气敏传感器信号采集系统设计

清华大学2012届毕业设计说明书

表3.4 MQ-4传感器结构 1 2 3 4 5 6 7 8 9 部件 气体敏感层 电极 测量电极引线 加热器 陶瓷管 防爆网 卡环 基座 针状管脚 材料 二氧化锡 金（Au） 铂（Pt） 镍铬合金（Ni-Cr） 三氧化二铝 100目双层不锈钢（SUB316） 镀镍铜材（Ni-Cu） 胶木 镀镍铜材（Ni-Cu）

图3.1 MQ-4气敏元件的外形和结构图

MQ-4气敏元件的外形和结构如图3.1所示，由微型AL2O3陶瓷管，SnO2敏感层，测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。传统测量电路如图3.2所示。

图3.2 MQ-4气敏元件的传统测试电路

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图3.3 MQ-4型气敏元件的灵敏度特性

图3.3给出了MQ-4型气敏元件的灵敏度特性，其中温度：20℃、相对湿度：65%、氧气浓度21%、RL=20KΩ。Rs=元件在不同气体，不同浓度下的电阻值。Ro=元件在洁净空气下的电阻值。

图3.4 MQ-4型元件的温湿度特性

图3.4给出了MQ-4型气敏元件的温湿度特性，其中Ro：20℃，33%RH条件下，1000ppm甲烷中元件电阻；Rs：不同温度，湿度下，1000ppm甲烷中元件电阻。

灵敏度调整：MQ-4型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。根据建议用5000ppm甲烷校准传感器。

3.1.2 传感器连接电路

在本系统中，我们采用的是MQ-4电阻型甲烷气体传感器，当含有甲烷的气体被MQ-4气体传感器表面吸附时，传感器的电阻值将发生变化，随着气体浓度的增大，传感器的电阻值降得越低。

气敏传感器在常温下施加5V的加热电压，传感器便可以得到约250℃的温度，此时传感器对气体敏感性较好。但外界温度若发生变化，将导致敏感膜的温度在250℃为基

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清华大学2012届毕业设计说明书 准的温度变化，那么传感器所给出的信号将是一个带着温度干扰的信号。为了减小包括温度干扰信号在内的诸多干扰信号，本课题拟采用桥路法信号测量电路的方法，其示意图如下[6][7]。

图3.5 传感器桥式连接示意图

用两个MQ-4以及两个Rc=60KΩ的温度补偿电阻构成桥路进行测试，气体传感器的敏感电阻变化范围为10KΩ-60KΩ，桥式电路的输出计算公式为

Vo??Rxg*Vi （3.1）

Rc?Rx??Rxg?2?Rb △Rxg-传感器敏感电阻的变化值； △Rb-受温度影响电阻的变化值； Rx-气敏传感器的敏感膜电阻值。

由式3.1计算得桥式电路的输出范围为0～3.57V。 3.1.3 AD623介绍

AD623是一个集成单电源仪表放大器，它能在单电源(+3V～+12V)下提供满电源幅度的输出，AD623 允许使用单个增益设置电阻进行增益编程，以得到良好的用户灵活性。在无外接电阻的条件下，AD623被设置为单位增益；外接电阻后，AD623 可编程设置增益，其增益最高可达1000 倍。AD623通过提供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比(ac cmrr)而保持最小的误差，线路噪声及谐波将由于共模抑制比在高达200hz 时仍保持恒定而受到抑制。虽然AD623在单电源方式进行优化设计，但当它工作于双电源(±2.5～±6v)时,仍能提供优良的性能。低功耗(3v时1.5mw) 、宽电源电压范围、满电源幅度输出。其引脚排列如图3.6所示。

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图3.6 AD623引脚图

图3.7 为AD623 的原理图。输入信号加到作为电压缓冲器的pnp晶体管上，并且提供一个共模信号到输入放大器，每个放大器接入一个精确的50kΩ的反馈电阻，以保证增益可编程。差分输出为

V0?[1?100K?]Vc （3.2） Rg然后差分电压通过输出放大器转变为单端电压。6脚的输出电压以5 脚的电位为基准进行测量。基准端(5脚)的阻抗是100kΩ，在需要电压/电流转换的应用中仅仅需要在5脚与6脚之间连接一只小电阻。+Vs和-Vs接双极性电源(Vs=±2.5V～±6V)或单电源( + Vs =3.0V～12V，-Vs=0)。靠近电源引脚处加电容去耦。去耦电容最好选用0.1μf的瓷片电容和10μf 的钽电解电容。不同方式的接线图如图3.8（a，b)所示[8]。AD623 的增益g 由Rg 进行电阻编程，或更准确的说，由1 脚和8 脚之间的阻抗来决定。Rg 可以由以下公式计算。

Rg?100K?/(G?1) （3.3）

图3.7 AD623原理图

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