Capteurs chimiorésistifs : définition, fonctionnement, types et exemples pratiques avec MQ-135, MQ-9 et MQ-3

Les progrès en matière de détection de gaz ont révolutionné l'électronique domestique et industrielle, offrant des dispositifs abordables et simples pour surveiller l'environnement et protéger la santé et la sécurité. Dans ce domaine, Capteurs chimiorésistifs de la série MQ Ils sont devenus une référence incontournable tant pour les passionnés d’électronique que pour les professionnels intéressés par le contrôle de la qualité de l’air, la prévention des risques ou la conception de nouvelles applications IoT.

Si vous êtes arrivé jusqu'ici, vous êtes probablement curieux de savoir exactement Qu'est-ce qu'un capteur chimiorésistif ?, comment des modèles spécifiques tels que le MQ-135, MQ-9 ou MQ-3, et quelles sont leurs différences pratiques. Préparez-vous, car cet article va bien au-delà d'une simple définition : vous y trouverez une explication détaillée, des exemples concrets, des instructions de connexion et des détails d'étalonnage, ainsi que toutes les clés pour comprendre et intégrer ces appareils dans vos propres projets.

Qu'est-ce qu'un capteur chimiorésistif ?

Un Un capteur chimiorésistif est un dispositif capable de détecter et de mesurer la concentration de certains gaz ou composés chimiques dans l'air. En modifiant sa résistance électrique interne. Lorsque le capteur est exposé à une substance spécifique, comme le monoxyde de carbone, l'ammoniac, l'alcool ou le benzène, entre autres, la résistance électrique du matériau sensible (généralement de l'oxyde d'étain, SnO₂, dopé avec d'autres composés) change proportionnellement à la concentration de ce gaz.

Ces capteurs, largement adoptés pour leur faible coût, leur fiabilité et leur facilité d'intégration, sont utilisés dans le contrôle de la qualité de l'environnement, la domotique, les alarmes de fuite, le contrôle des poisons et des centaines d'autres applications.

Comment fonctionne un capteur chimiorésistif

Le principe de base des capteurs chimiorésistifs, commun à la famille MQ, repose sur trois éléments principaux :

• Matière sensible : Une couche de matériau, généralement de l'oxyde d'étain, est déposée sur une surface céramique. Ce matériau réagit chimiquement avec les gaz environnants, modifiant sensiblement sa conductivité.
• Chauffage interne : Un petit filament agit comme un élément chauffant, maintenant la température du capteur à la température optimale pour des réactions chimiques rapides et précises.
• Circuit diviseur de tension : Le capteur fonctionne comme une résistance variable, formant un diviseur de tension avec une résistance (RL), ce qui permet de lire les variations par un microcontrôleur, un convertisseur analogique-numérique ou simplement via un comparateur de seuil.

Le processus est le suivant : en appliquant une tension, le dispositif de chauffage chauffe la pastille sensible. En présence du gaz cible, la résistance interne (Rs) varie. La mesure de la tension de sortie permet de déduire la concentration du gaz présent. Contrairement aux capteurs purement numériques, la gamme MQ offre généralement à la fois : sortie analogique proportionnelle au niveau détecté, comme une sortie d'alarme numérique qui s'active lorsqu'un seuil réglable avec un potentiomètre est dépassé.

Famille MQ : types de capteurs et leurs applications

La gamme de capteurs MQ est vaste, et chaque modèle est spécialisé dans la détection d'une ou plusieurs substances. Cela les rend extrêmement polyvalents, mais il est également nécessaire de bien comprendre la sensibilité de chaque capteur pour choisir celui qui répond le mieux à chaque besoin.

Le tableau suivant répertorie les modèles les plus courants et les gaz pour lesquels ils sont optimisés, ainsi que la tension recommandée pour le réchauffeur :

Parmi ceux-ci, le MQ-3, MQ-9 et MQ-135 sont particulièrement populaires pour des applications spécifiques :

• MQ-3 : Détection d'alcool, d'éthanol et, dans une moindre mesure, de fumée et de benzène. Utilisé couramment dans les éthylotests et les systèmes de contrôle d'accès.
• MQ-9 : Pour détecter le monoxyde de carbone (CO) et les gaz inflammables tels que le GPL, idéal pour les alarmes de fuite dans les cuisines et les ateliers.
• MQ-135 : Il analyse la qualité de l'air, détectant l'ammoniac (NH₃), les oxydes d'azote (NOx), le benzène, le CO₂, la fumée et les vapeurs d'alcool, ce qui le rend très polyvalent dans les environnements urbains et de laboratoire.

Caractéristiques communes des capteurs MQ

Au-delà des différences entre les modèles, la plupart des capteurs MQ ont quelques caractéristiques techniques et d'utilisation similaires:

• Sensibilité multi-gaz : Bien que chaque capteur soit optimisé pour des gaz spécifiques, la plupart réagissent à plus d’un composé, avec une intensité variable.
• Double sortie : Ils comprennent sortie analogique (valeur proportionnelle à la concentration) et sortie numérique (activé lorsqu'un seuil réglable par potentiomètre est dépassé).
• Ils nécessitent un échauffement : Le réchauffeur interne doit atteindre la température requise pour des mesures précises. Un rodage initial de quelques minutes à quelques heures est recommandé, suivi de quelques minutes de préchauffage après stabilisation.
• Consommation appréciable : Le radiateur peut consommer jusqu'à 800 mW, une alimentation électrique adaptée est donc recommandée si plusieurs capteurs sont utilisés.
• Stabilité et durée de conservation : Grâce à leur construction robuste et à leur conception électrochimique, ils offrent une longue durée de vie lorsqu'ils sont utilisés conformément aux instructions, notamment en termes de température et d'humidité.
• Sensibilité réglable : Grâce au potentiomètre intégré, permettant de modifier le seuil d'alarme numérique.

Fonctionnement pratique : du capteur à la mesure

L'utilisation des capteurs MQ est simple, mais nécessite une certaine prudence pour obtenir des données fiables. La connexion de base comprend :

• Le capteur reçoit 5V (varie selon certains modèles).
• La broche GND se connecte à la terre du système.
• La sortie analogique (A0/AOUT) est reliée à une entrée analogique du microcontrôleur ou à un CAN externe si nécessaire.
• La sortie numérique (D0/DOUT) se connecte à une entrée numérique pour les alarmes ou les événements.

Le traitement du signal varie en fonction du type de sortie :

1. Lecture numérique : Il fonctionne comme un interrupteur et s'active lorsque la concentration dépasse le seuil défini. Idéal pour les alarmes simples.
2. Lecture analogique : Permet de surveiller les niveaux de gaz sur une échelle continue, utile pour les actions proportionnelles ou la visualisation.

Important! Bien que les capteurs MQ soient précis dans la détection de présence, leur utilisation comme compteurs quantitatifs nécessite étalonnage spécifique dans chaque environnement et avec chaque capteur, en consultant les fiches techniques du fabricant.

Étalonnage, courbe de sensibilité et calcul de concentration en PPM

L’un des principaux défis est de transformer la lecture en concentration fiable, généralement en PPMChaque capteur possède une courbe de sensibilité spécifique, documentée dans sa fiche technique, qui relie la résistance du capteur à différentes concentrations.

• RS : Résistance du capteur dans l'échantillon de gaz.
• Tranquillité: Résistance à l'air propre ou référence après rodage initial.

Le rapport Rs/Ro permet d'estimer la concentration en ppm à l'aide de la courbe de la fiche technique. Les étapes d'étalonnage de base sont les suivantes :

1. Fonctionner dans de l'air propre pendant la stabilisation initiale (où le Ro est obtenu).
2. Mesurez la tension dans ces conditions et calculez Ro avec : Ro = (RL x (Vcc – Vout)) / Vout.
3. Mesurer en présence du gaz et calculer Rs avec la même formule, en utilisant le Vout correspondant.
4. Calculez Rs/Ro et recherchez-le sur la courbe pour déterminer la concentration estimée.

Ce processus peut être automatisé dans les microcontrôleurs, permettant une surveillance continue et un étalonnage périodique pour maintenir la précision.

Exemple détaillé d'étalonnage et d'utilisation avec le capteur MQ-3 (alcool)

El capteur MQ-3 Il est largement utilisé pour détecter l'alcool dans l'air, dans les éthylotests ou les contrôles d'accès. Son fonctionnement est similaire à celui des autres MQ, optimisés pour l'éthanol et l'alcool en général.

Pour construire un système avec Arduino, il est recommandé :

• Connectez-vous en suivant le schéma habituel (VCC, GND, AOUT à l'entrée analogique, DOUT au numérique).
• Effectuez le « rodage » initial pendant 24 à 48 heures pour stabiliser.
• Calculez Ro dans l'air pur avec la formule précédente, en utilisant RL = 1 kΩ (typique).
• Mesurez Rs dans chaque échantillon, calculez Rs/Ro et convertissez-le en concentration à l'aide de la courbe de la fiche technique.

L'algorithme Arduino peut implémenter des fonctions de mesure, de calcul et d'affichage pour faciliter le contrôle et l'acquisition de données dans les projets de surveillance environnementale ou d'éthylotest.

Avantages pratiques et limites des capteurs MQ

Avantages:

• Faible coût et disponibilité : Ils sont peu coûteux et faciles à obtenir, ce qui permet leur utilisation dans plusieurs capteurs.
• Polyvalence: Modèles spécialisés pour de nombreux gaz, ouvrant de nombreuses possibilités dans différents domaines.
• Facilité d'intégration : Avec des modules standards et des bibliothèques compatibles, leur intégration dans les systèmes est facile.
• Sorties doubles : Numérique pour les alarmes et analogique pour la surveillance continue.
• Documentation et communauté complètes : Facilite l’apprentissage, la résolution de problèmes et le développement.

Limitations et précautions :

• Précision limitée : Ils ne remplacent pas l’équipement professionnel lorsqu’une précision absolue est requise.
• Sensibilité croisée : Ils détectent plusieurs gaz et peuvent fausser les résultats dans des environnements aux compositions variées.
• Réponse non instantanée : L’inertie thermique et chimique signifie que la réaction est relativement lente et que la récupération peut être prolongée.
• Calibrage périodique : Il est essentiel de maintenir la fiabilité et la précision.
• Consommation d'énergie : Le radiateur peut consommer jusqu'à 800 mW, ce qui doit être pris en compte dans les systèmes avec plusieurs capteurs.
• Conditions ambiantes: La température et l'humidité affectent la précision, l'utilisation doit donc être conforme aux spécifications du fabricant.

Exemples d'intégration et de code pour Arduino et microcontrôleurs

L'intégration de capteurs MQ dans des plateformes comme Arduino est très simple, avec des exemples et des bibliothèques disponibles. Voici quelques exemples simples :

Lecture numérique

const int MQ_PIN = 2;  // Pin conectado a DOUT del sensor
const int MQ_DELAY = 2000;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  bool estado = digitalRead(MQ_PIN);
  if (!estado) {
    Serial.println("Detección de gas");
  } else {
    Serial.println("No detectado");
  }
  delay(MQ_DELAY);
}

Lecture analogique

const int MQ_PIN = A0;  // Pin conectado a AOUT del sensor
const int MQ_DELAY = 2000;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int valor_adc = analogRead(MQ_PIN);
  float voltaje = valor_adc * (5.0 / 1023.0);
  Serial.print("Valor ADC:");
  Serial.print(valor_adc);
  Serial.print(" V:");
  Serial.println(voltaje);
  delay(MQ_DELAY);
}

Calcul de la concentration (PPM)

const int MQ_PIN = A0;
const int RL = 1; // kΩ, resistencia del circuito
float Ro = 10.0; // Valor calibrado en aire limpio

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int adc_value = analogRead(MQ_PIN);
  float voltaje = adc_value * (5.0 / 1023.0);
  float Rs = RL * (5.0 - voltaje) / voltaje;
  float ratio = Rs / Ro;
  // Consultar curva del fabricante para convertir ratio en PPM
  Serial.print("Voltaje:");
  Serial.print(voltaje);
  Serial.print(" Rs:");
  Serial.print(Rs);
  Serial.print(" Ratio Rs/Ro:");
  Serial.println(ratio);
  delay(1000);
}

Pour obtenir la concentration en PPM, comparez le rapport avec la courbe logarithmique spécifique au capteur et interpolez selon la fiche technique.

Cours de calculs avancés et de gestion des capteurs

Pour les systèmes dotés de plusieurs capteurs MQ, il est conseillé d'encapsuler la logique dans des classes ou fonctions spécifiques, gérant des paramètres tels que le RO, les courbes, le timing, les seuils et la gestion du cycle de rodage. Cela facilite la maintenance, l'étalonnage et la fiabilité du système, tout en offrant des fonctionnalités supplémentaires comme la surveillance des alarmes, l'intégration IoT et la visualisation des données.

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