一种防酒驾和防疲劳功能的汽车安全系统设计—朱正清 8
3.1.2 气敏传感器的选择
3.1.2.1 酒精浓度测试原理
判断驾驶员是否处于酒驾，最直接有效的方法是检测其血液中的酒精含量，但由于检测过程中需要对驾驶员进行血样采取，其操作过程复杂且耗时，在实际使用过程中，无法有效的应用于驾驶员的自我检测。因此，常用的方法是采用对测量呼出气体的酒精浓度进行检测。人喝酒后，酒精会被肠胃的毛细血管吸收，通过肺动脉进入肺部，血液会在肺泡中完成气体的交换，这时含有的酒精气体就会被呼出体外。而呼出气体中酒精含量与血液中酒精浓度存在一定的线性关系。通常意义上认为，血液中酒精浓度(BAC)与呼出的气体酒精浓度(BrAC)比例为2100：1[4]：
[BAC][BrAC?]2100 （3-1）
因为BrAC数据会受到环境湿度、温度、被测试者身体差异等诸多方面的影响，其检测结果没有直接测得的BAC准确，但仍然可以作为判断其饮酒程度的重要依据。目前我国大多数省市把每100 mL血液中含有20mg酒精，规定为“饮酒”的下限。把每100 mL血液中含有100mg酒精，规定为“醉酒”的下限。根据（3-1）的换算关系，可以得出，即当呼出的气体酒精浓度超过了0.09 mg／L时，即判定为“饮酒”，超过0.48 mg／L，即判定为“醉酒”。在实际应用中就可以利用酒精气敏传感器，将呼出的气体中的BrAC值转换为电信号，经过单片机处理，来实现对被检测人员饮酒程度测试。
3.1.2.2 酒精气敏传感器的选择
酒精浓度准确的检测是决定防止酒后驾驶成功与否的主要因素，而酒精浓度的检测是依靠酒精气敏传感器来实现对信号的采集。现今，普遍使用的酒精气敏传感器只有半导体型和燃料电池型。这二种类型能够制成便携式呼气式酒精测试器，适合于现场检测。在实际应用中，电化学型基本被应用于交警执法部门，半导体则基本被应用于民用市场。
基于本次设计的要求和使用环境、精度的需要，防止酒后驾驶部分选用灵敏度高、响应速度快、稳定性好、测量范围宽的MQ-3气敏传感器，该传感器对酒精气体具有良好的选择性、很高的灵敏度、快速的响应、长期的寿命以及可靠的稳定性，而其的驱动电路也很简单。
3.1.2.3 MQ-3酒精气敏传感器的结构和外形
MQ-3酒精气敏传感器由SnO2敏感层、微型AL2O3陶瓷管、测量电极以及加热器构成的敏感元件固定在不锈钢或塑料制成的腔体内，加热器为敏感元件提供必要的工作条件。封装好的气敏元件有六只针状管脚，其中两只管脚用于提供加热电流，另外四只管脚用于对信号的提取。如图3-6所示：
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图3-6 MQ-3气敏元件结构图
图3-7 MQ-3气敏元件实物图
3.1.2.4 MQ-3检测电路
检测电路下图3-9所示，由5V直流稳压源提供电源，稳压源的正负极分别连接MQ-3用于加热的管脚，在其中一根管脚的连线上加上开关S。MQ-3的四个管脚和数字万用表相连。在测试过程中，数字万用表调到欧姆档。
当电源开关S断开时，传感器两端电流为零，传感器停止加热，实际测得A，B之间的电阻值大于20MΩ。
当电源开关S接通时，则传感器f和f之间电流由开始时的160mA降到150mA时稳定。当加热开始几秒钟以后，A、B之间电阻快速下降到10KΩ以下，然后又慢慢上升到120KΩ以上，随后并保持着这一数据。此时，如果将酒精溶液样品接近MQ-3酒精气敏传感器时，可以立即看到万用表显示值由由原来的大于120KΩ迅速降到10KΩ以下。当移开酒精溶液样品1分钟以后，A、B之间的电阻值恢复到了大于120KΩ。经过反复重复性的试验，MQ-3酒精气敏传感器都可以正常工作使用，但对不同浓度的酒精溶液有着不同的变化，而其响应和恢复的时间都很正常，正是基于该实验的基础上可以对防止酒后驾驶部分可以进行进一步设计。
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图 3-8 MQ-3检测电路
3.1.2.5 MQ-3灵敏度特性曲线
当温度在20℃、相对湿度在65%、氧气浓度在21%、RL:200kΩ时，其灵敏度曲线如下图3-9所示：
图 3-9 MQ-3气敏元件的灵敏度特性曲线
其中，Rs：气敏元件在不同气体、不同浓度时的电阻值；R0：气敏元件在洁净空气中的电阻值。
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3.1.2.6 MQ-3输出电压与酒精浓度关系
通过实际测试，MQ-3模拟端输出的信号与酒精浓度特性曲线近似为线性关系[27]。如下图3-10所示：
图 3-10 MQ-3输出电压与酒精浓度关系曲线
3.1.2.7 MQ-3标准工作条件和环境条件
环境的温度和湿度变化对气敏传感器的灵敏度有一定影响。当环境湿度较低时，气敏传感器的灵敏度则较低；当环境温度较高时，气敏传感器的灵敏度则较高。
在标准的工作条件下，MQ-3酒精气敏传感器测试的气体浓度范围为5000-20000单位，浓度上限值为0.2%。MQ-3标准工作条件如下图3-11所示。MQ-3环境条件如下图3-12所示：
图 3-11 MQ-3标准工作条件
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图 3-12 MQ-3环境条件
3.1.3 霍尔传感器的选择
3.1.3.1 霍尔效应
霍尔效应，指的是磁场作用于半导体或载流金属导体中的载流子时，而产生横向电势差的物理现象。
如果在一块矩形半导体薄片上沿x轴方向通上电流，且在z轴方向加上磁场B，则在垂直于电流和磁场的方向上就会产生电动势VH，这一现象称为霍尔效应。VH称为霍尔电压。产生霍尔效应的原因是电流做定向运动的带电粒子即载流子（P型半导体中的载流子是带正电荷的空穴，N型半导体中的载流子是带负电荷的电子）在磁场中受到洛伦兹力的作用而产生的。
图 3-13 霍尔效应原理图
3.1.3.2 霍尔效应的应用 (1) 测量磁场：
U?KIB/d （3-2）
利用霍尔效应可以制造精确测量磁感应强度的仪器——高斯计。高斯计有别于传统的特斯垃计[28] 。高斯计探头里装上一个霍尔元件，在其里面是一个半导体薄片。电势差用毫伏计来测量，电流和灵敏度也可以用相应仪器进行测量，将测得的结果带入该公式中就可以计算出磁感应的强度。 (2) 磁流体发电：
从20世纪50年代末开始进行的关于研究磁流体发电技术是一项新型高效的发电方