1、陕西国防学院机电工程学院毕业论文- 1 -摘要硫化氢很少用于工业生产中，一般作为某些化学反应和蛋白质自然分解过程的产物以及某些天然物的成分和杂质，而经常存在于多种生产过程中以及自然界中。如采矿和有色金属冶炼。煤的低温焦化，含硫石油开采、提炼，橡胶、制革、染料、制糖等工业中都有硫化氢产生。开挖和整治沼泽地、沟渠、印染、下水道、隧道以及清除垃圾、粪便等作业，还有天然气、火山喷气、矿泉中也常伴有硫化氢存在。人体释放出的屁是含有極小量（少於屁成分的 1%）的硫化氫。但由于硫化氢的毒性非常强，所以如果人们所处的环境存在硫化氢气体或者有可能突然出现大量硫化氢气体，为确保生命和财产安全，可以安装专业的硫化氢
2、气体传感器时刻检测空气中硫化氢气体的浓度值，以更加精确的知道硫化氢的浓度，当其浓度高出一定值时，通过气体探测报警器进行报警，从而更好的保护人与财产的安全。陕西国防学院机电工程学院毕业论文- 2 -目录第一章 H2S 气体第二章 气体传感器第三章 气体报警器第四章 H 2S浓度传感报警系统的设计第五章 设计体会陕西国防学院机电工程学院毕业论文- 3 -第一章 H2S 气体1.1 硫化氢的理化性硫化氢(H2S)为无色、有臭鸡蛋味、易燃、急性巨毒、酸性气体，别名氢硫酸。分子量为 34.08，蒸汽压为 2026.5kPa/25.5，闪点为UT 阀值时，栅极氧化层下的硅从 P 变为 N 型，N 型区将
3、S（源）和 D（漏）连接起来，形成导电通道（N 型沟道）。此时 MOSFET 进入工作状态，在 SD 间加电压 UDS，SD 间有电流 IDS 流过，IDS 随 UDS、UGS 变化。当 UGSUT 时，沟道没形成，无漏源电流IDS=0。UT（阀值）电压大小与金属与半导体间的功函数有关。PdMOSFET 器件就是利用 H2 在钯栅极吸附后改变功函数使 UT 下降，检测 H2 浓度。钯 PdMOSFET 管结构 陕西国防学院机电工程学院毕业论文- 9 -MOS 气敏器件的结构和等效电路MOS 结构的 C-U 特性和等效电路 肖特基二极管 金属和半导体接触的界面形成肖特基势垒，构成金属半导体二极管
4、。管子加正偏压，半导体金属的电子流增加，加负偏压，几乎无电流。当金属与半导体界面有气体时，势垒降低，电流变化（金属与半导体界面吸附气体，影响禁带宽度 Eg）。在正向偏压条件下，气体浓度增大，电流增大，输出电压增大。测试电流电压值可知气体浓度。非电阻型半导体气敏传感器主要用于氢气浓度测量。肖特基二极管陕西国防学院机电工程学院毕业论文- 10 -第三章 气体报警器气体报警器就是气体泄露检测报警仪器。当工业环境中可燃或有毒气体泄露时，当气体报警器检测到气体浓度达到爆炸或中毒报警器设置的临界点时，报警器就会发出报警信号，以提醒工作采取安全措施，并驱动排风、切断、喷淋系统，防止发生爆炸、火灾、中毒事故，
5、从而保障安全生产。3.1 结构构成工业用固定式气体报警器由报警控制器和探测器组成，控制器可放置于值班室内，主要对各监测点进行控制，探测器安装于气体最易泄露的地点，其核心部件为内置的气体传感器，传感器检测空气中气体的浓度。探测器将传感器检测到的气体浓度转换成电信号，通过线缆传输到控制器，气体浓度越高，电信号越强，当气体浓度达到或超过报警控制器设置的报警点时，报警器发出报警信号，并可启动电磁阀、排气扇等外联设备，自动排除隐患。便携式气体检测仪为手持式，工作人员可随身携带，检测不同地点的气体浓度，便携式气体检测仪集控制器，探测器于一体，小巧灵活。与固定式气体报警器相比主要区别是便携式气体检测仪不能外
6、联其他设备。3.2 分类按检测气体可分为：可燃气体报警器，有毒气体报警器和复合式气体报警器，气体报警器使用不同传感器检测不同气体，复合式气体报警器可同时检测可燃和有毒气体。按使用环境可分为：工业用气体报警器和家用燃气报警器。按自身形态可分为固定式气体报警器和便携式气体检测仪。可燃气体报警器由检测和探测两部分组成，具有检测及探测功能。可燃气体报警器检测部分的原理是仪器的传感器采用检测元件与固定电阻和调零电位器构成检测桥路。桥路以铂丝为载体催化元件，通电后铂丝温度上升至工作温度，空气以自然扩散方式或其它方式到达元件表面。当空气中无可燃性气体时，桥路输出为零，当空气中含有可燃性气体并扩散到检测元件上
7、时，由于催化作用产生无焰燃烧，使检测元件温度升高，铂丝电阻增大，使桥路失去平衡，从而有一电压信号输出，这个电压的大小与可燃性气体浓度成正比，信号经放大，模数转换，通过液体显示器显示出可燃性气体的浓度。探测部分的原理是当被测可燃性气体浓度超过限定值时，经过放大的桥路输出电压与电路探测设定电压，通过电压比较器，方波发生器输出一组方波信号，控制声，光探测电路，蜂鸣器发生连续声音，发光二极管闪亮，发出探测信号。从可燃气体报警器原理可以看出如果出现电磁干扰会影响探测的信号，出现数据偏差;如果出现碰撞、震动从而造成设备断路会现探测失灵；如果环境过分潮湿或设备进水，也有可能会引起可燃气体报警器出现短路,或线
8、路电阻值发生变化，出现探测故障。陕西国防学院机电工程学院毕业论文- 11 -第四章 H 2S浓度传感报警系统的设计4.1 系统的总体设计该设计的 H2S 气体浓度报警装置，采取单独利用硬件的开发方式，充分利用了气敏传感器及其他元件的特性，使其相辅相成，电路结构简单，使用元件相对较少，使其制作成本大大降低。下图即为 H2S 气体报警系统设计的方案框图，其主要组成电路为：电源电路、稳压电路、传感器及设定电压、比较电路、放大电路、风扇控制及报警电路。具体方案的工作流程分析：电源电路经过降压变压器向电路提供 12 V 的直流电源，经过稳压电路的三端稳压管后输出 8 V 稳定的电压，然后通过传感器后和设
9、定电压进行比较。当 H2S 气体浓度不超标的时候，传感器的输出电压比设定电压小，从而使比较电路中电压比较器反相端输出低电平，故不能驱动风扇报警电路工作。而当 H2S 气体浓度超标时，传感器的输出电压将大于设定的电压值，从而使比较电路中电压比较器同相端输出高电平，经过放大电路进行信号放大，然后输出驱动风扇控制的继电器线圈使风扇自动打开和音响报警电路发出连续声音报警信号。4.2 硬件电路的设计4.2.1电源模块的设计电源电路的主要包括两个部分：电源变压器和三端稳压管的选择。电源模块设计的基本思想是：采用 AC220 VACl2 V 的降压变压器得到一个交流的 12 陕西国防学院机电工程学院毕业论文
10、- 12 -V 电压。然后经过单相桥式整流电路把交流电流变成直流电流再经过滤波电容滤波之后，接到三端稳压管 7808 后，输出即为稳定的直流 8 V 电压。虽然整流滤波电路能将正弦波变换成较为平滑的直流电压，但是一方面由于电压平均值取决于变压器副边电压有效值，所以当电网电压波动时，输出电压平均值将随之产生相应的波动；另一方面由于整流滤波电路内阻的存在，当负载变化时，内阻上的电压将发生变化，于是输出电压平均值也随之产生相反的变化。因此，整流滤波电路输出电压会随着电网电压的波动而波动。随着负载电阻的变化而变化，为了获得良好的直流电压，必须采取稳压措施。即在电源电路中加入了 三端集成稳压 器 LM7
11、808 进行 稳压。三端稳压管是 指只有三条引 脚输出的集成电 路，用 78 系列三 端稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。一般三端集成稳压电路的最小输入输出电压差约为 2 V，否则不能输出稳定的电压。一般应使电压差保持在 45 V，即经变压器变压，晶闸管整流，电容器滤波后的电压应比稳压值高一些。因电路需要的电压为 8 V，而经变压器及整流装置输出的电压为 12 V 左右，故该设计选用 IC7808 型三端稳压管，输出 8 V 的稳定电压。电源及稳压电图4.2.2 气敏传感器的选择陕西国防学院机电工程学院毕业
12、论文- 13 -气敏传感器种类繁多。QM-N5 气敏传感器属 N 型半导体类气体传感器，以金属氧化物 SnO2 为主体材料。适用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、烯类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气、烟雾等的检测，灵敏度较高，稳定性较好，响应和恢复时间短，市场上应用广泛。QM-N5 气敏元件参数如下：标定气体（0.1%丁烷气体，最佳工作条件）中电压2V，响应时间10S，恢复时间30S，最佳工作条件加热电压 5V、测量回路电压 10V、负载电阻 RL 为 2K，允许工作条件加热电压 4.55.5V、测量回路电压515V、负载电阻 0.52.2K。清洁空气中电阻 （Ra）2000 K、检测范围50100
13、00ppm、灵敏度（S=Ra/Rdg）4(在 1000ppmC4H10 中)传感器电路设计的基本思想：电路通过三端稳压管 IC7808 输出 8 V 的恒定电压，供给传感器的加热电路和检测电路。加热电路需要 5 V 的电压才能正常工作，所以在传感器的加热电路上串联一个电阻使加热电路能够得到 5 V 的正常工作电压。检测电路由气敏传感器 QM-N5，R1 和滑动变阻器 R1 组成，输出电压进入电压比较器的同相输入端，它是 R1 和 RL 电阻两端的压降输出。H 2S 气体与传感器相接触并且浓度超标时，检测电路的输出电压将会超过设定的基准电压，这时比较器同相端输出高电平，使后面的三极管起到作用从而
14、驱动喇叭和继电器线圈进行工作。4.2.3 信号比较放大回路的设计信号比较放大电路的作用：当气体浓度超标时，传感器将输出比设定电压更大的电压信号。该信号经过电压比较器后正向输出，然后在经过放大三极管进行放大，从而有足够的电流去驱动继电器线圈和音响报警装置。信号比较放大的基本电路图4.2.4 报警通风装置电路的设计报警电路是系统的重要组成部分之一。要求设计的报警装置能够连续报警，故不能够直接在电路中接蜂鸣器和喇叭装置，必须在电路中接有能够连续产生脉冲信号的装置。多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源以后，不需要外加触发信号，便能自动地产生矩形脉冲，由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上又把
15、矩形波振荡器叫作多谐振荡器。555 定时器是一种多用途的数模混合集成电路，利用它能极方便地构成多陕西国防学院机电工程学院毕业论文- 14 -谐振荡器、施密特触发器等装置。它使用灵活、方便，所以 555 定时器在波形的产生与变换、测量与控制等很多领域都得到了广泛的应用。故该设计选择 NE555构成的多谐振荡器作为脉冲信号源。在 NE555 多谐振荡器的输出引脚接一个起放大作用的三极管，从而保证电路有足够大的电流去驱动扬声器。风扇控制电路也是系统的组成部分之一。该设计的风扇控制采用了继电器控制的方式。继电器是一种根据外界输入的一定信号(电的或非电的)来控制电路中电流“通”与“断”的自动切换电器。它
16、主要用来反映各种控制信号，其触点通常接在控制电路中。报警通风装置电路第五章 设计体会6.1 报告总结本文从拟定题目到定稿经历了一个多月的时间，在这个设计的完成之际，我们内心也有很多的感激与感谢。首先要向我的指导老师致以诚挚的谢意。在我们做设计的过程中，老师给了我们很多的帮助与关心。在老师的指导中，我不但学会了一些专业，也学会了为人处事等多方面的知识。我们看到了老师对工作的积极热情，认真负责的态度给我们留下了深刻的印象。使我受益匪浅，在此我向我的老师表示深深的敬意和衷心的感谢。同时，我要感谢学院给我们授课的各位老师，正是她们的传道授业，给我们不断的指导，让我学到了很多专业知识，也从他们身上学到了
17、如何求知治学，以及如何为人处事。然后，我也要感谢我的同学们，在这设计的过程中，他们给了我很大的帮助与鼓励，也给了我很多的关心，这也让我非常的感动，在这我也要他们表示深深的感谢。陕西国防学院机电工程学院毕业论文- 15 -最后，我要感谢我的家人和我的朋友，她们给了我关心，理解，与支持，使我在前进的道路上有很大的动力，更使我在迷茫的时候看到了无限的光芒。在以后的道路上我会不断的学习，进步，做生活的强者。6.2 心得体会这个设计中融合着我近一个月的辛苦努力，从刚开始的毫无头绪到慢慢开始着手做，我都要参考好多的专业知识，从中我真正的体会到了我在课堂上学到的知识都是需要我自己认真理解才能真正的得心应手的应用。也由于我是在上班期间挤出时间来写这个设计，所以许多时候经常会打断我的思路。这更是让我感觉困难重重，许多时候，我都需要打电话问同学，需要和他们一起商量着来完成。在这期间我也真的很感谢与我同组的同学给我的帮助，我这个设计的完成离不开他们的帮助和指导， 。参考文献1 陶红艳 余成波主编.传感器与现代检测技术M.第三版.北京：清华大学出版社，2009
