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1、西安工业大学继续教育学院毕业设计(论文)1 绪论随着社会的发展，人们生活水平的提高，西气东输工程的实施。现代家庭对燃气用量也随之增加，燃气给人们带来方便的同时也会导致家庭火灾的发生，有时因为灭火器材缺乏或在场人惊慌失措、逃生迟缓等不利因素，会导致重大生命财产损失。那么探讨家庭火灾的特点及防火对策，对于预防家庭火灾，减少火灾损失具有现实意义。一般的居民火灾当中，处置不当或报警迟缓是造成人员伤亡的主要原因。所以说，人们应该积极了解家庭火灾的的主要起因，掌握防止发生火灾的知识和万一发生火灾时保护自己的方法这样才能及时消除隐患。英国每年发生50000起以上的严重家庭火灾，其中大部分火灾造成人员伤亡和重
2、大的家庭财产损失，有的还连累左邻右舍，火灾损失更加惨重。在调查火灾起因的时候，绝大多数发生火灾家庭的当事人说，以前总觉得火灾是人家的事情，与自己离得很远，没有想到这一次竟然会发生在自己的头上。家庭火灾的主要原因是麻痹大意，没有及时采取预防措施。在我国一些大中城市，几乎每天都发生家庭火灾，所以防火是每个家庭必须时刻注意的问题。假如能根据家庭的实际情况预先采取简单的防火措施，一些悲剧是完全可以避免的。消防部门的统计显示，在所有的火灾中，家庭火灾已经占据到全国的30%左右，家庭起火的原因种种，可能在我们注意的到的地方，也可能就隐藏在我们根本就注意不到的地方。国内外燃气报警器种类繁多各有特色，具有低功
3、能、网络传输、及时侦测等特点比较专一性。运用了遥感学、网络学、电子学、通信学等知识，较为复杂，但特定领域运用性强，符合环境工艺认证，是具有无危害的绿色产品。本文主要研究简易通用型燃气报警器，扩展其应用领域，减少其成本，但要求甚严的领域不能使用。80年代以来，国内各大宾馆、饭店、商场、百货公司等相继从英、美，日等国引进和国内研制销售的火灾报警器，主要关键部件用QM-N5型等气敏材料。2 综述 此设计是一种实用的燃气泄漏报警控制装置，它包括排风扇本体、驱动电机、有害气体报警电路、继电器的驱动电路和有源蜂鸣器等组成。当厨房有害气体泄漏时，俗称电子鼻的气敏传感器的阻值降低，三极管基极电压增大，三极管导
4、通驱动继电器KA由常开状态变为闭合状态，此时有源蜂鸣器工作发出声音的同时LED红灯亮，电动机驱动排风扇工作将有害气体从室内排出；当厨房无有害气体泄漏时，气敏传感器由于内阻太大三极管的基极无电流三极管不工作，此时后续电路不工作，则检测属正常状态。其方框图如图2.1：电源驱动继电器气敏传感器声光报警排风扇控制图2.1 家用可燃气泄漏报警器的电路方框图2.1各电路的作用电源：给其它各部分电路供电。气敏传感器：当感应到空气中有可燃气时阻值就会下降。 驱动继电器：其开关的转换受三极管基极电流大小的影响即受气敏传感器AB端阻值大小的影响。 排风扇控制：燃气泄漏时排风扇工作将可燃气从室内排出下降其浓度。 声
5、光报警：燃气泄漏时蜂鸣器发声LED红灯亮，提示人们燃气泄漏要采取措施。3 家用可燃气泄漏报警器的工作原理3.1 电路工作原理说明交流市电220V经变压器T降压，再经过桥式整流和C1滤波之后为此电路提供12V直流工作电压；当空气中可燃气在安全范围内时，气敏传感器QM-N5 A B间阻值较大，B端输出电压低，不能使三极管VT1获得偏流导通，因此VT1截止，电磁式继电器KA不吸合，电动机（排风扇本体）不转，LED红灯不亮，HA蜂鸣器不发声；当燃气泄漏时超过其在空气中浓度的设定值时，气敏传感器QM-N5 AB间的电阻值降低，VT1随即导通，中间电磁式继电器KA吸合（由常开状态变为闭合状态），则此时LE
6、D红灯亮，HA蜂鸣器发出“笛笛笛”的报警声，提醒并催促人们燃气泄漏要查找原因排除故障，不仅如此而且还有一级排风扇控制电路也工作可将泄漏的燃气从室内排出降低其在空气中的浓度，更好的帮助人们将危险率降至最低。其电路原理图如图3.1。 图3.1 家用可燃气泄漏报警器的电路原理图4 气敏传感器概况气敏传感器就是能感知环境中某种气体及其浓度的一种器件，它将气体的种类及其浓度有关的信息转换为电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。 为了确保安全，需对各种可燃性气体、有毒性气体进行检测。
7、目前实用气体方法很多，其中接触燃烧法和用半导体气敏传感器检测法具有使用方便、费用低等特点。 半导体气敏元件是60年代初期研制成功的，最先研制的是SnO薄膜元件。它是利用加热条件下SnO薄膜电阻随接触的可燃性气体浓度增加而下降，实现对可燃性气体检测。继而又发现在SnO烧结体中添加Pt或pd等贵重金属可提高灵敏度。 1968年诞生了商品半导体气敏元件，其后，其它材料的半导体气敏元件也相继投放市场。根据传感器的气敏材料以及气敏材料与气体相互作用的机理和效应不同主要可分为：半导体式、固体电解质式、电化学式、接触燃烧式等。固体电解质气敏传感器是利用被测气体在敏感电极上发生化学反应，所生成的离子通过固体电
8、解质传递到电极，使电极间产生的点位随气体分压而变化的原理来对气体进行检测的。电化学式气敏传感器是利用电极和电解质组成的电池中，气体与电极进行氧化还原反应，从而使两极间输出的电流或电压随气体浓度而变化的原理而制作的。燃烧式气敏传感器则是基于强催化剂使气体在其表面燃烧时产生的热量，而使贵重金属电极电导随气体浓度发生变化来对气体进行检测的。其他类型有光学式气敏传感器、石英振子式气敏传感器、表面声波式气敏传感器等形式。半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，应用极其广泛。本次设计采用电阻型半导体式传感器，电阻型半导体气敏传感器是利用气体在金属氧化物半导体表面的氧化和还原反应，导
9、致敏感元件阻值变化的原理来制作的。SnO是电阻型金属氧化物半导体传感器的气敏材料的典型代表，这类半导体传感器的使用温度较高，大约200500。为了进一步提高它们的灵敏度，降低工作温度，通常向母料中添加一些贵金属（如Ag,Au,Pb等）、激活剂及粘接剂（AlO, SnO ,ZrO等），SnO半导体气敏元件，目前以TGS型和QM-N5型气敏元件为主。4.1 SnO半导体气敏元件特点 1.SnO材料的物理、化学稳定性较好，与其它类型气敏元件(如接触燃烧式气敏元件)相比，SnO气敏元件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。 2.SnO气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、脱附时间短，可连续长时间使用。 3.元
10、件结构简单，成本低，可靠性较高，机械性能良好。 4.对气体检测不需要复杂的处理设备。可将待检测气体浓度直接转变为电信号,信号处理电路简单。4.2 SnO气敏元件的结构4.2.1 气敏元件分类：主要有三种类型：烧结型、薄膜型、厚薄型。其中烧结型气敏元件是目前工艺最成熟，应用最广泛的元件，这里仅对其结构加以介绍。4.2.2 气敏元件结构介绍a. 烧结型SnO气敏元件结构 烧结型SnO气敏元件是以多孔陶瓷SnO为基材(料粒度在1m以下)，添加不同物质，采用传统制陶方法，入行烧结。-烧结时埋渗透测量电极和加暖线，制成管芯，最后将电极和加暖丝引线焊在管座上,外加二层不锈钢网而制成元件。主要用于检测还原性
11、气体、可燃性气体和液体蒸气。工作时需加热到300左右.按其加暖方式又可分为直暖式和旁热式两种。 b. 直热式SnO气敏元件（又称内暖式） 1）组成：元件管芯由三部分组成：SnO基体材料、加暖丝、测量丝，它们都埋在SnO基材内。工作时加热丝通电加热，测量丝用于测量元件的阻值. 2）优点：制作工艺简单、成本低、功耗小、可以在高电压下使用、可制成价格低廉的可燃气体泄漏报警器。国内QN型和MQ型气敏元件. 3）缺点：热容量小，易受环境气流的影响；测量回路与加热回路间没有隔离，互相影响；加热丝在加暖和不加热状态下会产生胀缩，易造成接触不良。 c. 旁暖式SnO气敏元件 其管芯增加了一个陶瓷管，在管内放入
12、高阻加暖丝，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂SnO材料。这种结构克服了直热式的缺点，其测量极与加暖丝分开，加热丝不与气敏元件接触，避免了回路间的互相影响；元件热容易大，降低了环境气氛对元件加热温度的影响，并保持了材料结构的稳定性。目前国产QM-N5型气敏元件，日本弗加罗TGS#812、813型气敏元件采用这种暖式结构。本次设计选用国产QM-N5型气敏元件作为传感器部分。 4.3 SnO的基本性质4.3.1 SnO物理性质： SnO是一种白色粉末，密度为6.16-7.02g/cm 3，熔点为1127，在更高温度下才能分解，沸点高于1900的金属氧化物。 SnO不溶于水，能溶于热强酸和碱。S
13、nO晶体结构为金红石型结构，具有正方晶系对称，其晶胞为体心正交平行六面体，体心和顶角由锡离子占据。4.3.2 SnO的气敏效应 a. 经实验发现，多晶 SnO对多种气体具有气敏特性。 b. 多孔型SnO半导体材料，其电导率随接触的气体种类而变化。一般吸附还原性气体时电导率升高，而吸附氧化性气体时其电导率降低。4.3.3 影响SnO气敏效应的主要因素a. SnO具有金红石型晶体结构，用于制作气敏元件的 SnO一般都是偏离化学计量比的，在SnO中有氧空位或锡间隙原子，这种结构缺陷直接影响气敏器件特征。一般地说，SnO中氧空位多气敏效应明显。 b.SnO中添加物对气敏效应的影响实验证明，SnO中的添
14、加物质对其气敏效应有明显影响。4.4 QM-N5型气敏元件的性质及参数QM-N5型气敏元件是以金属氧化物SnO为主体材料的半导体气敏元器件它适用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气、烟雾等的检测，属于N型半导体元件，其阻值随有害气体的浓度升高而下降。QM-N5型气敏元件灵敏度较高，稳定性较好，响应和恢复时间短，在市场上应用广泛。4.4.1 QM-N5气敏元件的技术指标如下：加热电压（Uf）AC或DC 50.2V回路电压（VC） 最大DC 12V负载电阻（RL） 30清洁空气中电阻(Ra) 2000k灵敏度（S=RaRg）4（在1000ppm丁烷中）响应时间（tres）10S恢
15、复时间（tres）30S元件功耗0.7W检测范围5010000ppm（丁烷），使用寿命2年4.5 QM-N5的使用方法及注意事项：元件开始通电时，没有接触检测气体，其电导率也急剧增加，1分钟后达到稳定，这时方可正常使用，这段变化在设计电路时可采用延时处理解决，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。使用条件：温度：-1535 相对湿度：4575%RH 大气压力：80106Kpa4.6半导体气敏传感器的基本工作电路如图4.1 所示，负载电阻RL串联在传感器中，其两端加工作电压，加热丝f两端加上加热电压Uf在洁净空气中传感器的电阻较大，在负载电阻上的输出电压较小。图4.1 气敏传感器的基本工作电路5 电磁式继电器5.1 电磁式继电器的结构与工作原理电磁式继电器是应用得最早、最多的一种型式。其结构及工作原理与接触器大体相同。由电磁系统、触点系统和释放弹簧等组成，电磁式继电器原理如图5.l所示。由于继电器用于控制电路，流过触点的电流比较小(一般5A以下)，故不需要灭弧装置。 1.铁芯2.旋转棱角3.释放弹簧4.调节螺母5.衔铁6.动触点7.静触
