معرفی سنسورهای سری MQx (MQ2، MQ3، MQ4، MQ5، MQ6، MQ7، MQ8، MQ9، MQ131، MQ135، MQ137، MQ138، MQ214)

معرفی سنسورهای سری MQx

در این مقاله قصد داریم شما را با سری سنسورهای MQ آشنا کنیم. این سنسورهای برای ایجاد ایمنی بسیار در زندگی ما با اهمیت هستند.

اکسیژن موجود در اتمسفر، الکترون­ها را از لایه دی­اکسید قلع، حذف کرده و رسانایی آن را کاهش    می­دهد. همین امر منجر به افزایش مقاومت لایه قلع می­شود. گازهای دیگر، به خصوص گازهای شیمیایی، باعث کاهش تماس الکترون­های لایه دی­اکسید قلع می­شوند؛ لذا در ماده به راحتی تزریق شده و باعث افزایش رسانایی و در نتیجه کاهش مقاومت لایه قلع می­شوند. این سنسورهای مبتنی بر لایه دی­اکسید قلع، بر خلاف برخی از سنسورهای خاص (مثل سنسور تشخیص الکل یا مونواکسید کربن)، بازه­های وسیع­تری از گازها را تشخیص می­دهند. با قرار دادن کاتالیزورهایی در داخل سنسور و یا فیلترهایی در خارج از سنسور قادر به انتخاب بازه محدودتری از گازها هستیم. امروزه، سنسورهای فراوانی را می­توان یافت که انواع گازها را شامل متان (گاز طبیعی)، بوتان، مونواکسید کربن، دی اکسید کربن، الکل، بنزن، گاز مایع، آمونیاک و.... تشخیص می­دهند. تمام گازهای نامبرده، جزو آلوده­کننده­های محیط بوده و بسته به غلظتشان می­توانند برای انسان و محیط زیست، مضر باشند. سنسورهای گاز سری MQ یکی از محبوب­ترین و مرسوم­ترین سنسورهای قابل استفاده برای کاربران است. بطور مثال MQ2 تا MQ7، سنسورهای این خانواده در کاربردهای خاص هستند. علت محبوبیت این خانواده، سادگی راه­اندازی، سرعت پاسخ­دهی، پوشش وسیع و حساسیت مناسب آن است. البته، برای عملکرد صحیح این سنسورها، قبل از شروع اندازه­گیری، باید فلز داخلی آن را برای مدت زمان خاص (مثلاً 30 ثانیه) گرم کرد. این سنسورها دارای یک هیتر داخلی هستند که به کمک آن، فلز حساس را گرم کرده تا نسبت به گازهای اتمسفر واکنش بهتری را نشان دهند. بسته به میزان غلظت گازهای آلوده­کننده، مقدار مقاومت فلز تغییر کرده و سپس به کمک یک پردازنده مجهز به ADC، می­توان تغییرات را ردیابی کرد. نکته اینکه در برخی مدل­های سنسور، نیاز است تا ولتاژ 5+ ولت به دو سر هیتر و فلز متصل شود. در برخی از انواع، نیز کافیست ولتاژ 2 ولت به دو سر هیتر از طریق پورت آنالوگ به صورت pwm اعمال شود. همچنین برخی از انواع این سنسورها نیاز به پیش گرم شدن به مدت زمان 12 تا 24 ساعت دارند. بنابراین لازم است تا دیتاشیت سنسور مورد نظر به دقت بررسی شود.

PPM چیست؟
قسمت در میلیون (به اختصار ppm) نسبت یک گاز به گاز دیگر است. به عبارت ساده، اگر با غلظت اکسیژن در هوا سر و کار داریم، 1000 ppm O2 در هوا به این معنی است که اگر یک میلیون مولکول گاز داشته باشیم، 1000 مولکول از این اکسیژن و 999000 دیگر هوا است. همین مفهوم برای واحدهای مختلف غیر از میلیون ها به کار می رود، مانند:
میکروگرم بر متر مکعب (µg/m³)
میلی گرم بر متر مکعب (mg/m³)
قسمت در میلیارد (ppb)
میلی لیتر در لیتر (ml/L)

درصد غلظت چیست؟
واحد دیگر برای اندازه گیری غلظت گاز، درصد غلظت است. به درصد یک گاز خاص در مخلوطی از گازهای مختلف اشاره دارد. به عبارت ساده، درصد کل 100 در مخلوط است. به عنوان مثال، غلظت 20 درصد مونو اکسید کربن (CO) در هوا به این معنی است که 20 درصد CO در هوا و 80 درصد دیگر گازها در یک منطقه خاص هستند.
در سری سنسورهای گاز MQ معمولاً از ppm برای توصیف عملکرد سنسور با توجه به غلظت استفاده می شود. رابطه بین این دو واحد به صورت زیر نشان داده شده است:
1 پی پی ام = 1/10،00،000 = 0.0001٪ 

 در این بخش، مشخصات برخی از سنسورهای خانواده MQ را بیشتر بررسی خواهیم کرد.

سنسور MQ2

این سنسور، حساسیت بالایی نسبت به گاز مایع (LPG)، گاز متان (مولفه ابتدایی و اصلی گاز طبیعی و یک گاز گلخانه­ای قوی)، بوتان، پروپان، الکل، هیدروژن و دود دارد. دود، در واقع، ناشی از احتراق ناقص سوخت­های فسیلی است. در دیتاشیت این سنسور ذکر نشده است که چه نوع ترکیبی از دود را تشخیص می­دهد، ولی از آنجاییکه این سنسور قادر به تشخیص گازهای هیدروکربناتی خاص است، لذا، قادر به تشخیص دودهای هیدروکربناتی نظیر اجزای مستخرج از اگزوز اتوموبیل یا گازهای ناشی از احتراق گاز طبیعی است. بنابراین از این سنسورها می­توان برای سیستم­های امنیتی اعلان حریق در منازل یا صنعت استفاده کرد. این سنسور شش پایه دارد که دو تای آن برای تغذیه، دوتای آن برای هیتر و دوتای دیگر شامل خروجی­های آنالوگ و دیجیتال هستند. نحوه عملکرد سنسور به این صورت است که با افزایش غلظت گازهای قابل تشخیص، ولتاژ آنالوگ تولید شده افزایش می­یابد. برخی از مدل­های ماژولار این سنسور، مجهز به پتانسیومتر برای تنظیم حساسیت و همچنین تراشه­های    تقویت­کننده و محدودکننده سطح هستند. شکل زیر یک سنسور MQ2 به همراه ماژول آن را نشان می­دهد.

همانطور که در شکل ملاحظه می­شود، دو سر فلز با حروف A و B مشخص شده و دو سر هیتر داخلی با H علامت­گذاری شده است. با اعمال ولتاژ 5 ولت به دو سر هیتر، فلز، سنسور شروع به گرم شدن می­کند. تقریباً حدود یک ساعت (البته بسته به دیتاشیت سنسور) نیاز است تا فلز کاملاً آماده تشخیص نوع گاز شود. پس از آماده شدن فلز از نظر حرارتی، ولتاژ خروجی سنسور بر روی مقدار مشخصی (مثلاً 73/0) ثابت خواهد شد.

دو مد کالیبراسیون و اندازه­گیری داریم. در مد کالیبراسیون مقدار مقاومت سنسور را در هوای پاک به دست می­آوریم. سپس اندازه­گیری­ها را برای محاسبه مقاومت سنسور در هوای آلوده تکرار می­کنیم. منحنی­های گازها در محور افقی، میزان غلظت و در محور عمودی ضریب Rs/Ro را شامل می­شود. اگر یک نقطه بر روی خط منطبق بر منحنی غلظت، از قبل دانسته شده باشد، آنگاه می­توان نقطه دیگر را از رابطه خطی (y-y0)=m(x-x0) به دست آورد. منحنی سنسور MQ2 در شکل زیر نمایش داده شده است.

سنسور MQ3 :

این سنسور، قابلیت تشخیص گاز الکل را دارد. خروجی آنالوگ این سنسور بین 150 تا 1023 و ولتاژ ورودی آن 5 ولت است. با افزایش گاز الکل و برخورد مولکول­های آن با فلز داخل سنسور، هدایت الکتریکی فلز افزایش یافته و همین امر سبب تغییرات مقاومت و در نتیجه تغییر ولتاژ خروجی خواهد شد. 

سنسور گاز MQ4
این سنسور از سری سنسورهای MQ دارای زمان پاسخگویی سریع و خروجی پایدار است که آن را به انتخابی عالی برای پروژه های مختلف تبدیل می کند. این سنسور می تواند گاز طبیعی و متان را تشخیص دهد و یک حسگر قابل اعتماد، در میان گزینه های دیگر است. دو LED در ساختار آن از ویژگی های خاص این ماژول است که به عنوان چراغ های خروجی عمل می کند. هدف این چراغ ها در اینجا توضیح داده شده است:
خروجی در چراغ سبز روی ماژول نشان می دهد که غلظت گاز کمتر از حد بحرانی است.
خروجی چراغ قرمز نشان می دهد که غلظت گاز هدف کمتر از مقدار بحرانی است.

سنسور MQ5:

این سنسور مشابه، MQ2 قادر به تشخیص گازهای مونواکسیدکربن، متان، گاز مایع، هیدوژن و الکل در غلظت­های 200 تا ppm10000 است. البته قابل ذکر است که سنسور MQ2 در برخی موارد قادر به تشخیص غلظت­های محدودتری است. مثلاً MQ2 قادر به تشخیص متان در غلظت 5000 تا ppm10000 است. همچنین قادر به تشخیص هیدروژن، پروپان و گاز مایع در رنج 300 تا ppm5000 است. اما در تشخیص دود و مونواکسیدکربن مشابه MQ5 است. 

سنسور تشخیص گاز LPG بوتان MQ6

سنسور گاز MQ6 عضوی از سری سنسورهای گاز MQ است که عمدتاً برای تشخیص گاز LPG بوتان (ساخته شده از بوتان و پروپان) استفاده می شود اما برای سایر گازها مانند بوتان، پروپان، متان، الکل، هیدروژن و دود نیز حساسیت دارد. زمان پاسخ سریع یکی از ویژگی های قابل توجه این سنسور است که آن را به انتخاب خوبی برای تشخیص LPG در میان سایر موارد موجود در بازار تبدیل می کند. این یک سنسور مقرون به صرفه با زمان پاسخگویی سریع است، بنابراین یک گزینه قابل اعتماد است. درست مانند سایر ماژول های سری MQ، می تواند با آردوینو نیز کار کند و کاربر به سادگی باید پین آنالوگ خود را به مدار آردوینو متصل کند.

سنسور MQ7:

این سنسور برای تشخیص گاز مونواکسیدکربن (CO) طراحی شده است. محدوده غلظت اندازه­گیری شده توسط این سنسور بین ppm100 تا ppm1000 است.

همانطور که می دانیم مونوکسید کربن یک گاز خطرناک و مضر است که حتی می تواند کشنده باشد. این گاز بی رنگ و بی بو است، بنابراین تشخیص وجود آن دشوار است، بنابراین، انواع حسگرها و نشانگرها برای ایمن ساختن مکان‌ها به ویژه آن‌هایی که احتمال تولید گاز مونوکسید کربن به عنوان محصول جانبی وجود دارد، مورد نیاز است. در اینجا، یکی از امیدوارکننده‌ترین آشکارسازها، حسگر مونوکسید کربن MQ-7 است که فوراً حضور را تشخیص داده و نشان می‌دهد تا کاربران بتوانند جان خود را نجات دهند. این محبوب ترین انتخاب برای این منظور به دلیل هزینه کم، عملکرد بالا و پاسخگویی سریع است.

ماده حساس سنسور گاز مونوکسید کربن MQ-7 دی اکسید قلع (SnO2) است. این یک ماده واکنش پذیر به مونوکسید کربن است و کار اساسی این سنسور به فرآیند گرمایش این عنصر حسگر بستگی دارد. مونوکسید کربن (CO) معمولاً در هوای تازه وجود ندارد، بنابراین سنسور تا زمانی که نشت یا خطری را احساس نکند هیچ سیگنالی را ایجاد نمی کند.

سنسور تشخیص گاز هیدروژن MQ8:

هیدروژن یک گاز بی رنگ و بی بو است که حتی در غلظت های پایین قابل اشتعال است. بنابراین، تشخیص زودهنگام این گاز مهم است. سنسور گاز MQ8 یک انتخاب ایده آل برای آن است زیرا مکانیزم آن برای تشخیص هیدروژن در محدوده 100 تا 1000 ppm طراحی شده است. به گازهای دیگر مانند دود و ال پی جی نیز حساسیت دارد اما در این موارد بهترین عملکرد را ارائه نمی دهد. زمان پاسخگویی سریع دارد و کوچک است، بنابراین ممکن است در مدارهای مختلف قرار گیرد.

دمای کارکرد این سنسور 5 ولت است و تقریباً در همه انواع پروژه ها قابل استفاده است. خروجی آنالوگ و دیجیتال را تولید می کند. بنابراین بدون نیاز به میکروکنترلر قابل استفاده است. خروجی دیجیتال از 0 ولت تا 5 ولت متغیر است و از منطق TTL پیروی می کند. عملکرد پایدار آن 20 ثانیه پس از روشن شدن آن است، بنابراین منبع قابل اعتمادی برای تشخیص گاز هیدروژن است.

سنسور MQ9:

این سنسور می تواند گازهایی مانند مونوکسید کربن، CH4 و LPG را تشخیص دهد. عمر طولانی و ساختاری ساده دارد و قلب این سنسور گاز، عنصر حسگر مدار گرمایش است. معمولاً چنین حسگرهایی بخشی از پروژه های بزرگ هستند که در آن گاز هدف را حس می کنند و سیگنالی را برای هشدار ارسال می کنند.

گازهای متان و پروپان گازهای قابل احتراقی هستند که در صورت نشت ممکن است تهدید کننده باشند. با افزایش غلظت گازهای هدف در محیط، حسگر MQ-9 با دقت آنها را با سرعت بیشتری جذب می کند و حضور آنها را از طریق مقادیر آنالوگ در پایه آنالوگ ماژول خود منتقل می کند.

یک ماده سرامیکی در هسته MQ-9 وجود دارد. این ماده سرامیکی معمولاً آلومینا (Al2O3) است که وظیفه تامین مقاومت مکانیکی عنصر حسگر را بر عهده دارد. دلیل استفاده از آلومینا پایداری حرارتی و مقاومت الکتریکی بالای آن است به طوری که هیچ گونه تداخلی در مقادیر سنسور ایجاد نمی کند.

قلب این سنسور، عنصر حسگر است که گاز هدف را جذب کرده و حضور آن را حس می کند. این یک ساختار کوچک استوانه ای شکل است که با اکسید قلع (SnO2) ساخته شده است. دور مواد سرامیکی به شکل یک لایه یکنواخت پیچیده می شود.

همانطور که قبلا ذکر شد، مدار گرمایش کوچکی در زیر عنصر حسگر وجود دارد. این یک سیم پیچ ساخته شده از سیم نیکروم است که در زیر لایه مواد سرامیکی تعبیه شده است. این می تواند عنصر حسگر را تا حدود 300 درجه سانتیگراد گرم کند. این گرما می تواند کار کل سنسور را شروع می کند.

بستر سرامیکی دارای تماس های فلزی در دو طرف است که مسئول رابط بین عنصر حسگر و مدار هستند. این الکترودها همچنین اجازه می دهند جریان الکتریکی از عنصر حسگر عبور کند تا تغییری در رسانایی الکتریکی ایجاد کند و این راه اساسی برای احساس وجود گاز است.

یکی از ویژگی های منحصر به فرد MQ-9 که آن را از سایر المان های سری MQ متمایز می کند، محدوده وسیع تشخیص گاز آن است. این سنسور مخصوص یک گاز تخصصی نیست، بلکه می تواند چندین گاز را تشخیص دهد، که آن را به یک سنسور همه کاره تبدیل می کند. لیست گازهای قابل تشخیص برای این سنسور در زیر آمده است:

متان (CH4)

پروپان (C3H8)

گاز مایع (LPG)

مونوکسید کربن (CO)

این سنسور گاز همه کاره تر و مقرون به صرفه تر است و بنابراین در زمینه هایی مانند صنایع و ایمنی خانه ترجیح داده می شود.

ساختار ساده ای دارد که منابع کمتری مصرف می کند.

دارای زمان پاسخگویی سریع است که امکان هشدارها و اقدامات سریع را فراهم می کند.

دارای طراحی جمع و جور و قابل حمل است که آن را برای مدارهای مختلف مناسب می کند.

همانطور که ذکر شد، MQ-9 می تواند چندین گاز را تشخیص دهد، اما درک این نکته مهم است که زمان پاسخ و حساسیت این سنسور برای همه اینها متفاوت است. این عوامل به واکنش شیمیایی بین عنصر حسگر و گاز هدف بستگی دارد و در اینجا به مقایسه عملکرد سنسور گاز MQ-9 با گازهای مختلف در قالب یک نمودار می‌پردازیم:

همچنین سنسورهای MQ131، MQ135، MQ136 و MQ137 به ترتیب حساس به ازن، (بنزن، الکل، دود)، سولفید هیدروژن و آمونیاک می­باشند. دقت داشته بشید برای تنظیم و راه­اندازی هر سنسور، لازم است به دیتاشیت آن مراجعه شود. بطور مثال سنسور MQ137 که قادر به تشخیص گاز آمونیاک استط را در اینجا مورد بحث قرار می دهیم.

سنسور تشخیص گاز ازن MQ131

سنسور گاز MQ131 برای تشخیص گاز ازن در اطراف آن بطور تخصصی بکار گرفته می شود. این سنسور مانند سنسورهای گاز MQ7 و MQ9 عمل می کند، به این معنی که در دماهای پایین، وجود گاز ازن را تشخیص می دهد و در دمای بالا، لایه تخلیه اطراف عنصر حسگر آن در هوا جذب می شود، بنابراین تمام گازهای جذب شده دیگر را حذف می کند.

افزایش غلظت ازن منجر به افزایش رسانایی آن می شود و می تواند ازن (بسیار حساس)، CL2، NO2 و برخی گازهای دیگر را تشخیص دهد.

سنسور تشخیص گاز MQ135
MQ135 به دلیل طیف گسترده ای از گازها که به راحتی می تواند تشخیص دهد، دستگاه همه جانبه آشکارساز گاز نیز نامیده می شود، بنابراین راه حلی برای تشخیص گاز در صنایع مختلف است. گازهای اساسی که می تواند تشخیص دهد NH3، NOx، الکل، بنزن، دود و CO2 هستند، اما به آمونیاک، سولفید، دود و سایر گازهای مضر نیز حساس است.

در برخی موارد، آن را به عنوان یک سنسور کیفیت هوا در نظر می گیرند زیرا می تواند چندین ناخالصی را در هوا تشخیص دهد.

سنسور تشخیص گاز آمونیاک MQ137

M

­ این سنسور دارای حساسیت بالایی است و بنابراین می تواند وجود گاز آمونیاک را حتی در غلظت های پایین تشخیص دهد.

وجود پایه خروجی دیجیتال این سنسور را حتی بدون میکروکنترلر نیز قابل استفاده می کند.

مدار به گونه ای طراحی شده است که در مقایسه با بسیاری از سنسورهای دیگر، خروجی پایدار و عملکرد قابل اعتمادی را نشان می دهد.

گستره وسیع تشخیص گاز به این سنسور اجازه می دهد تا در مقادیر تطبیق پذیری داشته باشد و گاز را از فاصله دور نیز تشخیص دهد. دارای زمان پاسخگویی سریع است که باعث اطمینان بیشتر آن می شود.

نقشه مداری این سنسور به صورت زیر است:

توضیح هر قسمت از مدار بالا به شکل زیر است

Vc: ولتاژ حلقه (معمولاً ≤ 24 ولت DC)

VH: ولتاژ هیتر (معمولاً 5.0 ولت ± 0.1 ولت AC یا DC)

RL: مقاومت بار (که توسط VR1 قابل تنظیم است)

VR1: مقاومت متغیر (که برای تنظیم RL استفاده می شود)

PH: توان مصرفی هیتر (معمولا ≤ 900 میلی وات)

RH: مقاومت هیتر (در دمای اتاق، معمولاً 29Ω ± 3Ω)

△Vs: ولتاژ خروجی (تفاوت بین ولتاژ هوا و ولتاژ در 50ppm NH3، معمولاً ≥ 0.5V)

α: شیب غلظت (نسبت مقاومت در 200ppm NH3 به مقاومت در 50ppm NH3، معمولاً 0.6 ≤)

اصول کارکرد سنسور MQ137

مطالعه ساختار ساده این سنسور که در بالا ذکر شد به ما کمک می کند تا اصل کار آن را تنها در چند مرحله درک کنیم:

به محض روشن شدن سنسور، سیم پیچ مدار هیتر کار خود را شروع می کند و دمای مدار به تدریج افزایش می یابد. معمولاً پیش گرمایش 20 تا 30 ثانیه طول می کشد.

هنگامی که دما به 300 درجه سانتیگراد می رسد، دمای گرمایش به جای افزایش دما، فقط روی حفظ دما کار می کند.

در این دما، عنصر حسگر، اکسید قلع متصل به مدار گرمایش از طریق الکترودها تحریک می شود تا اکسیژن هوای اطراف را جذب کند. این واکنش باعث ایجاد ناحیه تخلیه یون های اکسیژن در اطراف عنصر حسگر می شود. این تجمع منجر به افزایش مقدار مقاومت الکتریکی می شود.

سنسور در این شرایط کار می کند و برای تشخیص گاز آمونیاک به راحتی در دسترس است.

هنگامی که گاز آمونیاک به محیط اطراف نشت می کند، منطقه تخلیه (یون های اکسیژن) با آمونیاک واکنش نشان می دهد که منجر به جذب لایه تخلیه می شود. مقادیر جریان به طور مداوم روی پایه آنالوگ ایجاد می شود.

جذب لایه تخلیه منجر به مقاومت کمتر می شود. این مقادیر در خروجی پایه آنالوگ نشان داده شده و وجود گاز آمونیاک را نشان می دهد. مقادیر بالاتر به معنای غلظت بیشتر گاز هدف در محیط اطراف است و بالعکس.

اگر مقدار آنالوگ از حد آستانه فراتر رفت، از پایه دیجیتال برای دریافت سیگنال استفاده می شود. به این ترتیب، سنسور حتی برای عملکردهای اصلی نیازی به میکروکنترلر خارجی ندارد.

همانطور که قبلا ذکر شد، سری سنسورهای گاز MQ چندین سنسور را ارائه می دهد که با گروه خاصی از گازها مرتبط هستند. در اینجا لیستی از تمام اعضای موجود در خانواده سنسور MQ آمده است: