Sensores Quimiorresistivos: Qué son, funcionamiento, tipos y ejemplos prácticos con MQ-135, MQ-9 y MQ-3

Los avances en la detección de gases han revolucionado la electrónica doméstica e industrial, brindando dispositivos asequibles y sencillos para monitorizar el ambiente y proteger la salud o la seguridad. En este campo, los sensores quimiorresistivos de la serie MQ se han convertido en una referencia obligada, tanto para aficionados de la electrónica como para profesionales interesados en el control de la calidad del aire, la prevención de riesgos o el diseño de nuevas aplicaciones IoT.

Si has llegado hasta aquí seguramente te inquieta saber exactamente qué es un sensor quimiorresistivo, cómo se utilizan modelos concretos como el MQ-135, MQ-9 o MQ-3, y qué diferencias prácticas existen entre ellos. Prepárate porque este artículo va mucho más allá de una simple definición: aquí encontrarás una explicación detallada, ejemplos reales de funcionamiento, instrucciones de conexión y detalles de calibración, así como todas las claves para entender e integrar estos dispositivos en tus propios proyectos.

¿Qué es un sensor quimiorresistivo?

Un sensor quimiorresistivo es un dispositivo capaz de detectar y medir la concentración de determinados gases o compuestos químicos en el aire mediante la variación de su resistencia eléctrica interna. Cuando el sensor se expone a una sustancia concreta –como monóxido de carbono, amoníaco, alcohol o benceno, entre otros–, la resistencia eléctrica de un material sensible (habitualmente óxido de estaño, SnO₂, dopado con otros compuestos) cambia de forma proporcional a la concentración de ese gas.

Estos sensores, ampliamente adoptados por su bajo coste, fiabilidad y facilidad de integración, se utilizan en control de calidad ambiental, domótica, alarmas de escapes, prevención de intoxicaciones y cientos de aplicaciones más.

Cómo funciona un sensor quimiorresistivo

El principio básico de los sensores quimiorresistivos, común en la familia MQ, se apoya en tres elementos principales:

• Material sensible: Sobre una superficie cerámica se deposita una capa de un material, generalmente óxido de estaño, que reacciona químicamente con los gases del entorno, alterando de forma medible su conductividad.
• Calefactor interno: Un pequeño filamento actúa como calefactor, manteniendo la temperatura del sensor en el punto óptimo para que las reacciones químicas sean rápidas y precisas.
• Circuito divisor de tensión: El sensor funciona como una resistencia variable, formando un divisor de tensión junto a una resistencia (RL), lo que permite leer las variaciones mediante un microcontrolador, conversor analógico digital o simplemente a través de un comparador de umbral.

El proceso es el siguiente: al aplicar tensión, el calefactor calienta la pastilla sensible. Cuando hay presencia del gas objetivo, la resistencia interna (Rs) varía. Midiendo el voltaje de salida se puede inferir la concentración del gas presente. A diferencia de sensores únicamente digitales, la familia MQ suele proporcionar tanto una salida analógica proporcional al nivel detectado, como una salida digital de alarma que se activa cuando se supera un umbral ajustable con un potenciómetro.

Familia MQ: Tipos de Sensores y sus Aplicaciones

La gama de sensores MQ es extensa y cada modelo se especializa en la detección de una o varias sustancias. Esto los hace tremendamente versátiles, pero también exige conocer bien a qué es sensible cada sensor para seleccionar el adecuado a cada necesidad.

En la siguiente tabla se recopilan los modelos más habituales y los gases para los que están optimizados, así como la tensión recomendada para el calentador:

Dentro de estos, los MQ-3, MQ-9 y MQ-135 son especialmente populares para aplicaciones específicas:

• MQ-3: Detección de alcohol, etanol y menor medida humo y benceno. Común en alcoholímetros y sistemas de control de acceso.
• MQ-9: Para detectar monóxido de carbono (CO) y gases inflamables como GLP, ideal en alarmas de fuga en cocinas y talleres.
• MQ-135: Analiza la calidad del aire, detectando amoníaco (NH₃), óxidos de nitrógeno (NOx), benceno, CO₂, humo y vapores de alcohol, siendo muy versátil en ambientes urbanos y laboratoriales.

Características comunes de los sensores MQ

Más allá de las diferencias entre modelos, la mayoría de sensores MQ presentan unas características técnicas y de uso similares:

• Sensibilidad a múltiples gases: Aunque cada sensor está optimizado para determinados gases, la mayoría reacciona a más de un compuesto, con distinta intensidad.
• Doble salida: Incluyen salida analógica (valor proporcional a la concentración) y salida digital (activada al superar un umbral ajustable mediante potenciómetro).
• Requieren calentamiento: El calefactor interno debe alcanzar temperatura para mediciones precisas. Se recomienda un “quemado” inicial de minutos a horas, y unos minutos de precalentamiento en cada encendido tras estabilización.
• Consumo apreciable: El calefactor puede consumir hasta 800 mW, por lo que se recomienda una fuente adecuada si se usan varios sensores.
• Estabilidad y vida útil: Gracias a su construcción robusta y diseño electroquímico, ofrecen larga duración cuando se usan según indicaciones, especialmente en cuanto a temperatura y humedad.
• Sensibilidad ajustable: Mediante el potenciómetro integrado, permitiendo modificar el umbral de alarma digital.

Funcionamiento práctico: del sensor a la medición

El uso de los sensores MQ es sencillo pero requiere ciertos cuidados para obtener datos fiables. La conexión básica incluye:

• El sensor recibe 5V (varía en algunos modelos).
• El pin GND se conecta a masa del sistema.
• La salida analógica (A0/AOUT) se enlaza a una entrada analógica del microcontrolador o a un ADC externo si se requiere.
• La salida digital (D0/DOUT) se conecta a una entrada digital para alarmas o eventos.

El procesamiento de las señales varía según el tipo de salida:

1. Lectura digital: Funciona como un interruptor, activándose cuando la concentración supera el umbral ajustado. Ideal para alarmas simples.
2. Lectura analógica: Permite monitorear niveles de gases en una escala continua, útil para acciones proporcionales o visualización.

¡Importante! Aunque los sensores MQ son precisos para detectar presencia, su uso como medidores cuantitativos requiere calibración específica en cada entorno y con cada sensor, consultando los datasheets del fabricante.

Calibración, curva de sensibilidad y cálculo de concentración en PPM

Uno de los desafíos principales es transformar la lectura en una concentración fiable, normalmente en PPM. Cada sensor tiene una curva de sensibilidad específica, documentada en su hoja de datos, que relaciona la resistencia del sensor en diferentes concentraciones.

• Rs: Resistencia del sensor en la muestra del gas.
• Ro: Resistencia en aire limpio o referencia tras el quemado inicial.

El ratio Rs/Ro permite, mediante la curva del datasheet, estimar la concentración en PPM. Los pasos básicos de calibración son:

1. Operar en aire limpio durante la estabilización inicial (donde Ro se obtiene).
2. Medir el voltaje en esas condiciones y calcular Ro con: Ro = (RL x (Vcc – Vout)) / Vout.
3. Medir en presencia del gas y calcular Rs con la misma fórmula, usando el Vout correspondiente.
4. Calcular Rs/Ro y consultarlo en la curva para determinar la concentración estimada.

Este proceso puede automatizarse en microcontroladores, permitiendo monitorización continua y calibraciones periódicas para mantener la precisión.

Ejemplo detallado de calibración y uso con el sensor MQ-3 (Alcohol)

El sensor MQ-3 se usa ampliamente para detectar alcohol en el aire, en alcoholímetros o controles de acceso. Su funcionamiento es similar a otros MQ, afinado para etanol y alcohol en general.

Para montar un sistema con Arduino, se recomienda:

• Conectar siguiendo el esquema habitual (VCC, GND, AOUT a entrada analógica, DOUT a digital).
• Hacer el «quemado» inicial de 24 a 48 horas para estabilizar.
• Calcular Ro en aire limpio con la fórmula previa, usando RL = 1kΩ (típico).
• Medir Rs en cada muestra, calcular Rs/Ro y convertir a concentración con la curva del datasheet.

El algoritmo en Arduino puede implementar funciones de medición, cálculo y visualización para facilitar el control y la adquisición de datos en proyectos de monitorización ambiental o control de alcoholemia.

Ventajas y limitaciones prácticas de los sensores MQ

Ventajas:

• Bajo coste y disponibilidad: Son económicos y fáciles de conseguir, permitiendo su uso en múltiples sensores.
• Versatilidad: Modelos especializados para muchos gases, abriendo muchas posibilidades en diferentes campos.
• Facilidad de integración: Con módulos estándar y librerías compatibles, su incorporación en sistemas es sencilla.
• Salidas dobles: Digital para alarmas y analógica para monitorización continua.
• Amplia documentación y comunidad: Facilita el aprendizaje, resolución de problemas y desarrollo.

Limitaciones y precauciones:

• Precisión limitada: No sustituyen a equipos profesionales cuando se requiere exactitud absoluta.
• Sensibilidad cruzada: Detectan múltiples gases, pudiendo falsear resultados en ambientes con composiciones variadas.
• Respuesta no instantánea: La inercia térmica y química significa que la reacción es relativamente lenta y la recuperación puede ser prolongada.
• Calibración periódica: Es esencial para mantener la fiabilidad y precisión.
• Consumo de energía: El calefactor puede llegar a consumir hasta 800 mW, lo que requiere consideración en sistemas con múltiples sensores.
• Condiciones ambientales: Temperatura y humedad afectan la precisión, por lo que su uso debe ajustarse a las especificaciones del fabricante.

Integración y ejemplos de código en Arduino y microcontroladores

Integrar los sensores MQ en plataformas como Arduino es muy sencillo, con ejemplos y librerías disponibles. A continuación, ejemplos básicos:

Lectura digital

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);
}

Lectura analógica

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);
}

Cálculo de concentración (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);
}

Para obtener concentración en PPM, comparar el ratio con la curva logarítmica específica del sensor y interpolando según el datasheet.

Cálculos avanzados y clases de gestión por sensor

Para sistemas con múltiples sensores MQ, es recomendable encapsular la lógica en clases o funciones específicas, gestionando parámetros como Ro, curvas, tiempos, umbrales y gestión del ciclo de quemado. Esto facilita el mantenimiento, la calibración y la fiabilidad del sistema, además de permitir funciones adicionales como control de alarmas, integración IoT y visualización de datos.

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