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传感器课程期末论文
基于气敏传感器的厨房火灾报警系统
摘要：
厨房是人们日常生活的重要活动场所之一。
随着我国经济的飞速发展，厨房也经历了一场变革，许多市民家庭、酒楼饭店实现了厨房电气化，但同时也增加了火灾负荷。
近年来因为厨房失火而造成的火灾频繁发生，不仅极大地影响了民众生活，对财产造成了极大破坏，更有可能危及人们的生命。
厨房火灾的危害性不容轻视。
本文基于以上考虑，通过基于气敏传感器的厨房火灾报警系统设计，旨在尽早提醒人们厨房火灾将要发生或已经发生，及早发现灾害，进行灭火措施的操作，避免火灾的发生，尽量减少其危害。
该报警系统适用于一般家庭厨房、酒楼饭店较大型的厨房。
关键词：
厨房火灾气敏传感器报警系统
TheKitchen-FireAlarmingSystemBasedOnGasSensors
20081221YangFei 20081229LiXin
BESTI.ElectronicInformationEngineering
Abstract:
Kitchenisoneofthemostimportantactivityplacesinpeople’slife.AlongwiththerapiddevelopmentofChina'seconomy,kitchensarealsoexperiencingagreatchange.Whilemanyfamiliesandrestaurantsarekitchen-electrificationrealized,thefireloadarealsoincreased.Inrecentyears,firehappenedinthekitchenoccursfrequently,whichnotonlygreatlyinfluencethepublic,leadingtogreatlossofproperty,butalseendangerpeople'slife.Thedamangeofkitchen-firecan’tbeignored.Accordingtotheconsiderationsmentionedabove,theDesignofKitchen-fireAlarmingSystembasedonGasSensors,aimstoalarmpeoplethedisasteroffire,tryingtominusthedamage.Thisalarmingsystemissuitableforkitchensinnormalfamilies,aswellaslargekitchensinrestaurantsandhotels.
KeyWords：
Kitchen-Fire GasSensor AlarmingSystem
一、绪论
火灾自动报警系统属于自动化范畴，是当前楼宇自动化的一个主要构成系统。
其设置目的是为了防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。
火灾报警技术是预防火灾的一项基础工作，应用范围广泛。
报警早，损失少，不仅对发生火灾的单位和个人具有重要作用，而且对公安消防监督机构及时扑灭火灾、减少人员伤亡和财产损失同样具有十分重要的现实意义。
二、设计思路
火灾自动报警系统主要由探测器（传感器）、报警器、排气装置三部分组成。
探测器主要对是否有火灾发生进行判断，判断标准为火灾参数：
烟雾浓度、有毒气体浓度、光、火焰辐射、温度等。
在确认火灾发生后，通过报警器产生信号，如声音、灯光等方式告知人已有火灾发生。
图1 火灾自动报警系统图
具体设计思路如下：
（1）探测器
火灾探测器是能对火灾参数（如烟、温、光、火焰辐射、气体浓度等）响应，并自动产生火灾报警信号的器件，按照响应火灾参数的不同，火灾探测器分成感温火灾探测器、感烟火灾探测器、感光火灾探测器、可燃气体探测器和复合火灾探测器五种基本类型。
不同类型的火灾探测器适用于不同类型的火灾和不同的场所。
表1 火灾探测器种类及其原理
火灾探测传感器种类
传感器原理
感烟火灾探测器
离子感烟、红外线感烟、激光感烟式
感温火灾探测器
低熔点合金、双金属片、差温式、差定温式
感光火灾探测器
紫外线、红外线检测
可燃气体探测器
气敏感烟
复合火灾探测器
1、感烟式火灾探测器：
在火灾初期，由于温度较低，物质多处于阴燃阶段，所以产生大量烟雾。
烟雾是早期火灾的重要特征之一，感烟式火灾探测器是能对可见的或不可见的烟雾粒子响应的火灾探测器。
它是将探测部位烟雾浓度的变化转换为电信号实现报警目的一种器件。
2、感温式火灾探测器：
火灾时物质的燃烧产生大量的热量，使周围温度发生变化。
感温式火灾探测器是对警戒范围中某一点或某一线路周围温度变化时响应的火灾探测器。
它是将温度的变化转换为电信号以达到报警目的。
感温探测器对火灾发生时温度参数的敏感，其关键是由组成探测器核心部件的热敏元件决定。
热敏元件是利用某些物体的物理性质随温度变化而发生变化的敏感材料制成。
感温式火灾探测器适宜安装于起火后产生烟雾较小的场所。
平时温度较高的场所不宜安装感温式火灾探测器。
3、感光式火灾探测器：
物质燃烧时会产生可见或不可见的光辐射。
感光式火灾探测器又称火焰探测器，它是用于响应火灾的光特性。
即扩散火焰燃烧的光照强度和火焰的闪烁频率的一种火灾探测器。
根据火焰的光特性，目前使用的火焰探测器有两种：
一种是对波长较短的光辐射敏感的紫外探测器，另一种是对波长较长的光辐射敏感的红外探测器。
4、可燃气体探测器：
可燃气体探测器是对单一或多种可燃气体浓度响应的探测器。
可燃气体探测器有催化型和半导体型两种类型。
催化型可燃气体探测器是利用难熔金属铂丝加热后的电阻变化来测定可燃气体浓度。
当可燃气体进入探测器时，在铂丝表面引起氧化反应（无焰燃烧），其产生的热量使铂丝的温度升高，而铂丝的电阻率便发生变化。
半导体可燃气体探测器要用灵敏度较高的气敏半导体元件，它在工作状态时，遇到可燃气体，半导体电阻下降，下降值与可燃气体浓度有对应关系。
5、复合式火灾探测器：
复合式火灾探测器是对两种或两种以上火灾参数响应的探测器。
（2）报警装置
报警装置选择声光报警。
当传感器检测到火灾险情时，通过灯亮和蜂鸣器响两种途径告知人有火灾险情。
（3）排气装置
排气装置可直接利用厨房内已安装好的抽油烟机或排气扇。
当火灾探测器探测到火灾险情时，可以通过电路设计，使该排气设置工作，将烟雾、有毒气体等排出室外，尽量减小危害。
三、结构框图
图2基于气敏传感器的厨房火灾报警系统
四、原理介绍
主要介绍气敏传感器的工作原理：
（1）气敏传感器的发展
早期对气体的检测主要采用电化学和光学方法，其检测速度慢、设备复杂、成本高、使用不方便。
从60年代初开始研究出的金属氧化物半导体类传感器，由于灵敏度高、体积小、使用方便等有点，早已广泛用于检测、报警、防灾、测量分析等各方面。
（2）半导体气敏传感器定义及其分类
半导体气敏传感器，是利用按道题气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化借此来检测特定气体的成分或者测量器浓度的传感器的总称。
半导体气敏传感器的分类为：
表2 半导体气敏传感器的分类
主要物理特新
传感器举例
工作温度/C
典型被测气体
电阻式
表面控制型
氧化银、氧化锌
室温~450
可燃性气体
体控制型
氧化钛、氧化镁、氧化钴
室温~700
酒精、氧气
非电阻式
表面电位
氧化银
室温
硫醇
二极管整流特性
铂/硫化铬、铂/氧化钛
室温~200
氢气、一氧化碳、酒精
晶体管特性
铂栅MOS场效应晶体管
室温~150
氢气、硫化氢
（3）气敏半导体材料的导电机理
半导瓷材料气敏元件（如SnO2）阻值随气体浓度变化关系为指数变化关系。
因此，非常适用于微量低浓度气体的检测。
利用这种半导体气敏元件可以制成半导体气敏传感器，其导电机理可以用吸附效应来解释。
半导体气敏元件有N型和P型之分。
N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小；P型阻值随气体浓度的增大而增大。
像SnO2金属氧化物半导体气敏材料，属于N型半导体，在200～300℃温度它吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。
当遇到有能供给电子的可燃气体（如CO等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面；氧脱附放出电子，可燃行气体以正离子状态吸附也要放出电子，从而使氧化物半导体导带电子密度增加，电阻值下降。
可燃性气体不存在了，金属氧化物半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。
SnO2气敏半导瓷对许多可燃性气体，如氢、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有较好的灵敏度。
掺假Pd、Mo、Ga等杂质的SnO2元件可在常温下工作，对烟雾的灵敏度有明显的增加，课用来制造常温工作的烟雾报警器。
五、器件选择与论证
主要考虑传感器的选择情况：
（1）器件选择
气敏器件种类很多，下表列出了部分气敏器件的主要参数，其外形、引脚及符号都是一样的，不同的是原材料和工艺条件不一样。
表2气敏器件类型表
参数
型号
灵敏度K
洁净空气中的电压V0
电压增量
响应时间
回复时间
分辨率
测试条件
适用气体
KQ
VH
RL
MQ—2
≦2.5
≥2
≤10s
≤30s
≥5
10V
5V
2kΩ
可燃气体
MQ—3
≥3
≦1
≤10s
≤30s
≥5
10V
5V
2kΩ
乙醇
MQ—4
≥5
≦1
≤10s
≤30s
≥5
10V
5V
2kΩ
天然气
MQ—5
≥5
≦1
≤10s
≤30s
≥5
10V
2V/5V
2kΩ
CO
MQ—6
≥5
≦1
≤10s
≤30s
≥5
10V
5V
2kΩ
LPG气体
MQ—7
≥5
≦1
≤30s
≤60s
≥5
10V
5V
2kΩ
CO
我们选用的是MQ-2型气敏传感器。
它对于可燃气体及烟雾等有较好的探测作用，且成本较低。
在此次设计中选择了可燃气体探测器：
首先，可燃气体在火灾开始的初期已产生，能够在火灾扩大之前就探测到火警，时间较为提前；其次，一些可燃气体是有毒气体，如C0，可以尽早提醒人们，防止生命安全受到危害。
MQ-2型气敏传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。
气体在半导体SnO2表面发生氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化：
若气浓度发生，其阻值又将变化，根据这一特性，可以从阻值的变化得知，吸附气体的种类和浓度。
使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
（2）技术参数
A.标准工作条件
表3标准工作条件参数表
符号
参数名称
技术条件
备注
Vc
回路电压
≤15V
ACorDC
VH
加热电压
5.0V±0.2V
ACorDC
RL
负载电阻
可调
RH
加热电阻
31Ω±3Ω
室温
PH
加热功耗
≤900mW
B.环境条件
表4环境条件参数表
符号
参数名称
技术条件
备注
Tao
使用温度
-10℃-50℃
Tas
储存温度
-20℃-70℃
RH
相对湿度
小于 95%RH
O2
氧气浓度
21%（标准条件）
氧气浓度会影响灵敏度特性
最小值大于２％
C.灵敏度特性
表5灵敏度参数表
符号
参数名称
技术参数
备注
Rs
敏感体表面电阻
3KΩ-30KΩ
（1000ppm异丁烷）
探测浓度范围
100ppm-10000ppm
液化气和丙烷
300ppm-5000ppm丁烷
5000ppm-20000ppm甲烷
300ppm-5000ppm氢气
100ppm-2000ppm酒精
α（3000/1000）
异丁烷
浓度斜率
≤0.6
标准工作条件
温度：
20℃±2℃Vc:
5.0V±0.1V
相对湿度：
65%±5%Vh:
5.0V±0.1V
预热时间
不超过1小时
（3）器件介绍
MQ-2气敏元件的结构和外形如图所示,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。
图3MQ-2气敏元件的结构和外形图
七、参考资料：
1.陈尔绍.《传感器是用装置制作集锦》.人民邮电出版社.2000
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