Mga Chemoresistive Sensor: Ano ang mga ito, kung paano gumagana ang mga ito, mga uri, at praktikal na mga halimbawa sa MQ-135, MQ-9, at MQ-3

Ang mga pag-unlad sa pagtuklas ng gas ay nagbagong-buhay sa mga elektronikong tahanan at pang-industriya, na nagbibigay ng abot-kaya at simpleng mga aparato para sa pagsubaybay sa kapaligiran at pagprotekta sa kalusugan at kaligtasan. Sa larangang ito, Mga sensor ng chemoresistive ng serye ng MQ Sila ay naging isang kailangang-kailangan na sanggunian para sa parehong mga mahilig sa electronics at mga propesyonal na interesado sa kontrol sa kalidad ng hangin, pag-iwas sa panganib, o ang disenyo ng mga bagong application ng IoT.

Kung narating mo na ito, malamang na gusto mong malaman nang eksakto Ano ang chemoresistive sensor?, kung gaano katiyak ang mga modelo tulad ng MQ-135, MQ-9 o MQ-3, at kung anong mga praktikal na pagkakaiba ang umiiral sa pagitan nila. Ihanda ang iyong sarili dahil ang artikulong ito ay higit pa sa isang simpleng kahulugan: dito makikita mo ang isang detalyadong paliwanag, totoong buhay na mga halimbawa, mga tagubilin sa koneksyon at mga detalye ng pagkakalibrate, pati na rin ang lahat ng mga susi sa pag-unawa at pagsasama ng mga device na ito sa sarili mong mga proyekto.

Ano ang chemoresistive sensor?

Un Ang chemoresistive sensor ay isang device na may kakayahang mag-detect at magsukat ng konsentrasyon ng ilang mga gas o chemical compound sa hangin. Sa pamamagitan ng pagbabago ng panloob na resistensya ng kuryente. Kapag na-expose ang sensor sa isang partikular na substance—gaya ng carbon monoxide, ammonia, alcohol, o benzene, bukod sa iba pa—ang electrical resistance ng isang sensitibong materyal (karaniwan ay tin oxide, SnO₂, doped kasama ng iba pang compound) ay nagbabago nang proporsyonal sa konsentrasyon ng gas na iyon.

Ang mga sensor na ito, na malawakang ginagamit para sa kanilang mababang gastos, pagiging maaasahan, at kadalian ng pagsasama, ay ginagamit sa kontrol sa kalidad ng kapaligiran, pag-aautomat sa bahay, mga alarma sa pagtagas, pagkontrol sa lason, at daan-daang iba pang mga application.

Paano gumagana ang chemoresistive sensor

Ang pangunahing prinsipyo ng chemoresistive sensor, karaniwan sa pamilya ng MQ, ay batay sa tatlong pangunahing elemento:

• Sensitibong materyal: Ang isang layer ng materyal, kadalasang tin oxide, ay idineposito sa isang ceramic na ibabaw. Ang materyal na ito ay tumutugon sa kemikal sa mga nakapalibot na gas, na masusukat na binabago ang kondaktibiti nito.
• Panloob na pampainit: Ang isang maliit na filament ay nagsisilbing pampainit, na pinapanatili ang temperatura ng sensor sa pinakamainam na temperatura para sa mabilis at tumpak na mga reaksiyong kemikal.
• Circuit ng divider ng boltahe: Ang sensor ay gumagana bilang isang variable na risistor, na bumubuo ng isang divider ng boltahe kasama ang isang risistor (RL), na nagpapahintulot sa mga pagkakaiba-iba na basahin ng isang microcontroller, analog-digital converter o sa pamamagitan lamang ng isang threshold comparator.

Ang proseso ay ang mga sumusunod: sa pamamagitan ng paglalapat ng boltahe, pinapainit ng heater ang sensitibong pellet. Kapag ang target na gas ay naroroon, ang panloob na pagtutol (Rs) ay nag-iiba. Sa pamamagitan ng pagsukat ng output boltahe, ang konsentrasyon ng gas na naroroon ay maaaring mahinuha. Hindi tulad ng mga digital sensor, ang pamilya ng MQ ay karaniwang nagbibigay ng parehong a analog na output na proporsyonal sa nakitang antas, tulad ng isang output ng digital na alarma na isinaaktibo kapag lumampas ang isang threshold adjustable na may potentiometer.

MQ Family: Mga Uri ng Sensor at Mga Aplikasyon Nito

Ang saklaw ng sensor ng MQ ay malawak, at ang bawat modelo ay dalubhasa sa pagtukoy ng isa o higit pang mga sangkap. Ginagawa nitong lubos na maraming nalalaman, ngunit nangangailangan din ito ng masusing pag-unawa sa sensitivity ng bawat sensor upang piliin ang tama para sa bawat pangangailangan.

Inililista ng sumusunod na talahanayan ang mga pinakakaraniwang modelo at ang mga gas kung saan na-optimize ang mga ito, pati na rin ang inirerekomendang boltahe para sa heater:

Kabilang sa mga ito, ang MQ-3, MQ-9 at MQ-135 lalo na sikat para sa mga partikular na application:

• MQ-3: Pagtuklas ng alkohol, ethanol, at sa mas mababang antas, usok at benzene. Karaniwan sa mga breathalyzer at access control system.
• MQ-9: Para sa pag-detect ng carbon monoxide (CO) at mga nasusunog na gas gaya ng LPG, mainam para sa mga alarma sa pagtagas sa mga kusina at workshop.
• MQ-135: Sinusuri nito ang kalidad ng hangin, pag-detect ng ammonia (NH₃), nitrogen oxides (NOx), benzene, CO₂, usok at singaw ng alkohol, na ginagawa itong lubos na maraming nalalaman sa mga kapaligiran sa lunsod at laboratoryo.

Mga karaniwang tampok ng mga sensor ng MQ

Higit pa sa mga pagkakaiba sa pagitan ng mga modelo, karamihan sa mga sensor ng MQ ay may iilan magkatulad na katangiang teknikal at paggamit:

• Multi-gas sensitivity: Bagama't ang bawat sensor ay na-optimize para sa mga partikular na gas, karamihan ay tumutugon sa higit sa isang compound, na may iba't ibang intensity.
• Dobleng output: Isama analog na output (halagang proporsyonal sa konsentrasyon) at digital na output (naisaaktibo kapag lumampas ang isang threshold na nababagay ng potentiometer).
• Nangangailangan sila ng warming up: Ang panloob na pampainit ay dapat umabot sa temperatura para sa tumpak na mga sukat. Inirerekomenda ang isang paunang burn-in ng minuto hanggang oras, na sinusundan ng ilang minuto ng pag-preheating sa bawat oras pagkatapos ng stabilization.
• Mahalagang pagkonsumo: Maaaring kumonsumo ng hanggang 800 mW ang heater, kaya inirerekomenda ang angkop na power supply kung maraming sensor ang ginagamit.
• Katatagan at buhay ng istante: Salamat sa kanilang matatag na konstruksyon at electrochemical na disenyo, nag-aalok sila ng mahabang buhay kapag ginamit ayon sa direksyon, lalo na sa mga tuntunin ng temperatura at halumigmig.
• Naaayos na sensitivity: Gamit ang pinagsamang potentiometer, na nagpapahintulot sa digital alarm threshold na mabago.

Praktikal na operasyon: mula sa sensor hanggang sa pagsukat

Ang paggamit ng mga sensor ng MQ ay simple ngunit nangangailangan ng ilang pangangalaga upang makakuha ng maaasahang data. Kasama sa pangunahing koneksyon ang:

• Ang sensor ay tumatanggap ng 5V (nag-iiba sa ilang mga modelo).
• Ang GND pin ay kumokonekta sa system ground.
• Ang analog output (A0/AOUT) ay naka-link sa isang analog input ng microcontroller o sa isang panlabas na ADC kung kinakailangan.
• Ang digital output (D0/DOUT) ay kumokonekta sa isang digital input para sa mga alarma o kaganapan.

Ang pagpoproseso ng signal ay nag-iiba depende sa uri ng output:

1. Digital na pagbabasa: Gumagana ito tulad ng isang switch, na nag-a-activate kapag ang konsentrasyon ay lumampas sa itinakdang threshold. Tamang-tama para sa mga simpleng alarma.
2. Analog na pagbabasa: Nagbibigay-daan sa pagsubaybay sa mga antas ng gas sa tuluy-tuloy na sukat, kapaki-pakinabang para sa mga proporsyonal na pagkilos o visualization.

Mahalaga! Bagama't tumpak ang mga sensor ng MQ sa pagtukoy ng presensya, kinakailangan ang kanilang paggamit bilang mga quantitative meter tiyak na pagkakalibrate sa bawat kapaligiran at sa bawat sensor, pagkonsulta sa mga datasheet ng gumawa.

Pag-calibrate, sensitivity curve at pagkalkula ng konsentrasyon sa PPM

Isa sa mga pangunahing hamon ay ang pagbabago ng pagbabasa sa maaasahang konsentrasyon, kadalasan sa PPMAng bawat sensor ay may partikular na sensitivity curve, na nakadokumento sa data sheet nito, na nag-uugnay sa resistensya ng sensor sa iba't ibang konsentrasyon.

• Rs: Ang paglaban ng sensor sa sample ng gas.
• Ro: Malinis na air resistance o reference pagkatapos ng paunang burn-in.

Ang Rs/Ro ratio ay nagbibigay-daan sa iyo na tantyahin ang konsentrasyon sa ppm gamit ang datasheet curve. Ang mga pangunahing hakbang sa pagkakalibrate ay:

1. Gumana sa malinis na hangin sa panahon ng paunang pagpapapanatag (kung saan nakuha ang Ro).
2. Sukatin ang boltahe sa ilalim ng mga kundisyong ito at kalkulahin ang Ro gamit ang: Ro = (RL x (Vcc – Vout)) / Vout.
3. Sukatin sa presensya ng gas at kalkulahin ang Rs na may parehong formula, gamit ang kaukulang Vout.
4. Kalkulahin ang Rs/Ro at hanapin ito sa curve upang matukoy ang tinantyang konsentrasyon.

Ang prosesong ito ay maaaring awtomatiko sa mga microcontroller, na nagpapahintulot sa patuloy na pagsubaybay at pana-panahong pagkakalibrate upang mapanatili ang katumpakan.

Detalyadong halimbawa ng pagkakalibrate at paggamit sa MQ-3 (Alcohol) sensor

El sensor MQ-3 Ito ay malawakang ginagamit upang makita ang alkohol sa hangin, sa mga breathalyzer, o sa mga kontrol sa pag-access. Ang operasyon nito ay katulad ng iba pang MQ, na nakatutok para sa ethanol at alkohol sa pangkalahatan.

Upang bumuo ng isang sistema gamit ang Arduino, inirerekomenda:

• Ikonekta ang pagsunod sa karaniwang pamamaraan (VCC, GND, AOUT sa analog input, DOUT sa digital).
• Gawin ang paunang "burn-in" sa loob ng 24 hanggang 48 na oras upang maging matatag.
• Kalkulahin ang Ro sa malinis na hangin gamit ang nakaraang formula, gamit ang RL = 1kΩ (typical).
• Sukatin ang Rs sa bawat sample, kalkulahin ang Rs/Ro at i-convert sa konsentrasyon gamit ang curve sa datasheet.

Ang Arduino algorithm ay maaaring magpatupad ng mga function ng pagsukat, pagkalkula, at pagpapakita upang mapadali ang kontrol at pagkuha ng data sa pagsubaybay sa kapaligiran o mga proyekto ng breathalyzer.

Mga praktikal na pakinabang at limitasyon ng mga sensor ng MQ

Benepisyo:

• Mababang gastos at kakayahang magamit: Ang mga ito ay mura at madaling makuha, na nagpapahintulot sa kanilang paggamit sa maraming mga sensor.
• Kakayahang magbago: Mga dalubhasang modelo para sa maraming gas, na nagbubukas ng maraming posibilidad sa iba't ibang larangan.
• Dali ng pagsasama: Sa mga karaniwang module at mga katugmang library, ang pagsasama ng mga ito sa mga system ay madali.
• Dobleng mga output: Digital para sa mga alarma at analog para sa patuloy na pagsubaybay.
• Malawak na dokumentasyon at komunidad: Pinapadali ang pag-aaral, paglutas ng problema at pag-unlad.

Mga limitasyon at pag-iingat:

• Limitadong katumpakan: Ang mga ito ay hindi isang kapalit para sa mga propesyonal na kagamitan kapag ang ganap na katumpakan ay kinakailangan.
• Cross-sensitivity: Nakikita nila ang maraming gas, at maaaring ma-false ang mga resulta sa mga kapaligirang may iba't ibang komposisyon.
• Hindi instant na tugon: Ang thermal at chemical inertia ay nangangahulugan na ang reaksyon ay medyo mabagal at ang paggaling ay maaaring matagalan.
• Pana-panahong pagkakalibrate: Mahalagang mapanatili ang pagiging maaasahan at katumpakan.
• Pagkonsumo ng enerhiya: Ang heater ay maaaring kumonsumo ng hanggang 800 mW, na nangangailangan ng pagsasaalang-alang sa mga system na may maraming sensor.
• Mga ambientales ng Condiciones: Ang temperatura at halumigmig ay nakakaapekto sa katumpakan, kaya ang paggamit ay dapat na alinsunod sa mga detalye ng tagagawa.

Mga halimbawa ng pagsasama at code para sa Arduino at mga microcontroller

Ang pagsasama ng mga sensor ng MQ sa mga platform tulad ng Arduino ay napakasimple, na may mga magagamit na halimbawa at mga aklatan. Nasa ibaba ang ilang pangunahing halimbawa:

Digital readout

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 na pagbabasa

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);
}

Pagkalkula ng konsentrasyon (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);
}

Upang makakuha ng konsentrasyon sa PPM, ihambing ang ratio sa logarithmic curve na partikular sa sensor at i-interpolate ayon sa datasheet.

Mga advanced na kalkulasyon at mga klase sa pamamahala ng sensor

Para sa mga system na may maraming MQ sensor, ipinapayong i-encapsulate ang logic sa mga partikular na klase o function, pamamahala ng mga parameter gaya ng RO, curves, timing, threshold, at burn-in cycle management. Pinapadali nito ang pagpapanatili, pagkakalibrate, at pagiging maaasahan ng system, habang pinapagana din ang mga karagdagang feature gaya ng pagsubaybay sa alarma, pagsasama ng IoT, at visualization ng data.

Kaugnay na artikulo:

Kumpletong Gabay sa MQ-2 Sensor para sa Arduino: Operasyon at Mga Application