的資料.doc

第一部分：煙霧傳感器的知識(shí)煙感探測(cè)器工作原理煙霧探測(cè)器就是通過(guò)監(jiān)測(cè)煙霧的濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范的，煙霧探測(cè)器內(nèi)部采用離子式煙霧傳感，離子式煙霧傳感器是一種技術(shù)先進(jìn)，工作穩(wěn)定可靠的傳感器，被廣泛運(yùn)用到各種消防報(bào)警系統(tǒng)中，性能遠(yuǎn)優(yōu)于氣敏電阻類的火災(zāi)報(bào)警器。它在內(nèi)外電離室里面有放射源镅241，電離產(chǎn)生的正、負(fù)離子，在電場(chǎng)的作用下各自向正負(fù)電極移動(dòng)。在正常的情況下，內(nèi)外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。一旦有煙霧竄逃外電離室。干擾了帶電粒子的正常運(yùn)動(dòng)，電流，電壓就會(huì)有所改變，破壞了內(nèi)外電離室之間的平衡，于是無(wú)線發(fā)射器發(fā)出無(wú)線報(bào)警信號(hào)，通知遠(yuǎn)方的接收主機(jī)，將報(bào)警信息傳遞出去。離子式煙霧傳感器是一種技術(shù)先進(jìn)，工作穩(wěn)定可靠的傳感器，被廣泛運(yùn)用到各種消防報(bào)警系統(tǒng)中，性能遠(yuǎn)優(yōu)于氣敏電阻類的火災(zāi)報(bào)警器。它在內(nèi)外電離室里面有放射源镅241，電離產(chǎn)生的正、負(fù)離子，在電場(chǎng)的作用下各自向正負(fù)電極移動(dòng)。在正常的情況下，內(nèi)外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。一旦有煙霧竄逃外電離室。干擾了帶電粒子的正常運(yùn)動(dòng)，電流，電壓就會(huì)有所改變，破壞了內(nèi)外電離室之間的平衡，于是無(wú)線發(fā)射器發(fā)出無(wú)線報(bào)警信號(hào)，通知遠(yuǎn)方的接收主機(jī)，將報(bào)警信息傳遞出去；煙霧報(bào)警器就是通過(guò)監(jiān)測(cè)煙霧的濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范的，煙感器內(nèi)部采用離子式煙霧傳感，離子式煙霧傳感器是一種技術(shù)先進(jìn)，工作穩(wěn)定可靠的傳感器，被廣泛運(yùn)用到各種消防報(bào)警系統(tǒng)中，性能遠(yuǎn)優(yōu)于氣敏電阻類的火災(zāi)報(bào)警器。它在內(nèi)外電離室里面有放射源镅241，電離產(chǎn)生的正、負(fù)離子，在電場(chǎng)的作用下各自向正負(fù)電極移動(dòng)。在正常的情況下，內(nèi)外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。一旦有煙霧竄逃外電離室。干擾了帶電粒子的正常運(yùn)動(dòng)，電流，電壓就會(huì)有所改變，破壞了內(nèi)外電離室之間的平衡，于是無(wú)線發(fā)射器發(fā)出無(wú)線報(bào)警信號(hào)，通知遠(yuǎn)方的接收主機(jī)，將報(bào)警信息傳遞出去。第二部分：一份研究報(bào)告半導(dǎo)體煙霧傳感器調(diào)研報(bào)告肖國(guó)敏（西南交通大學(xué)材料學(xué)院，成都611756）摘要：本文在對(duì)生產(chǎn)生活中各類火災(zāi)、爆炸事故分析的基礎(chǔ)上，提出出來(lái)用傳感器檢測(cè)煙霧以減少火災(zāi)爆炸的發(fā)生和損失的必要性。對(duì)煙霧傳感器進(jìn)行應(yīng)用情況和需求分析知：目前市場(chǎng)煙霧傳感器種類繁多，但都存在著各種缺陷，不能滿足生產(chǎn)生活各個(gè)方面的廣泛需求。本文提出兩三種解決方案，以MQ-2型半導(dǎo)體可燃?xì)怏w敏感元件煙霧傳感器為例，介紹了其檢測(cè)原理和應(yīng)用。0引言隨著科技的發(fā)展，越來(lái)越多的巨大的隱患由于工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活而產(chǎn)生。為了早期發(fā)現(xiàn)和通報(bào)火災(zāi)，防止和減少火災(zāi)危害，保護(hù)人身和財(cái)產(chǎn)安全。保衛(wèi)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)，防止火災(zāi)引起燃燒、爆炸等事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及生命安全。為了減少這類事故的發(fā)生，就必須對(duì)煙霧進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)，采用先進(jìn)可靠的安全檢測(cè)儀表，嚴(yán)密監(jiān)測(cè)環(huán)境中煙霧的濃度，及早發(fā)現(xiàn)事故隱患，采取有效措施，避免事故發(fā)生，才能確保工業(yè)安全和家庭生活安全。因此，研究煙霧的檢測(cè)方法與研制煙霧報(bào)警器就成為傳感器技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。煙霧檢測(cè)報(bào)警裝置是能夠檢測(cè)環(huán)境中的煙霧濃度并具有報(bào)警功能的儀器。該報(bào)警裝置是石油化學(xué)工業(yè)、有氣體泄漏可能的生產(chǎn)工廠及家庭防火防爆必備的儀器。煙霧報(bào)警器屬于中華人民共和國(guó)強(qiáng)制檢定的工作計(jì)量器具目錄中第46項(xiàng)，它歸類于物理化學(xué)計(jì)量器具。建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范(GBJ16-87)第10.3.2條明確規(guī)定:“散發(fā)可燃煙霧、可燃蒸汽的甲類廠房和場(chǎng)所，應(yīng)設(shè)置煙霧濃度檢測(cè)報(bào)警裝置”。2003年12月，國(guó)家執(zhí)行新的煙霧探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)(GB15322-2003)可燃煙霧探測(cè)器，2004年10月國(guó)家頒布可燃煙霧檢測(cè)報(bào)警器規(guī)程JJG693-2004，對(duì)新型、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)可燃性氣體的，并合乎國(guó)家相關(guān)規(guī)定的半導(dǎo)體煙霧報(bào)警器進(jìn)行調(diào)研具有極其重要得意義。1煙霧報(bào)警器的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀國(guó)外從20世紀(jì)30年代開(kāi)始研究及開(kāi)發(fā)煙霧傳感器，且發(fā)展迅速，一方面是因?yàn)槿藗儼踩庾R(shí)增強(qiáng)，對(duì)環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是因?yàn)閭鞲衅魇袌?chǎng)增長(zhǎng)受到政府安全法規(guī)的推動(dòng)。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)1996年2002年煙霧傳感器年均增長(zhǎng)率為27%30%。隨著傳感器生產(chǎn)工藝水平逐步提高，傳感器日益小型化、集成度不斷增大，使得煙霧檢測(cè)儀器的體積也逐漸變小，提高了煙霧檢測(cè)儀器的便攜性，更加利于生產(chǎn)、運(yùn)輸及市場(chǎng)推廣。1963年5月，日本開(kāi)發(fā)完成第一臺(tái)接觸燃燒式家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器，次年12月其改良產(chǎn)品問(wèn)世，改良的報(bào)警器可以檢測(cè)燃?xì)狻⒁谎趸嫉葰怏w，可以安裝在浴室或者采用集中監(jiān)視。我國(guó)在70年代初期開(kāi)始研制煙霧報(bào)警器，生產(chǎn)型號(hào)多樣、品種較齊全，應(yīng)用范圍也由單一的煉油系統(tǒng)擴(kuò)展到幾乎所有危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境的各種類型報(bào)警器，產(chǎn)品數(shù)量也在不斷增加。但主要是在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的傳感器技術(shù)和先進(jìn)的生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)形成自己的特色。近年來(lái)，在煙霧選擇性和產(chǎn)品穩(wěn)定性上也有很大進(jìn)步。12煙霧傳感器檢測(cè)技術(shù)2.1煙霧傳感器構(gòu)成煙霧檢測(cè)報(bào)警器是能夠檢測(cè)環(huán)境中的煙霧濃度，并具有報(bào)警功能的儀器，儀器的最基本組成部分應(yīng)包括：煙霧信號(hào)采集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路。煙霧信號(hào)采集電路一般由煙霧傳感器和模擬放大電路組成，將煙霧信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬的電信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將從煙霧檢測(cè)電路送出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)后送入單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波處理，并對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，是否大于或等于某個(gè)預(yù)設(shè)值(也就是報(bào)警限)，如果大于則啟動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警聲音，反之則為正常狀態(tài)。為方便檢測(cè)與監(jiān)控，使儀器測(cè)試人員及用戶能夠直觀地觀察到環(huán)境中的可燃煙霧濃度值，可將濃度值送到顯示屏中。方便調(diào)節(jié)報(bào)警限，可以加入按鍵。為使報(bào)警裝置更加完善，可以在聲音報(bào)警基礎(chǔ)上，加入光閃報(bào)警，變化的光信號(hào)可以引起用戶注意，彌補(bǔ)嘈雜環(huán)境中聲音報(bào)警的局限。以上是根據(jù)報(bào)警器應(yīng)具備的功能，提出此類傳感器的總體原理和方案。圖2.1可燃性氣體檢測(cè)報(bào)警器結(jié)構(gòu)框圖1作者簡(jiǎn)介：肖國(guó)敏（1990-）,男，湖北天門(mén)人，西南交大材料學(xué)院08級(jí)本科生，學(xué)號(hào)：20085029，E-mail:，指導(dǎo)老師：彭朝勇，調(diào)研時(shí)間：2011年3月。煙霧傳感器及單片機(jī)是可燃煙霧檢測(cè)報(bào)警器的兩大核心，根據(jù)報(bào)警器功能的需要，選擇合適、精確、經(jīng)濟(jì)的煙霧傳感器及單片機(jī)芯片是至關(guān)重要的。本次調(diào)研的重點(diǎn)是煙霧傳感器中的傳感檢測(cè)技術(shù)，故接下來(lái)主要介紹本次調(diào)研的重點(diǎn)：幾類煙霧傳感器中的傳感器類。2.2煙霧傳感器的選型煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，是氣-電變換器，它將可燃性氣體在空氣中的含量(即濃度)轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到單片機(jī)，進(jìn)而由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、濃度處理及報(bào)警控制等工作。傳感器作為煙霧檢測(cè)報(bào)警器的信號(hào)采集部分，是儀表的核心組成部分之一。由此可見(jiàn)，傳感器的選型是非常重要的。2.2.1煙霧傳感器介紹(1)煙霧傳感器的分類煙霧傳感器種類繁多，從檢測(cè)原理上可以分為三大類：(a)利用物理化學(xué)性質(zhì)的煙霧傳感器：如半導(dǎo)體煙霧傳感器、接觸燃燒煙霧傳感器等。(b)利用物理性質(zhì)的煙霧傳感器：如熱導(dǎo)煙霧傳感器、光干涉煙霧傳感器、紅外傳感器等。(c)利用電化學(xué)性質(zhì)的煙霧傳感器：如電流型煙霧傳感器、電勢(shì)型氣體傳感器等。(2)煙霧傳感器應(yīng)滿足的基本條件一個(gè)煙霧傳感器可以是單功能的，也可以是多功能的；可以是單一的實(shí)體，也可以是由多個(gè)不同功能傳感器組成的陣列。但是，任何一個(gè)完整的煙霧傳感器都必須具備以下條件：(a)能選擇性地檢測(cè)某種單一煙霧，而對(duì)共存的其它煙霧不響應(yīng)或低響應(yīng)；(b)對(duì)被測(cè)煙霧具有較高的靈敏度，能有效地檢測(cè)允許范圍內(nèi)的煙霧濃度；(c)對(duì)檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)速度快，重復(fù)性好；(d)長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性好；(e)使用壽命長(zhǎng)；(f)制造成本低，使用與維護(hù)方便。2.2.2煙霧傳感器的選定煙霧檢測(cè)報(bào)警器主要應(yīng)用在石油、化工、冶金、油庫(kù)、液化氣站、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃煙霧泄漏的場(chǎng)所，根據(jù)報(bào)警器檢測(cè)煙霧種類的要求，一般選用接觸燃燒式煙霧傳感器和半導(dǎo)體煙霧傳感器。使用接觸燃燒式傳感器，其探頭的阻緩及中毒，是不可避免的問(wèn)題。阻緩是當(dāng)在煙霧與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下，則有可能在無(wú)焰燃燒的同時(shí)，有些固態(tài)物質(zhì)附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應(yīng)緩慢反應(yīng)滯緩，靈敏度降低。中毒是如果環(huán)境空氣中含有硅烷之類的物質(zhì)時(shí)，則傳感器將使催化元件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的中毒，以致靈敏度很快就喪失。當(dāng)懷疑檢測(cè)環(huán)境中存在這些物質(zhì)時(shí)，經(jīng)常對(duì)探頭進(jìn)行標(biāo)定，是必須且有效的辦法。半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器，它具有靈敏度高，響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體煙霧傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性(抗干擾性)和穩(wěn)定性(使用壽命)。經(jīng)過(guò)對(duì)比上述兩種煙霧傳感器的應(yīng)用特性，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體煙霧傳感器的優(yōu)點(diǎn)更加突出：靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價(jià)格便宜，且不會(huì)發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護(hù)成本較低等。因此，在煙霧傳感器傳感檢測(cè)技術(shù)中，采用半導(dǎo)體煙霧傳感器作為報(bào)警器煙霧信息采集部分的核心。3半導(dǎo)體煙霧傳感器3.1半導(dǎo)體煙霧傳感器介紹半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器。按敏感機(jī)理分類，可分為電阻型和非電阻型。半導(dǎo)體氣敏元件也有N型和P型之分。N型在檢測(cè)時(shí)阻值隨煙霧濃度的增大而減??；P型阻值隨煙霧濃度的增大而增大。半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類如表2.2所示。表半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類所利用的特性工作溫度表面電阻控制器300450C類型所利用的特性工作溫度代表性被檢測(cè)氣體電阻型電阻表面電阻控制器300450C可燃性氣體體電阻控制器300450C700C以上乙醇、可燃性氣體非電阻型二極管整流特性室溫200CH2、CO、乙醇晶體管特性150CH2、H2S因此本文以MQ-2型煙霧傳感器（屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，屬于表面離子式N型半導(dǎo)體）為例說(shuō)明煙霧傳感檢測(cè)技術(shù)在生產(chǎn)生活中應(yīng)用的調(diào)研結(jié)論。3.2MQ-2型煙霧傳感器的工作原理當(dāng)處于200300C溫度時(shí)，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當(dāng)與煙霧接觸時(shí)，如果晶粒間界處的勢(shì)壘受到該煙霧的調(diào)制而變化，就會(huì)引起表而電導(dǎo)率的變化。利用這一點(diǎn)就可以獲得這種煙霧存在的信息。遇到可燃煙霧（如CH4等）時(shí)，原來(lái)吸附的氧脫附，而由可燃煙霧以正離子狀態(tài)吸附在二氧化錫半導(dǎo)體表面；氧脫附放出電子，煙霧以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子，從而使二氧化錫半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加，電阻值下降。而當(dāng)空氣中沒(méi)有煙霧時(shí)，二氧化錫半導(dǎo)體-又會(huì)自動(dòng)恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是MQ-2型燃性煙霧傳感器檢測(cè)可燃煙霧的基本原理。MQ-2型傳感器的結(jié)構(gòu)圖如圖3.2.1所示，其外觀如3.2.2所示。圖3.2.1MQ-2型傳感器的結(jié)構(gòu)圖圖3.2.2MQ-2型傳感器的外觀3.3MQ-2型傳感器的特性及主要技術(shù)指標(biāo)(1)MQ-2型傳感器的一般特點(diǎn)(a)MQ-2型傳感器對(duì)天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對(duì)烷類煙霧更為敏感。(b)MQ-2型傳感器具有良好的重復(fù)性和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。初始穩(wěn)定，響應(yīng)時(shí)間短，長(zhǎng)時(shí)間工作性能好。(c)MQ-2型傳感器具有良好的抗干擾性，可準(zhǔn)確排除有刺激性非可燃性煙霧的干擾信息，例如酒精和煙霧等。(d)電路設(shè)計(jì)電壓范圍寬，24V以下均可；加熱電壓50.2V。(2)MQ-2型傳感器的特性參數(shù)(a)回路電壓：(Vc)524V(b)取樣電阻：(RL)0.120K(c)加熱電壓：(VH)50.2V(d)加熱功率：(P)約750mW(e)靈敏度：以甲烷為例R0(air)/RS(0.1%CH4)5(f)響應(yīng)時(shí)間：Tres10秒(g)恢復(fù)時(shí)間：Trec30秒4煙霧傳感器應(yīng)用燃?xì)鈭?bào)警器可分為民用火災(zāi)煙霧報(bào)警器、工業(yè)用煙霧報(bào)警器、有毒有害煙霧報(bào)警器三大系列產(chǎn)品。(1)民用火災(zāi)煙霧報(bào)警器民用火災(zāi)煙