物聯網體系架構中氣敏傳感器的應用及教學研究

摘? 要：傳感器作為新技術的物聯網應用技術的核心要素，在物聯網技術中進行設備的檢測和聯系中起著非常重要的作用。本文通過向學生介紹的氣敏傳感器的基本原理，借助于直觀的實驗數據和實驗現象，將氣敏傳感器的關鍵技術和具體應用分析透徹，為學生以后的物聯網應用技術的設置及開發打下基礎。

關鍵詞：物聯網應用技術;氣敏傳感器;電壓測量

2009 年溫總理在無錫考察物聯網傳感器產業發展時，明確指出，一切的出發點要以未來為基礎，對核心技術要加大力度的研究，并鼓勵大家建立中國自主研發的傳感器技術，建設中國自己的傳感信息中心——“感知中國”。[1]而在物聯網應用技術中，傳感器起著非常重要的作用，就像是人類的神經末梢把感受到的感覺轉化為神經沖動傳輸給神經系統一樣，可以把物質世界轉化為數字，通過這個過程讓人類更容易清楚地了解事情，通過物聯網技術，將人與物完美的聯系在一起。

一、氣敏傳感器的認識

傳感器已融入到人們生活的方方面面，為我們的生活提供了諸多的便利。氣敏傳感器是我們生活中應用范圍較廣的一種，它可用來測量氣體的類型、濃度和成分，能把氣體中的特定成分檢測出來，并將成分參量轉換成電信號的器件或裝置。也稱氣體傳感器。[2]

它將氣體種類及其與濃度有關的信息轉換成電信號，根據這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環境中的存在情況有關的信息，從而可以進行檢測、監控、報警;還可以通過接口電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統。氣敏傳感器是一種把氣體中的特定成分檢測出來，并把它轉換為電信號的器件。它具有結構簡單，使用方便，性能穩定、可靠，靈敏度高等諸多優點。在實際市場應用中，氣敏傳感器的應用主要有如下幾個方面：一氧化碳氣體的檢測、瓦斯氣體的檢測、煤氣的檢測、氟利昂（R11、R12）的檢測、呼氣中乙醇的檢測、人體口腔口臭的檢測等等。

按照氣體傳感器的結構特性，一般可以分為以下幾種：

半導體型氣敏傳感器;電化學型氣敏傳感器;固體電解質氣敏傳感器;接觸燃燒式氣敏傳感器;光化學型氣敏傳感器;高分子氣敏傳感器;紅外吸收式氣敏傳感器等。

半導體型氣體傳感器是運用范圍最廣的氣體傳感器，它的作用原理主要概述為，與氣體相互作用時產生表面吸附或反應，引起以載流子運動為特征的電導率或伏安特性或表面電位變化。借此來檢測特定氣體的成分或者測量其濃度，并將其變換成電信號輸出。

對于半導體氣體傳感器，按照半導體變化的物理性質，可分為電阻型和非電阻型兩種。電阻型半導體氣體傳感器是利用半導體接觸氣體時其阻值的改變來檢測氣體的成分或濃度;而非電阻型半導體氣體傳感器則是根據對氣體的吸附和反應，使半導體的某些特性發生變化對氣體進行直接或間接檢測。

二、氣敏傳感器的教學

為了讓學生能夠對氣敏傳感器有直觀的認知，我們通過實驗操作來進行組織教學。在實驗中，我們主要通過上文中提到的氣敏傳感器，來完成氣敏傳感器應用即空氣質量傳感實驗，來講解氣敏傳感器的工作原理，使學生了解氣敏傳感器電路的工作特點及原理，掌握氣敏傳感器傳感模塊的原理并掌握其測量方法，從而掌握對該傳感器在物聯網應用技術中的作用。

（一）相關實驗設備

教學中的實驗設備采用的是新大陸公司的NEWLab實驗箱。 NEWLab氣敏傳感器模塊主要包含如下：①MQ-2氣體傳感器;②靈敏度調節電位器;③靈敏度電壓測試接口J10，測試有害氣體濃度閥值電壓，即比較器1負端（3腳）電壓;④比較器電路;⑤數字量輸出接口J7，測試比較器1輸出電平電壓;⑥模擬量輸出接口J6，測試氣體傳感器感應電壓，即比較器1正端電壓;⑦接地GND接口J2。

繼電器模塊電路：繼電器是一種當輸入量（電、磁、聲、光、熱）達到一定值時，輸出量將發生跳躍式變化，使被控制的輸出電路導通或斷開的自動控制器件。繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統（又稱輸入回路）和被控制系統（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。

指示燈模塊和風扇模塊電路：指示燈模塊接到繼電器的常開開關上，風扇接入繼電器的常閉開關上，當氣敏傳感器模塊輸出低電平時，風扇模塊工作，指示燈模塊停止工作;當氣敏傳感器模塊輸出高電平時，繼電器工作，常開和常閉開關工作狀態發生變化，指示燈模塊開始工作，風扇模塊停止工作。

（二）氣敏傳感器的檢測實驗操作

空氣質量傳感模塊工作時需要有三個模塊，分別是氣體傳感器模塊、繼電器模塊、風扇模塊。（1）將NEWLab實驗硬件平臺通電并與電腦連接。（2）將氣體傳感器模塊、、繼電器模塊分別放置在NEWLab實驗平臺一個實驗模塊插槽上，風扇模塊放置好，并將三個模塊連接好。（3）將模式選擇調整到自動模式，按下電源開關，啟動實驗平臺，使空氣質量傳感模塊開始工作。（4）啟動NEWLab實驗上位機軟件平臺，選擇氣敏傳感器實驗。（5）選擇硬件連接說明，上位機軟件平臺檢測硬件通過，如果點擊連線提示燈亮，則連線指示燈開始閃爍，表示連線成功。（6）選擇場景模擬實驗，上位機軟件測試硬件平臺的空氣質量傳感模塊正常工作，并進入工作界面。

實驗測量：（1）設置空氣質量采集靈敏度閥值，先進行調零測試，測量圖如圖3所示，測得調零電壓為1.048伏。（2）測量空氣質量正常時的參數，其氣體傳感器輸出的模擬量輸出電壓如圖4所示，測得電壓為311.4毫伏。 進行有害氣體測量，此時，我們通過釋放打火機中的氣體，對氣敏傳感器進行測量，當有害氣體濃度過高時，電壓發生變化，此時測得的模擬量電壓為326.2毫伏，繼電器啟動，風扇開始工作。

三、總結

通過對氣敏傳感器原理的介紹，實驗數據的測量，能夠在教學中體現氣敏傳感器在物聯網應用技術中的作用以及如何進行相關的檢測，有利于對物聯網應用技術中傳感器類的課程進行理論和實踐教學，提高了學生從該課程中如何從事實際工程所需的知識和技能。

參考文獻

[1] 溫家寶.讓科技引領中國可持續發展. 新華網.2009年11月23日

[2] https：//baike.so.com/doc/7013498-7236385.html

[3]新大陸科技公司.NEWlab實驗箱實驗參考指南

基金項目：廣西工業職業技術學院科學研究項目《基于物聯網體系架構的智能傳感器技術應用與研究》，項目批準文號：桂工業院教〔2019〕15號，項目編號（桂工業院科研2019015KY036）。

作者簡介：彭輝（1974- ），男，漢族，湖南湘潭人，副教授/高級工程師，碩士，研究方向：計算機應用技術，物聯網應用技術。146F2B76-6673-4035-A454-A9A2852FFBBF