Comment choisir des capteurs de gaz à faible coût ?

Publié le : 24 novembre 202114 mins de lecture

Lorsque vous cherchez des capteurs ou des détecteurs de gaz, la première chose que vous trouvez sont les capteurs de la série « MQ », qui est utilisée pour détecter plusieurs types de gaz. Ils fournissent une sortie analogique, de sorte qu’ils peuvent être facilement gérés par des cartes de développement open-source.

Les capteurs de gaz de la série « MQ » sont les capteurs de gaz les plus courants (et aussi les moins chers et de moindre qualité) sur le marché. Leur faible qualité est, en général, « compensée » par leur faible coût. Vous verrez ci-dessous comment ils fonctionnent et comment choisir ces capteurs – ou d’autres basés sur des technologies différentes – pour certaines applications principalement en intérieur, mais dans certains cas pour une utilisation en extérieur (fixe ou mobile, par exemple pour la « cartographie »).

Par exemple, avec le capteur MQ-2, vous pouvez construire une alarme pour les fuites de gaz dans la maison, qui devrait émettre des lumières, des sons ou des bruits alarmants chaque fois que le méthane dans l’air dépasse un seuil fixé. Le capteur MQ-3 peut être utilisé pour surveiller le niveau d’alcool dans votre souffle. Le capteur de monoxyde de carbone MQ-7 peut être utilisé pour l’analyse des gaz émis par les voitures. Enfin, le capteur MQ135 (NH3, NOx, fumée, CO2, etc.) peut être utilisé pour l’analyse de la qualité de l’air.

Un capteur de gaz MQ donné est capable de détecter un ou plusieurs composants dans l’air, c’est pourquoi Hanwei a conçu toute une série de capteurs de gaz. Ils ont des noms similaires, ce qui risque de prêter à confusion dans un premier temps. 

Les gaz détectés par les différents capteurs de la série Hanwei « MQ ». 

En outre, pour la commodité du lecteur, on fournit ci-dessous des liens vers les fiches techniques officielles des différents capteurs : FICHE TECHNIQUE MQ-2 – MQ-3 – MQ-4 – MQ-5 – MQ-6 – MQ-7 – MQ-8 – MQ-9 – MQ131 – MQ135 – MQ136 – MQ137 – MQ138 – MQ214 – MQ216 – MQ303A – MQ307A – MQ309A.

Capteurs à semi-conducteurs et leurs limites

Les QM sont des capteurs de type « semi-conducteur », c’est-à-dire qu’il existe un matériau semi-conducteur sensible aux gaz, comme l’oxyde de métal. Lorsque le gaz entre en contact avec la surface de l’oxyde métallique, celui-ci est soumis à une oxydation ou à une réduction. L’absorption ou la désorption du gaz sur l’oxyde métallique modifie la conductivité ou la résistivité par rapport à une valeur de référence connue.

Structure interne d’un capteur de gaz à semi-conducteur.

Ce changement de conductivité ou de résistivité peut être amplifié et mesuré à l’aide de circuits électroniques. En général, le changement de conductivité ou de résistivité est en relation linéaire et proportionnelle à la concentration de gaz. Il est donc possible d’établir une équation d’étalonnage linéaire simple entre la résistivité / le changement de conductivité et la concentration de gaz.

En pratique, plus la résistivité du capteur est faible, plus la concentration de gaz est élevée. Voici un exemple d’équation d’étalonnage pour la variation de la résistivité :

RS / Ro = 1 A x Cg

où RS est la résistance du capteur qui suit le contact avec un gaz, Ro est la résistance de base, A est une constante et Cg est la concentration du gaz en question. Cependant, la relation entre RS / Ro et la concentration n’est pas nécessairement linéaire et entraîne des problèmes de calibration cohérente entre les différents capteurs.

La surface de l’oxyde métallique est généralement une fine pellicule d’un métal de transition lourd. Le métal exact utilisé dépendra de l’application : les capteurs de la série MQ, par exemple, utilisent généralement du dioxyde d’étain (SnO2). Le film recouvre une couche de silicium et est chauffé à une température comprise entre 200 et 400 °C, selon l’application. De cette façon, les processus chimiques sont accélérés et les effets des fluctuations de la température extérieure sont minimisés.

Les capteurs à semi-conducteurs fonctionnent mieux lorsqu’ils ont une grande surface car ils peuvent absorber autant de gaz cible que possible, surtout à de faibles concentrations. Une des limites des capteurs à semi-conducteurs est que les gaz non ciblés peuvent être absorbés par la surface de l’oxyde et fournir de fausses mesures. Parmi les gaz perturbateurs importants figurent l’ozone, l’eau et les composés organiques volatils. En outre, ces capteurs peuvent ne pas être fiables à une humidité relative élevée et à des températures variables.

Dans la plupart des capteurs MQ, le chauffage nécessite une tension de 5 V et a une résistance de 31 ohms, l’alimentation doit donc fournir 200 mA de courant pour le capteur. De plus, le capteur possède une sortie analogique et numérique, la sortie analogique (A0) est comprise entre 0 et 5V, la sortie numérique (D0) passe de High à Low lorsqu’un certain niveau est atteint (le niveau auquel la broche DO commute est réglé à l’aide d’un petit potentiomètre situé à l’arrière de la carte du capteur).

Le chauffage des capteurs de la série MQ utilise généralement une alimentation stabilisée de 5V DC afin de ne pas affecter la tension de sortie ; sinon, certains capteurs sont alimentés par des impulsions PWM de 2V à 5V d’amplitude, ou comme indiqué dans la fiche technique correspondante. Le capteur se réchauffe grâce à ce chauffage et le temps de « préchauffage » initial avant d’obtenir des mesures stables est d’environ 3 minutes, sauf indication contraire sur la fiche technique.

Guide pratique pour le choix d’un capteur

Un seul capteur de la série MQ détecte plusieurs gaz – comme le montre le nombre de courbes sur le graphique de sensibilité du capteur dans sa fiche technique – et il n’y a donc aucun moyen de savoir de quel gaz il s’agit. Si vous combinez plusieurs capteurs, ou si vous les choisissez correctement, vous pouvez mieux distinguer, ou plus facilement, les gaz présents dans l’air que vous voulez analyser ou surveiller.

Le problème sous-jacent est que différents capteurs de la série MQ peuvent détecter le même gaz. Par exemple, MQ-2, MQ-3, MQ-5 et MQ138 peuvent tous détecter l’alcool. Alors si vous voulez un détecteur d’alcool, lequel choisir ? Bien que la plupart des capteurs ci-dessus puissent détecter l’alcool, vous devez d’abord savoir qu’ils ont une gamme différente de sensibilité à l’alcool. Il est évident que vous voulez une sensibilité maximale, c’est pourquoi vous devrez comparer leurs fiches techniques.

Le choix d’un capteur de gaz à faible coût

Les capteurs disponibles pour mesurer les gaz : dioxyde d’azote (NO2), monoxyde de carbone (CO), ammoniac (NH3), fumée, formaldéhyde (CH2O), dioxyde de carbone (CO2), méthane (CH4), hexane, propane, essence, GPL, alcool, oxygène (O2), hydrogène (H2).

Pour choisir le capteur de gaz qui vous convient, il suffit de savoir quel gaz vous voulez détecter, puis de consulter la fiche technique, de comparer la courbe de sensibilité et enfin de sélectionner une sensibilité élevée et une large gamme de mesures. Le « Grove – Alcohol Sensor » par exemple peut détecter l’alcool à partir de 20 ppm, alors que le capteur MQ-2 ne peut détecter l’alcool qu’à partir de 100 ppm. Ainsi, pour détecter l’alcool, il faut choisir « Grove – Alcohol Sensor ». 

Il existe également des capteurs supplémentaires en plus de la série Hanwei MQ. Par exemple, le « Grove – capteur de gaz multicanaux » analyse l’environnement grâce au capteur intégré MiCS-6814 (type MEMS) de Sensortech, qui est capable de détecter de nombreux gaz nocifs, et trois gaz peuvent être mesurés simultanément grâce à ses multiples canaux. Appartenant au système Grove, vous pouvez le connecter à la base du bouclier Arduino sans fils.

Par conséquent, lorsque vous choisissez le capteur le plus approprié pour détecter un certain gaz qui vous intéresse, vous devez tout d’abord examiner sa plage de sensibilité, et ensuite le fait que le capteur – si possible – ne révèle pas d’autres gaz qui pourraient se produire dans l’environnement dans lequel vous l’utiliserez.

Inversement, si vous voulez mesurer ou surveiller de nombreux gaz différents avec un seul capteur, comment le choisir ? Dans ce cas, vous chercherez un gaz qui contient le plus de gaz possible parmi ceux qui vous intéressent, puis vous examinerez sa plage de sensibilité pour les différents gaz.

Il existe de nombreux capteurs à bas prix sur Internet et beaucoup d’entre eux peuvent être achetés à des prix très abordables sur des portails en ligne chinois. Notez que certains capteurs de la série MQ sont très chers. Si vous les trouvez à des prix dix fois moins élevés sur des sites, il pourrait s’agir d’une escroquerie, car  la seule chose qui les différencie des autres MQ moins chers, ce sont les initiales imprimées dessus. En cas de doute, achetez-les donc uniquement auprès de détaillants étrangers mais fiables.

Autres types de capteurs de gaz existants

Les capteurs de détection de gaz les plus courants sont les capteurs à semi-conducteurs à oxyde métallique, qui leur confèrent de nombreux avantages, tels qu’un faible coût et une grande sensibilité. La température de fonctionnement des capteurs basés sur le SnO2 sous forme d’oxyde (comme les capteurs de la série MQ de Hanwei) va de 25 °C à 500 °C et, comme mentionné, les meilleures températures de détection pour les différents gaz sont différentes.

Cela peut entraîner des problèmes potentiels de sélectivité dans les applications, car si la température s’écarte trop de la valeur optimale, les autres composants du gaz peuvent être plus réactifs au SnO2, ce qui entraîne une mauvaise sélectivité. Cependant, si la différence entre ces deux températures est importante, un seul capteur peut être conçu pour détecter simultanément deux types de gaz cibles. Par exemple, la température de détection optimale pour le CH4 est de 400 °C, tandis que la température de détection optimale pour le CO est de 90 °C.

En général, les capteurs basés sur des semi-conducteurs à base d’oxyde métallique présentent une sensibilité nettement plus élevée aux gaz inorganiques tels que l’ammoniac et à certains types de composés organiques volatils (COV) comme l’alcool et le formaldéhyde. Cependant, certains autres COV « domestiques » peuvent avoir des effets néfastes sur la santé lorsque leur concentration à un certain seuil ne peut être détectée par les capteurs à semi-conducteurs à oxyde métallique, mais nécessite des matériaux sensibles tels que les polymères.

En outre, pour certains capteurs à semi-conducteurs, leur demande de températures de fonctionnement élevées nécessite des configurations compliquées par rapport à d’autres fonctionnant à température ambiante, ce qui limite leur développement. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont mis au point certaines méthodes, telles que l’utilisation d’éléments de capteurs micro-dimensionnés avec des micro-réchauffeurs fabriqués selon la technologie des circuits intégrés au silicium, et le mode de fonctionnement des impulsions de température avec de courts intervalles de chaleur, qui facilite le fonctionnement des capteurs avec une consommation d’énergie minimale.

Les capteurs de gaz à semi-conducteurs conventionnels ne sont donc pas le seul type de capteur de gaz sur le marché. Vous l’avez probablement déjà deviné, lorsque on a mentionné un capteur de type MEMS. Par exemple, la société chinoise Winsen – le premier fabricant mondial de capteurs de gaz – a à son catalogue une grande variété de capteurs de gaz basés sur diverses technologies : infrarouge, électrochimique, catalytique, surface plane, semi-conducteur, électrolyte solide, fil chaud, conduction thermique, MEMS.

Par conséquent, pour localiser les principaux capteurs de gaz existants (et leurs plaques de montage), il suffit de se rendre sur le site web de Winsen, de pointer la souris sur « Produits » et de sélectionner le type de gaz que vous souhaitez mesurer ou surveiller, parmi les suivants : monoxyde de carbone (CO), gaz toxiques tels que le dioxyde d’azote (NO2) et autres, dioxyde de soufre (SO2), ammoniac (NH3), sulfure d’hydrogène (H2S), ozone (O3), formaldéhyde (CH2O), qualité de l’air (COV), carburants, hydrocarbures tels que l’éthane (C2H5OH), etc.

Tous les capteurs utiles basés sur les technologies mentionnées ci-dessus seront alors présentés. 

Pour évaluer la performance des capteurs de gaz, il convient de prendre en compte divers indicateurs, notamment (1) sensibilité : la valeur minimale de la concentration volumique des gaz cibles à laquelle ils peuvent être détectés ; (2) sélectivité : la capacité des capteurs de gaz à identifier un gaz spécifique entre un mélange de gaz ; (3) temps de réponse : la période de temps entre le moment où la concentration de gaz atteint une valeur spécifique et le moment où le capteur génère un signal d’avertissement ; (4) consommation d’énergie ; (5) coût.