Mục lục :
Có những loại cảm biến khí nào ?
Cấu tạo của một cảm biến khí cảm biến khí dựa trên chất bán dẫn oxit kim loại
Nguyên lý hoạt động của cảm biến khí
Cảm biến khí nào đang bán tại Nshop
Tự chế bộ cảnh báo khí gas báo động qua điện thoại và còi với Arduino
Cảm biến khí là gì ?
Mỗi chiếc mũi của con người có gần 400 thụ thể mùi hương cho phép chúng ta ngửi khoảng 1 nghìn tỷ mùi hương khác nhau. Nhưng vẫn còn nhiều người trong chúng ta không thể xác định loại hoặc nồng độ khí trong bầu không khí.
Vì vậy người ta đã chế tạo ra nhiều loại cảm biến khí, sử dụng nhiều mục đích khác nhau. Có nhiều cảm biến khí khác nhau để phát hiện các loại khí như oxy, Carbon Dioxide, Nitrogen, methane, v.v. Chúng cũng có thể được tìm thấy trong các thiết bị được sử dụng để phát hiện sự rò rỉ của khí độc hại, giám sát chất lượng không khí trong các ngành công nghiệp và văn phòng, v.v.
Ứng dụng của cảm biến khí
- Các cảm biến khí thường được sử dụng sử dụng để kiểm tra chất lượng không khí trong máy lọc không khí.
- Làm thiết bị đo nồng độ cồn, phân tích hơi thở.
- Được sử dụng trong các ngành công nghiệp để theo dõi nồng độ của các khí độc hại.
- Được sử dụng trong các hộ gia đình để phát hiện sự cố khẩn cấp như rò rỉ khí gas.
- Được sử dụng tại các vị trí giàn khoan dầu để theo dõi nồng độ của các khí thải ra.
- Được sử dụng tại các khách sạn nơi công cộng để phòng tránh có người hút thuốc.
- Được sử dụng trong kiểm tra chất lượng không khí tại các văn phòng.
- Được sử dụng trong máy điều hòa không khí để theo dõi mức CO2.
- Được sử dụng trong việc phát hiện đám cháy (cảm biến khói).
- Dùng để kiểm tra nồng độ các chất khí trong mỏ.
Có những loại cảm biến khí nào ?
Cảm biến khí thường được phân loại thành nhiều loại khác nhau dựa trên loại phần tử cảm biến mà nó được chế tạo. Dưới đây là phân loại các loại cảm biến khí khác nhau dựa trên phần tử cảm biến thường được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau:
- Cảm biến khí dựa trên Oxit kim loại.
- Cảm biến khí quang.
- Cảm biến khí điện hóa.
- Cảm biến khí dựa trên điện dung.
- Cảm biến khí nhiệt lượng.
- Cảm biến khí dựa trên âm thanh.
Trong tất cả các loại được liệt kê ở trên, cảm biến khí được sử dụng phổ biến nhất là cảm biến khí dựa trên chất bán dẫn oxit kim loại chúng được liệt kê trong các danh sác dưới đây
MQ 2 cảm biến khí: Mentan (CH4), Butane, LPG(khí dầu mỏ hóa lỏng), khói
MQ 3 cảm biến khí: Alcohol, Ethanol, khói
MQ-4 cảm biến khí: Mentan (CH4), CNG Gas (khí thiên nhiên chủ yếu là metan)
MQ -5 cảm biến khí: Natural Gas ( khí thiên nhiên 85 % metan), LPG
MQ-6 cảm biến khí: LPG, Buntane
MQ-7 cảm biến khí: Carbon Monoxide (CO)
MQ-8 cảm biến khí: Hydrogen Gas (Hydro H2)
MQ-9 cảm biến khí: Carbon Monoxide (CO), Flammable Gasses (khí dễ cháy)
MQ 131 cảm biến khí: Ozone (O3)
MQ 135 cảm biến khí: Chất lượng không khí
MQ 136 cảm biến khí: Hydrogen Sulphide gas (H2S)
MQ 137 cảm biến khí: Ammonia (a-mô-ni-ắc NH3)
MQ 138 cảm biến khí: Benzene, Toluene, Alcohol, Propane, FormaldeHyde gas, Hydrogen
MQ 214 cảm biến khí: Mentan (CH4), Natural Gas ( khí thiên nhiên 85 % metan)
MQ 216 cảm biến khí: Natural Gas ( khí thiên nhiên 85 % metan), Coal Gas (Khí than)
MQ 303A cảm biến khí: Alcohol, Ethanol, khói
MQ 306A cảm biến khí: LPG, buntan, Butane
MQ 307A cảm biến khí: Carbon Monoxide (CO)
MQ309A cảm biến khí: Carbon Monoxide (CO), Flammable Gasses (khí dễ cháy)
Cảm biến chất lượng cao
MP-2 cảm biến khí: Phát hiện khói
MP-4 cảm biến khí: Khí dễ cháy
MP-135 cảm biến khí: Chất lượng không khí
Cấu tạo của một cảm biến khí cảm biến khí dựa trên chất bán dẫn oxit kim loại
Gas sensing layer: đây là thành phần chính trong cảm biến, được sử dụng để cảm nhận sự thay đổi nồng độ của các chất khí từ đó thay đổi điện trở. Lớp cảm biến khí về cơ bản là một điện trở hóa trị, giá trị điện trở của nó thay đổi dựa trên nồng độ khí cụ thể trong môi trường. Vì vậy bất cứ khi nào phát hiện khí sẽ làm điện trở thay đổi làm dòng điện thay đổi thể hiện sự thay đổi nồng độ khí.
Heater coil: mục đích của cuộn dây sưởi là đốt cháy phần tử cảm biến để tăng độ nhạy và hiệu quả của phần tử cảm biến. Nó được làm bằng Niken-Crom có nhiệt độ nóng chảy cao để nó có thể nóng lên mà không bị nóng chảy. Điều này giải thích tại sao khi sử dụng cảm biến dạng này thường thấy nó nóng lên và đôi khi hơi có khói và mùi cháy gì đó
Electrode line: : Vì phần tử cảm biến tạo ra một dòng điện rất nhỏ khi khí được phát hiện, nên điều quan trọng hơn là phải duy trì hiệu suất của dòng điện nhỏ đó. Vì vậy, dây bạch kim phát huy tác dụng ở chỗ nó giúp di chuyển các electron một cách hiệu quả.
Electrode: Nó là một điểm nối nơi đầu ra của lớp cảm biến được kết nối với đường Điện cực. Sao cho dòng điện đầu ra có thể chạy đến thiết bị đầu cuối cần thiết. Một điện cực ở đây được làm bằng Vàng (Au –Aurum) là chất dẫn điện rất tốt.
Tubular ceramic: ở giữa Gas sensing layer và Heater coil tồn tại một loại gốm hình ống được làm bằng (AL2O3) vì nó có độ nóng chảy cao, nó giúp duy trì quá trình đốt cháy (làm nóng sơ bộ) của lớp cảm biến, mang lại độ nhạy cao cho lớp cảm biến để có được dòng điện đầu ra hiệu quả.
Mesh over the sensing element: Lưới che cảm biến bảo vệ các phần tử cảm biến
Nguyên lý hoạt động của cảm biến khí
Ở đây chúng ta xét cảm biến khí gas, các cảm biến khác tương tự
Khả năng phát hiện khí của cảm biến Gas phụ thuộc vào chemiresister (điện trở hóa trị) để dẫn dòng điện. Chemiresistor được sử dụng phổ biến nhất là Thiếc Dioxit (SnO2), là một chấtbán dẫn loại N có các điện tử tự do (còn được gọi là chất cho). Thông thường trong không khí chứa nhiều oxy hơn các khí dễ cháy. Các phần tử oxy sẽ thu hút các điện tử tự do có trong SnO2 và đẩy chúng lên bề mặt của SnO2. Vì không có electron tự do nên dòng điện đầu ra sẽ bằng không. Ảnh GIF dưới đây cho thấy các phân tử oxy (màu xanh lam) thu hút các điện tử tự do (màu đen) bên trong SnO2 và ngăn không cho nó có các điện tử tự do để dẫn dòng điện.
Khi đặt cảm biến trong môi trường khí độc hoặc dễ cháy, khí khử này (màu da cam) phản ứng với các phần tử oxy bị hấp phụ và phá vỡ liên kết hóa học giữa oxy và các điện tử tự do, do đó giải phóng các điện tử tự do . Khi các điện tử tự do trở lại vị trí ban đầu, chúng có thể dẫn dòng điện, sự dẫn điện này sẽ tỷ lệ thuận với số lượng điện tử tự do có sẵn trong SnO2, nếu khí có độc tính cao thì sẽ có nhiều điện tử tự do hơn.
Cách sử dụng một loại cảm biến khí
Một cảm biến khí cơ bản có 6 cực, trong đó 4 cực (A, A, B, B) đóng vai trò đầu vào hoặc đầu ra và 2 cực còn lại (H, H) dùng để làm nóng cuộn dây. Trong số 4 đầu cuối này, các cặp mỗi bên có thể được sử dụng làm đầu vào hoặc đầu ra (các cặp này có thể đảo ngược như trong sơ đồ mạch) và ngược lại.
Các cảm biến thường có dạng sẵn module như hình bên trái các cảm biến này gồm một cảm biến khí + IC so sánh thường là LM393 nó thường ra 4 chân như sau
- VCC: chân cấp nguồn cho module DC 5V
- GND: chân âm
- D0: Đầu ra kỹ thuật số (I/0)
- A0: Đầu ra tương tự
Như đã nói ở phần trên điện áp ra của cảm biến rất nhỏ cỡ mV vì vậy phải sử dụng mạch bên ngoài để được đầu ra kỹ thuật số có điện áp cao vì vậy người ta sử dụng LM393 với mục đích lấy đầu ra từ cảm biến, so sánh nó với điện áp tham chiếu so sánh logic. Còn mục đích của chiết áp là đặt giá trị ngưỡng yêu cầu của khí mà trên đó chân đầu ra kỹ thuật số phải tăng cao.
Ở đây A và B là các cực đầu vào và đầu ra (chúng có thể đảo ngược) H-H là cuộn dây lò sưởi. Mục đích của biến trở là điều chỉnh điện áp đầu ra và duy trì độ nhạy cao
Nếu Cuộn dây không có áp vào, thì dòng điện đầu ra sẽ rất nhỏ (không đáng kể hoặc xấp xỉ 0). Khi đủ điện áp sẽ làm nóng cuộn dây, lớp cảm biến sẽ (wake) thức dậy và sẵn sàng cảm nhận bất kỳ khí dễ cháy nào gần nó.
Ban đầu, giả sử rằng không có khí độc gần cảm biến, do đó, điện trở của lớp không thay đổi và dòng điện đầu ra và điện áp cũng không thay đổi và không đáng kể (xấp xỉ 0).
Sau đó giả sử có một số khí độc gần đó. Khi cuộn dây nóng được làm nóng trước đó, bây giờ có thể dễ dàng phát hiện ra bất kỳ khí dễ cháy nào. Khi lớp cảm ứng tương tác với các chất khí, điện trở của vật liệu thay đổi và dòng điện chạy qua mạch cũng thay đổi. Sau đó có thể quan sát thấy sự thay đổi biến thiên này ở điện trở tải (RL).
Giá trị của điện trở tải (RL) có thể nằm trong khoảng từ 10KΩ đến 47KΩ. Giá trị chính xác của điện trở tải có thể được chọn bằng cách hiệu chuẩn với nồng độ đã biết của khí. Nếu chọn điện trở tải thấp thì mạch có độ nhạy kém hơn và nếu chọn điện trở tải cao thì mạch có độ nhạy cao.
Cảm biến khí nào đang bán tại Nshop
MQ-2: Cảm biến khí gas MQ-2 sử dụng phần tử SnO2 có độ dẫn điện thấp hơn trong không khí sạch, khi khí dễ cháy tồn tại, cảm biến có độ dẫn điện cao hơn, nồng độ chất dễ cháy càng cao thì độ dẫn điện của SnO2 sẽ càng cao và được tương ứng chuyển đổi thành mức tín hiệu điện.
MQ-3: Cảm biến nồng độ cồn MQ-3 sử dụng để phát hiện nồng độ cồn trong môi trường, hơi thở. Cảm biến có độ nhạy cao khả năng phản hồi nhanh, độ nhạy có thể điều chỉnh được bằng biến trở. Cảm biến cung cấp một đầu ra tương tự dựa trên nồng độ cồn.
MQ-4: Cảm biến khí METAN MQ-4 sử dụng để phát hiện khí Mentan (CH4), CNG Gas (khí thiên nhiên chủ yếu là metan) . Cảm biến có độ nhạy cao khả năng phản hồi nhanh, độ nhạy có thể điều chỉnh được bằng biến trở.
MQ-7 Cảm biến khí CO MQ-7 là cảm biến bán dẫn có giá rẻ có khả năng phát hiện khí carbon monoxide có nồng độ từ 10 đến 1000 ppm. Vật liệu tạo ra cảm biến là từ chất SnO2, có độ dẫn điện thấp trong không khí sạch.
MQ-9 Cảm biến khí dễ cháy MQ-9 được dùng trong các hệ thống phát hiện rò rỉ khí gas trong gia đình và công ngiệp.
MQ-135 Cảm biến chất lượng không khí MQ-135 sử dụng để kiểm tra chất lượng không khí trong môi trường. Cảm biến có độ nhạy cao khả năng phản hồi nhanh, độ nhạy có thể điều chỉnh được bằng biến trở.
Các loại cảm biến khí chất lượng cao
Các loại cảm biến này có độ nhạy cao khả năng phản hồi nhanh, tiêu thụ điện năng thấp, ổn định, tuổi thọ cao, độ nhạy có thể điều chỉnh được bằng biến trở
Cảm biến thường được dùng trong các thiết bị báo khói gia đình, báo khói công nghiệp và các thiết bị báo khói cầm tay… thích hợp để phát hiện khí proban, khói…
Cảm biến này có độ nhạy tốt với khí metan, thường được dùng trong các thiết bị giám sát rò rỉ khí dễ cháy, phòng cháy chữa cháy, báo rò rỉ khí gas…
Cảm biến thường được dùng trong các thiết bị kiểm tra chất lượng không khí bên trong cao ốc, văn phòng, máy lọc không khí… thích hợp để phát hiện nồng độ cồn, khói, khí CO, isobutan, formaldehyde…
Tự chế bộ cảnh báo rò rỉ khí Gas báo động qua điện thoại, còi với Arduino
dự án dưới đây sẽ là về cảnh báo khí độc (khí dễ cháy) kết hợp với module sim
Sơ đồ đấu:
Video demo:
Code với arduino:
#include "SIM900.h"
#include <SoftwareSerial.h>
SoftwareSerial sim(2, 3);// 3 -Tx, 2-Rx
String ReadBuffer = "";
String number1 = "0334757764";// thay số điện thoại tại đây
int _timeout;
String _buffer;
int t=0;
const int sensor = A0; // chan ra cảm biến
const int led = 4; // chân ra led hoặc điều khiển mosfet
int sensorValue = 0;
int settingvalue = 800; // giá trị cài đặt cảnh báo
int i = 0;
void setup()
{
Serial.begin(9600);//19200
sim.begin(9600);//19200
pinMode(led, OUTPUT);
}
void loop()
{
sensorValue = analogRead(sensor);
Serial.println(sensorValue);
if(sensorValue >=800){
digitalWrite(led, HIGH);
call();
for (i = 1;i<=25;i = i + 1) { //đếm 25s , trong khi 25s này nó vừa đủ gọi, hết 25s nó sẽ thực hiện bước tt là cúp máy
Serial.println(i);
delay(1000);
}
sim.println("ATH"); // thực hiện lệnh cúp máy
Serial.println("cup may chuyen sang gui tin nhan");
message();
delay(5000);
Serial.println("da gui tin nhan");
}
if(sensorValue < 800)
{
digitalWrite(led, LOW);
}
/*
test();
*/
}
void call()
{
//cú pháp gọi: ATD 0334757764 ;\r\n
sim.print (F("ATD"));
sim.print (number1);
sim.print (F(";\r\n"));
_buffer = _readSerial();
Serial.println(_buffer);
}
String _readSerial() {
_timeout = 0;
while (!sim.available() && _timeout < 10000 )
{
delay(13);
_timeout++;
}
if (sim.available()) {
return sim.readString();
}
}
void message()
{
// cách gửi tin nhắn B1: AT+CMGF=1 >>> OK
/////////////////////B2: AT+CMGS="0332177764" >>> TRA VE > >>> NHAP TIN NHAN >>> CTRL + Z de gui
sim.println("AT+CMGF=1");
delay(1000);
//Serial.println ("Set SMS Number");
sim.println("AT+CMGS=\"" + number1 + "\"\r");
delay(1000);
String SMS = "co khi doc";
sim.println(SMS);
delay(100);
sim.println((char)26);// ASCII code of CTRL+Z
delay(1000);
_buffer = _readSerial();
}
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
void test() // phần này là phần test khi mới sử dụng lần đầu với module, kích hoạt hàm này để test phần tx rx đúng chưa, nếu chưa đúng thì đảo chân lại
{
sim.println("AT");
Serial.println("AT");
delay(2000);
while (sim.available() > 0)
{
char c;
c = sim.read();
if (c != '\r')
{
ReadBuffer += c;
Serial.println(ReadBuffer);
delay("2000");
}
else
{
}
}
}
Nguyên lý hoạt động
Giá trị cảnh báo được cài đặt trong code (nếu muốn thay đổi giá trị cảnh báo bạn có thể sử dụng biến trở với arduino). Khi tín hiệu Analog từ cảm biến tăng cao đạt tới giá trị cảnh báo. đèn led sẽ sáng lên, đồng thời gọi điện nhá máy tầm 5s, sau đó sẽ gửi tin nhắn cảnh báo
Đó là cảnh báo bằng đèn led đèn báo, nếu bạn muốn kích ra một còi báo thì bạn có thể thay chỗ đấu ra led bằng sơ đồ dưới dây
sử dụng mosfet, việc sử dụng mosfet mà không phải relay là để tránh tình trạng đánh lửa gây chập cháy
