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

Fremskritt innen gassdeteksjon har revolusjonert hjemme- og industrielektronikk, og har gitt rimelige og enkle enheter for å overvåke miljøet og beskytte helse og sikkerhet. På dette feltet, MQ-serien kjemoresistive sensorer De har blitt en uunnværlig referanse for både elektronikkentusiaster og fagfolk som er interessert i luftkvalitetskontroll, risikoforebygging eller design av nye IoT-applikasjoner.

Hvis du har kommet så langt, er du sannsynligvis nysgjerrig på å vite nøyaktig Hva er en kjemoresistiv sensor?, hvordan spesifikke modeller som f.eks. MQ-135, MQ-9 eller MQ-3, og hvilke praktiske forskjeller det finnes mellom dem. Gjør deg klar, for denne artikkelen går langt utover en enkel definisjon: her finner du en detaljert forklaring, eksempler fra virkeligheten, tilkoblingsinstruksjoner og kalibreringsdetaljer, samt alle nøklene til å forstå og integrere disse enhetene i dine egne prosjekter.

Hva er en kjemoresistiv sensor?

Un En kjemoresistiv sensor er en enhet som er i stand til å oppdage og måle konsentrasjonen av visse gasser eller kjemiske forbindelser i luften. Ved å endre den interne elektriske motstanden. Når sensoren utsettes for et spesifikt stoff – som for eksempel karbonmonoksid, ammoniakk, alkohol eller benzen, blant andre – endres den elektriske motstanden til et følsomt materiale (vanligvis tinnoksid, SnO₂, dopet med andre forbindelser) proporsjonalt med konsentrasjonen av den gassen.

Disse sensorene, som er mye brukt på grunn av lave kostnader, pålitelighet og enkle integrering, brukes i miljøkvalitetskontroll, hjemmeautomasjon, lekkasjealarmer, giftkontroll og hundrevis av andre applikasjoner.

Hvordan en kjemoresistiv sensor fungerer

Det grunnleggende prinsippet for kjemoresistive sensorer, som er felles for MQ-familien, er basert på tre hovedelementer:

Sensitivt materiale: Et lag med materiale, vanligvis tinnoksid, avsettes på en keramisk overflate. Dette materialet reagerer kjemisk med de omkringliggende gassene, og endrer dermed konduktiviteten målbart.
Intern varmeovn: En liten glødetråd fungerer som en varmeovn og holder sensorens temperatur på optimal temperatur for raske og nøyaktige kjemiske reaksjoner.
Spenningsdelerkrets: Sensoren fungerer som en variabel motstand, og danner en spenningsdeler sammen med en motstand (RL), som gjør at variasjonene kan leses av en mikrokontroller, analog-digital-omformer eller ganske enkelt gjennom en terskelkomparator.

Prosessen er som følger: ved å påføre spenning varmer varmeren opp den følsomme pelleten. Når målgassen er til stede, varierer den indre motstanden (Rs). Ved å måle utgangsspenningen kan konsentrasjonen av den tilstedeværende gassen utledes. I motsetning til rent digitale sensorer gir MQ-familien vanligvis både en analog utgang proporsjonal med det detekterte nivåetsom en digital alarmutgang som aktiveres når en terskel som kan justeres med et potensiometer overskrides.

MQ-familien: Sensortyper og deres bruksområder

MQ-sensorutvalget er omfattende, og hver modell spesialiserer seg på å detektere ett eller flere stoffer. Dette gjør dem ekstremt allsidige, men det krever også en grundig forståelse av hver sensors følsomhet for å velge den rette for hvert behov.

Tabellen nedenfor viser de vanligste modellene og gassene de er optimalisert for, samt anbefalt spenning for varmeren:

Model	Gasser oppdaget	Varmeelementmating
MQ-2	Metan, butan, LPG, røyk	5V
MQ-3	Alkohol, etanol, røyk	5V
MQ-4	Metan, naturgass	5V
MQ-5	Naturgass, LPG	5V
MQ-6	Butan, LPG	5V
MQ-7	Karbonmonoksid	Veksler mellom 5V og 1.4V
MQ-8	Hydrogen	5V
MQ-9	Karbonmonoksid, brannfarlige gasser	Veksler mellom 5V og 1.5V
MQ-131	ozon	6V
MQ-135	Benzen, alkohol, røyk, luftkvalitet	5V

Blant disse er MQ-3, MQ-9 og MQ-135 er spesielt populære for spesifikke bruksområder:

MQ-3: Påvisning av alkohol, etanol og i mindre grad røyk og benzen. Vanlig i alkometre og adgangskontrollsystemer.
MQ-9: For å oppdage karbonmonoksid (CO) og brannfarlige gasser som LPG, ideell for lekkasjealarmer på kjøkken og i verksteder.
MQ-135: Den analyserer luftkvaliteten og oppdager ammoniakk (NH₃), nitrogenoksider (NOx), benzen, CO₂, røyk og alkoholdamp, noe som gjør den svært allsidig i by- og laboratoriemiljøer.

Vanlige funksjoner ved MQ-sensorer

Utover forskjellene mellom modellene, har de fleste MQ-sensorer noen få lignende tekniske og bruksmessige egenskaper:

Multigassfølsomhet: Selv om hver sensor er optimalisert for spesifikke gasser, reagerer de fleste på mer enn én forbindelse, med varierende intensitet.
Dobbel utgang: Inkludere analog utgang (verdi proporsjonal med konsentrasjonen) og digital utgang (aktiveres når en terskel som kan justeres med potensiometer overskrides).
De krever oppvarming: Den interne varmeren må nå temperaturen for nøyaktige målinger. En innledende innvarming på minutter til timer anbefales, etterfulgt av noen minutters forvarming hver gang etter stabilisering.
Merkbart forbruk: Varmeapparatet kan forbruke opptil 800 mW, så en passende strømforsyning anbefales hvis flere sensorer brukes.
Stabilitet og holdbarhet: Takket være den robuste konstruksjonen og det elektrokjemiske designet, tilbyr de lang levetid når de brukes som anvist, spesielt med tanke på temperatur og fuktighet.
Justerbar følsomhet: Ved hjelp av det integrerte potensiometeret kan den digitale alarmterskelen endres.

Praktisk drift: fra sensor til måling

Det er enkelt å bruke MQ-sensorer, men det krever litt forsiktighet for å få pålitelige data. Den grunnleggende tilkoblingen inkluderer:

Sensoren mottar 5 V (varierer på enkelte modeller).
GND-pinnen kobles til systemjord.
Den analoge utgangen (A0/AOUT) er koblet til en analog inngang på mikrokontrolleren eller til en ekstern ADC om nødvendig.
Den digitale utgangen (D0/DOUT) kobles til en digital inngang for alarmer eller hendelser.

Signalbehandlingen varierer avhengig av utgangstypen:

Digital lesing: Den fungerer som en bryter, og aktiveres når konsentrasjonen overstiger den innstilte terskelen. Ideell for enkle alarmer.
Analog lesing: Tillater kontinuerlig overvåking av gassnivåer, nyttig for proporsjonale handlinger eller visualisering.

Viktig! Selv om MQ-sensorer er nøyaktige i å detektere tilstedeværelse, krever bruken av dem som kvantitative målere spesifikk kalibrering i hvert miljø og med hver sensor, i henhold til produsentens datablad.

Kalibrering, følsomhetskurve og konsentrasjonsberegning i PPM

En av hovedutfordringene er å omdanne lesing til pålitelig konsentrasjon, vanligvis i PPMHver sensor har en spesifikk følsomhetskurve, dokumentert i databladet, som relaterer sensorens motstand ved forskjellige konsentrasjoner.

rs: Sensormotstand i gassprøven.
Ro: Rengjør luftmotstand eller referanse etter innledende innbrenning.

Rs/Ro-forholdet lar deg estimere konsentrasjonen i ppm ved hjelp av databladkurven. De grunnleggende kalibreringstrinnene er:

Operer i ren luft under den første stabiliseringen (der Ro utvinnes).
Mål spenningen under disse forholdene og beregn Ro med: Ro = (RL x (Vcc – Vout)) / Vout.
Mål i nærvær av gassen og beregn Rs med samme formel, ved å bruke tilsvarende Vout.
Beregn Rs/Ro og søk det opp på kurven for å bestemme den estimerte konsentrasjonen.

Denne prosessen kan automatiseres i mikrokontrollere, noe som muliggjør kontinuerlig overvåking og periodisk kalibrering for å opprettholde nøyaktigheten.

Detaljert eksempel på kalibrering og bruk med MQ-3 (alkohol)-sensoren

El sensor MQ-3 Den er mye brukt til å oppdage alkohol i luften, i alkometre eller i adgangskontroller. Driften ligner på andre MQ-er, innstilt for etanol og alkohol generelt.

For å bygge et system med Arduino anbefales det:

Koble til i henhold til vanlig skjema (VCC, GND, AUUT til analog inngang, DOUT til digital).
Gjør den første «innbrenningen» i 24 til 48 timer for å stabilisere seg.
Beregn Ro i ren luft med den forrige formelen, med RL = 1 kΩ (typisk).
Mål Rs i hver prøve, beregn Rs/Ro og konverter til konsentrasjon ved hjelp av kurven i databladet.

Arduino-algoritmen kan implementere måle-, beregnings- og visningsfunksjoner for å forenkle kontroll og datainnsamling i miljøovervåkings- eller alkometerprosjekter.

Praktiske fordeler og begrensninger med MQ-sensorer

Fordeler:

Lav kostnad og tilgjengelighet: De er rimelige og enkle å få tak i, noe som gjør at de kan brukes i flere sensorer.
allsidighet: Spesialiserte modeller for mange gasser, noe som åpner opp mange muligheter innen forskjellige felt.
Enkel integrasjon: Med standardmoduler og kompatible biblioteker er det enkelt å integrere dem i systemer.
Doble utganger: Digital for alarmer og analog for kontinuerlig overvåking.
Omfattende dokumentasjon og fellesskap: Legger til rette for læring, problemløsning og utvikling.

Begrensninger og forholdsregler:

Begrenset presisjon: De er ikke en erstatning for profesjonelt utstyr når absolutt nøyaktighet er nødvendig.
Kryssfølsomhet: De oppdager flere gasser, og kan forfalske resultater i miljøer med varierende sammensetninger.
Ikke-øyeblikkelig respons: Termisk og kjemisk treghet betyr at reaksjonen er relativt langsom og at restitusjonen kan vare lenge.
Periodisk kalibrering: Det er viktig å opprettholde pålitelighet og nøyaktighet.
Energiforbruk: Varmeapparatet kan forbruke opptil 800 mW, noe som krever hensyn i systemer med flere sensorer.
Condiciones ambientales: Temperatur og fuktighet påvirker nøyaktigheten, så bruken bør være i samsvar med produsentens spesifikasjoner.

Integrasjon og kodeeksempler for Arduino og mikrokontrollere

Det er veldig enkelt å integrere MQ-sensorer i plattformer som Arduino, med eksempler og biblioteker tilgjengelig. Nedenfor er noen grunnleggende eksempler:

Digital avlesning

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 avlesning

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);
}

Konsentrasjonsberegning (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 å finne konsentrasjonen i PPM, sammenlign forholdet med den logaritmiske kurven som er spesifikk for sensoren og interpoler i henhold til databladet.

Avanserte beregninger og sensorstyringskurs

For systemer med flere MQ-sensorer anbefales det å innkapsle logikken i spesifikke klasser eller funksjoner, og administrere parametere som RO, kurver, timing, terskler og håndtering av innbrenningssykluser. Dette forenkler systemvedlikehold, kalibrering og pålitelighet, samtidig som det muliggjør tilleggsfunksjoner som alarmovervåking, IoT-integrasjon og datavisualisering.

Relatert artikkel:

Komplett guide til MQ-2-sensoren for Arduino: Drift og applikasjoner

Hardwarelibre