大學(xué)物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)氣敏傳感器(MQ3)特性研究

何 越，鄭如意，王志軍

(吉林大學(xué)，吉林 長春130012)

在現(xiàn)代社會(huì)的生產(chǎn)和生活中，人們往往會(huì)接觸到各種各樣的氣體，需要對(duì)它們進(jìn)行檢測(cè)和控制。在傳感器得到廣泛應(yīng)用的時(shí)代，結(jié)合現(xiàn)在教學(xué)模式和物理知識(shí)讓學(xué)生了解和研究氣敏電阻傳感器的原理與應(yīng)用，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義［1-3］。

開發(fā)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)其目的在于培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力，包括:動(dòng)手能力、理解能力、思維能力、分析和解決問題的能力等。徹底改變過去手把手教的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練使學(xué)生真正理解實(shí)驗(yàn)原理在物理學(xué)及傳感器技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用，使學(xué)生在自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的過程中，去體會(huì)理論來自實(shí)踐及二者相結(jié)合的真正含義。

酒精氣敏傳感器(MQ3)廣泛用于機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)藛T及某些嚴(yán)禁酒后作業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)合實(shí)際探究氣敏傳感器及酒精濃度的關(guān)系。因MQ3氣敏傳感器具有靈敏度高，快速響應(yīng)恢復(fù)，簡單的驅(qū)動(dòng)回路等特點(diǎn)，因此選用MQ3氣敏傳感器。通過自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，并且在探究氣敏傳感器特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)簡易的酒精濃度報(bào)警器。運(yùn)用到了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的方法，做到學(xué)以致用;利用該實(shí)驗(yàn)的趣味性和創(chuàng)新性，進(jìn)一步提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰徒鉀Q問題的能力。

1 基本原理

氣敏傳感器，是利用半導(dǎo)體氣敏元件同被測(cè)氣體接觸后，造成半導(dǎo)體性質(zhì)的變化，以此來檢測(cè)待定氣體的成分或濃度的傳感器的總稱。實(shí)際測(cè)量時(shí)，可用氣敏傳感器把各種氣體的成分或濃度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電阻、電壓或電流的變化量，并通過相應(yīng)測(cè)量電路在終端儀器上顯示。它的傳感元件是氣敏電阻，這是一種用金屬氧化物(如氧化錫SnO2、氧化鋅ZnO或Fe2O3等)的粉末材料并添加小量催化劑及添加劑，按一定配比燒結(jié)而成的半導(dǎo)體器件。氣敏電阻傳感器經(jīng)常用于測(cè)量還原性氣體成分和測(cè)量氣體濃度的兩大類實(shí)驗(yàn)中，例如石油蒸汽，酒精蒸汽，甲烷、乙烷、煤氣、天然氣、氫氣等氣體的檢測(cè)。氣敏電阻是一種半導(dǎo)體敏感器件，電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用這一器件的物理特性制成的。當(dāng)它吸收了不同氣體時(shí)會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)，放出熱量，使元件溫度相應(yīng)增高，電阻發(fā)生變化，從而將氣體成分和濃度變成電信號(hào)，經(jīng)過電路放大處理后，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)電路或器件，從而進(jìn)行成分或濃度檢測(cè)和報(bào)警。

2 研究與解決的問題

酒精氣體濃度的標(biāo)定是該實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵問題。因酒精氣體濃度受溫度，氣流，酒精液體濃度等多種因素的影響，因此濃度標(biāo)定需考慮多種因素。在現(xiàn)有條件下，選用了以下3種方案:

方案1:在室溫條件下，用電吹風(fēng)吹蘸有酒精的棉球使其加速揮發(fā)，通過改變酒精液體濃度而改變氣體濃度。這種方法，因?yàn)椴辉诜忾]空間，無法控制酒精氣體濃度，因此，只能定性觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

方案2:封閉條件下，通過改變液體濃度的方法間接改變氣體濃度，變量為酒精液體濃度。氣體濃度是不會(huì)隨液體濃度線性變化的，但在封閉空間里一定是正比例變化趨勢(shì)。因此采用配制不同濃度的酒精液體，置于封閉容器中，分別測(cè)出相應(yīng)的電壓輸出。

方案3:向封閉容器內(nèi)充入酒精氣體，并可準(zhǔn)確測(cè)出酒精氣體濃度。通過改變封閉容器內(nèi)的酒精濃度，就可以分別測(cè)出相應(yīng)的電壓輸出。

以上3種方案中，方案3為理想方案，裝置正在研制中。方案1在多次測(cè)量中誤差較大。分析可知，方案1的變量包括棉球上酒精的含量，氣流大小，因使用電吹風(fēng)造成的溫度差異等，變量多且難以控制，因而誤差大，不可取。方案2誤差相對(duì)較少，變量為酒精液體濃度。

3 實(shí)驗(yàn)電路圖

實(shí)驗(yàn)電路圖見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)電路圖

4 氣敏傳感器(MQ3)特性探究

實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示，差動(dòng)放大器采用15 V直流恒壓供電，傳感器預(yù)熱5～15 min后，分別將傳感器置于裝有10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%酒精液體的小口容器口，使容器密閉，電壓表置于20 V檔，測(cè)量Vo與GND之間電壓，待電壓相對(duì)穩(wěn)定后讀數(shù)(注意:在每次測(cè)量結(jié)束，都要等到電壓表示讀數(shù)逐漸回零后，方可進(jìn)行下次測(cè)量，以避免上次測(cè)量的影響)數(shù)據(jù)記錄，見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 酒精氣體濃度與電壓關(guān)系特性曲

如圖2所示，從酒精氣體濃度與電壓的關(guān)系曲線可以看出，隨著氣體的濃度增加，元件電壓明顯增大，在一定范圍內(nèi)，呈線性關(guān)系。擬合函數(shù)關(guān)系式為:

5 結(jié) 論

觀察酒精氣體濃度與電壓的關(guān)系特性曲線，結(jié)果表明:酒精氣體濃度與電壓之間存在良好的線性區(qū)。實(shí)驗(yàn)是根據(jù)酒精氣體濃度與液體濃度滿足正比例關(guān)系這一條件來標(biāo)定酒精氣體濃度的，但此實(shí)驗(yàn)最大難題就是酒精氣體濃度的標(biāo)定，設(shè)想研制一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)酒精氣體濃度標(biāo)定裝置(方案3)，這對(duì)今后更好的完善本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有十分重要的意義。

［1］徐良雄.酒精濃度超標(biāo)報(bào)警器設(shè)計(jì)與分析［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2011(13):82-84.

［2］溫建平.探析大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告新模式中激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的途徑［N］.科技咨詢導(dǎo)報(bào)，2007:233.

［3］杭州大華科教儀器研究所.傳感器的原理與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)講義［Z］.2011:34-35.