气敏传感器QM-N5在矿井中的应用

摘要：通过气敏传感器采集信息，555定时器转化信号来检测矿井中瓦斯的浓度，以避免更多的人员伤亡。用气敏传感器QM-N5采集矿井中信息，通过555定时器转换成数字信号，再通过温湿度补偿电路滤除一些随机干扰，最后进行显示与报警。提出了一套完整的测量矿井中瓦斯浓度的方案。该方案结构简洁可靠，能够测量矿井中瓦斯的浓度。
关键词：QM-N5；555定时器；报警器；瓦斯浓度测量

    近年来在煤矿生产过程中由于瓦斯浓度超限而引起重大事故常有发生，而每次事故的发生都会造成人员伤亡，不仅对伤亡人员的家庭带来沉重的灾难，也给国民经济带来巨大损失，所以矿井中瓦斯的防治追在眉睫。本文介绍了一种基于QM-N5气敏传感器检测矿井瓦斯浓度测量的方法。气敏传感器QM-N5是以金属氧化物SO2为主体材料的N型半导体气敏元件，它灵敏度高、响应速度快、输出信号大、稳定可靠；在(5± 0．5)V交直流电源下工作，使用方便，所需外围元器件少；可用于检测甲烷、酒精、氢气、硫化氢等多种气体。

1 设计方案
    设计方案如图1所示。它包括传感器及外围电路、555定时器电路、显示报警电路等3部分。传感器及外围电路封装于小型屏蔽容器内，固定于矿井墙壁上。QM-N5气敏传感器采集矿井中气体的浓度，并输出相应的电压信号；经555定时器电路转变成数字信号，经温湿度补偿电路的判断与处理，如果是外界环境温湿度的变化引起阻值变化，继续扫描外界环境气体的浓度，并将气体浓度的值显示于LED。当超过安全范围时给出报警，提醒矿井中的工作人员迅速撤离，并即时通风换气。

2 传感器及外围电路的设计
    方案拟采用以金属氧化物SO2为主体材料的N型半导体QM-N5作为气敏传感器。该器件以555定时器电路的复位端进行触发。
2．1 QM-N5的主要技术指标
    工作电压AC或DC(5±0．5)V；回路电压最大DC24 V；负载电阻2 kΩ；清洁空气中电阻小于等于4 000 kΩ；灵敏度大于等于4(1 000 ppm C4H10)；响应时间小于等于10 s；恢复时间小于等于30 s；检测范围为50～10 000ppm。
2．2 QM-N5的测试电路
    QM-N5是检测C4H10浓度的测量系统。它有两个电极，一是工作电极Vh，二是回路电极Vc。R为电位器，调节QM-N5气体传感器AB之间电阻的大小。Vout为输出信号电压。基本测试电路如图2所示。
2．3 QM-N5使用注意事项
    元件开始通电工作时，没有接触可燃性气体，其电导率急剧增加1 min后达到稳定，这时方可正常使用；加热电压的改变会直接影响元件的性能，所以在规定的电压范围内使用为佳；使用温度-15～+35℃；相对湿度45％～75％RH；大气压力80～106 kPa；为避免腐蚀性气体及油污染，长期使用，需防止堵塞防爆不锈钢网。
2．4 555定时器电路
    555定时器电路是一块介于模拟与数字电路的一种混合电路。图3为555的内部电路，可以看出，有2个比较器，1个触发器，1个倒相器，1个晶体管和若干电阻构成。两个比较器组成模拟电路，触发器为数字电路。

    555为8脚封装的器件。其中，1脚(GND)为接地脚；2脚(TL)为低电平触发端；3脚(Q)为电路的输出端；4脚()为复位端，低电平有效；5脚(V-C)为电压控制端；6脚(TH)为阈值输入端；7脚(DIS)为放电端；8脚(VCC)为电源电压端，其电压范围3～18V。

3 电路原理分析
    图4是矿井瓦斯超限报警电路原理。7805为三端集成稳压器。气敏传感器QM-N5和电位器RP组成瓦斯气体检测电路；555定时器电路为转换、触发电路；555定时器和扬声器组成报警电路。当矿井中无瓦斯或瓦斯浓度很低时，气敏传感器QM-N5的A-B极间导电率很小，电位器RP滑动触点的电压过小。555定时器电路的4脚有效，经反相放大后，555定时器电路的3脚输出低电平，扬声器不发声，反之，报警。

    当环境温湿度变化时，可能会产生误报或漏报，所以在原电路的基础上加上温湿度补偿电路。555定时器3脚的信号接在图5运算放大器A的反相输入端，热敏电阻接在运算放大器A的同相输入端。由于选用气敏传感器QM-N5的温度系数与热敏电阻RT的温度系数相同或接近，因此当环境温湿度升高，气敏电阻RT的阻值下降，从而实现了温湿度补偿。

4 结语
    通过分析瓦斯在矿井的危害，提出了利用气敏传感器QM-N5和555定时器来澍量矿井瓦斯浓度的一套方案。主要介绍了QM-N5传感器、555定时器的组成。采用温湿度补偿电路的方法滤除一些随机干扰。该方案电路简洁，设计可靠性较高，对于矿井检测瓦斯的浓度有较好的借鉴。