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甲醛,不易察觉又如影随形的“毒瘤”
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郑州炜盛电子科技有限公  王向涛/马振超/王  发布时间:2016-10-12

 甲醛,不易察觉又如影随形的“毒瘤”

 郑州炜盛电子科技有限公司  王向涛/马振超/王彦奇

 

引言:

    甲醛、二甲苯等有害气体作为粘结材料化学溶剂和食品防腐剂被大量的使用于公共设施家庭装修材料粘接、汽车装修材料粘接、家具材料粘结、地毯粘接、儿童玩具材料粘接、塑料制品粘接、成幼服装材料、食品添加剂等。因此,有毒有害气体时刻存在于我们周围,危害着人类的健康,尤其是孕妇、儿童与老人的身体健康。已知多种疾病和这些气体的毒害有关,例如,白血病、肿瘤、免疫系统疾病、呼吸疾病系统、皮肤病等。

空气中有毒气体释放周期较长,轻微超标时居住者不易察觉。超标四五倍时,居住者才能嗅出气味。电化学甲醛传感器模组是一款极具竞争力的模组,它充分站在应用者的角度来考虑,省去了标定测试的繁琐环节,让应用者不用担心甲醛气体对自身造成的伤害,同时还能保证产品的性能,让客户有一个全新的体验。

1 设计原理

1.1 传感器检测原理

 甲醛气体检测的关键部件是电化学甲醛传感器 。电化学甲醛传感器由工作电极和对电极组成,当被测甲醛气体扩散到传感器电极表面时,在电解质、催化剂三相界面间,通过催化剂的作用和水分子在电极上发生氧化还原反应,引起电子的转移,形成与被测甲醛气体浓度成正比的电极电流并遵循法拉第定律, 通过测试电流的大小即可判定甲醛浓度的高低。 

甲醛反应公式

工作电极:

    HCHO + H2O → CO2 + 4H+ + 4e-

   对电极:

   O2 + 4H+ + 4e-  2H2O

   总反应:

   HCHO + O2  CO2 + H2O

产生的扩散电流与空气中甲醛浓度成正比,这一电流转化为电压值并送给单片机处理后,由仪表读数或记录仪记录。

 

1.2 电路设计原理

    电化学甲醛传感器模组原理图如下图所示:

 

 

 

 其中:1:传感器保护电路;

   2:电流电压转换电路;

       3:模拟电压输入电路;

       4:DAC输出电路;

如上图所示,1部分为传感器的保护电路,采用P沟道JFET开关,在掉电情况下,漏极(D)和源极(S)处于导通状态,可以让传感器的工作电极和对电极在空气中吸附杂质积累的电荷释放掉,让传感器的电势达到平衡2部分为传感器感应到甲醛气体后将电流信号转换为电压信号的电路,负反馈的电阻的大小跟传感器自身信号的大小有关,需要根据传感器自身的反应情况来设置反馈电阻。3部分为感应到一定浓度的甲醛气体后,将相应的电压值送到单片机IO口进行采集计算,并转换为相应的甲醛气体浓度来驱动显示屏进行显示。4部分为经过单片机处理后的甲醛气体浓度按照模拟电压的形式进行传送的处理电路。其中,放大电路的核心器件是AD8629运放集成电路。AD8629 是双运放集成电路,采用SOP-8贴片封装。它的内部包含两组形式完全相同的运算放大器,偏置电压为1µV,输入失调漂移为0.002µV/°C。基本工作原理:在有甲醛气体的情况下,传感器的W、C电极之间会产生电荷移动,形成的电流与甲醛浓度成正比。产生的电流经过反馈电路转换为电压信号送给单片机单片机经过平滑滤波方式处理后,以数字形式将甲醛浓度送出。通过串口UART和模拟电压的形式送给外部设备接收。接收到的数据经过解析后驱动显示屏进行数据的显示。

 

1.3产品实物图

根据原理图,我们得到模组实物图,如下图所示:

 

 

该模组方形灰色部分为电化学甲醛传感器,7针1.25mm间距的白色端子。1脚未开放,2脚DAC (0.42V,对应0-满量程)3脚GND,4脚Vin(电压输入3.7V9V),5脚UARTRXD 03.3V数据输入,6脚UARTTXD 03.3V数据输出,7脚PWM输出。

 2 设计分析及数据处理

该电路的设计是根据电化学传感器的工作原理,在传感器的对电极上加0.3V左右的偏置电压,目的是防止信号负漂移对整体检测产生影响,并能使传感器性能更稳定。

关于传感器的数据处理, 首先要确定传感器的几个重要参数:灵敏度、重复性、响应时间、分辨率等, ME2-HCHO甲醛传感器(炜盛科技)的灵敏度为0.45±0.15μA/ppm,重复性测试数据表2,分辨率是0.02PPM,炜盛传感器的分辨率是在100Ω负载的基础上测试。而在实际应用电路中,放大倍数的大小要根据设计产品的显示量程和工作电压来确定。例如,在3.3V的工作电压下,量程显示5PPM时,传感器的放大电阻设定在850K左右合适。当使用单片机进行信号采集时,单片机AD的位数直接影响到分辨率的高低,正常情况下,分辨率在12位AD的情况下为0.01PPM,计算浓度时根据灵敏度的高低结合反馈电阻即可计算出甲醛浓度的大小。

因传感器在使用中都会受到温湿度的影响,所以在设计电路时需要考虑到温湿度补偿问题,温度补偿可以用NTC热敏电阻反馈补偿和软件做特征数据补偿。湿度补偿需要外接湿度传感器进行湿度检测后,根据湿度值的变化进行相应的软件处理。

 

2 ME2-HCHO甲醛传感器重复性测试

(甲醛测试,负载100Ω,单位mV

 

 

 

3 结论

经过大量的模组测试数据研究表明, AD8629运放集成电路和STM32单片机为硬件核心,采用燃料电池型电化学甲醛传感器进行设计的甲醛检测模组是可以准确检测甲醛气体浓度的。 

研究还发现甲醛检测模组需要较长的老化时间,6-8天带电老化能够保证传感器性能稳定。这样可以确保模组在使用过程中能更准确的检测环境质量的变化。

 

 


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