基于氧化鋅氣敏傳感器的礦井氣體無線監(jiān)測系統(tǒng)

高鐵山 ， 吳 卿

（1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030000；2.山西省新聞出版廣電局呂梁中波轉(zhuǎn)播臺,山西 呂梁 033000；3.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100000）

0 引 言

煤炭作為我國最主要的能源之一，推動了我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國的煤炭開采規(guī)模也一直維持在較高的水平。在煤礦開采過程中，會產(chǎn)生大量易燃易爆的瓦斯，其中甲烷氣體是瓦斯最主要的成分。高濃度的甲烷不但危害礦井工人的身體健康，更易引起煤礦井下的爆炸事故。目前，瓦斯事故已經(jīng)成為影響煤礦安全生產(chǎn)最主要的因素之一，因此，對煤礦甲烷氣體實現(xiàn)有效且準(zhǔn)確的實時監(jiān)測很重要。

目前，用于煤礦易燃易爆氣體檢測的傳感器原理可以分為載體催化燃燒式、熱導(dǎo)式、光干涉式和半導(dǎo)體式等。載體催化燃燒式傳感器的壽命短，穩(wěn)定性差，往往需要頻繁校正；熱導(dǎo)式傳感器的測量信號很小，只適用于高瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測；光干涉式氣體傳感器的系統(tǒng)復(fù)雜，維護(hù)成本高，受環(huán)境影響大；半導(dǎo)體式氣體傳感器利用半導(dǎo)體材料的氧化還原特性，通過測量電阻值的變化實現(xiàn)對氣體含量和種類的檢測，具有靈敏度高，響應(yīng)快等優(yōu)點。利用ZnO納米材料對甲烷氣體敏感特性的研究相對較少，且存在靈敏度低，響應(yīng)-恢復(fù)時間慢等諸多問題，因此，開發(fā)具有靈敏度高、響應(yīng)速度快的甲烷氣體傳感器是非常必要的。

在實際應(yīng)用中，煤礦企業(yè)在礦井中較多采用的甲烷傳感器只對濃度超過1.5%甲烷氣體進(jìn)行監(jiān)測，傳感器本身體積較大，報警方式多為蜂鳴、LED閃爍燈，無法實現(xiàn)無人監(jiān)測，且需要工作人員經(jīng)常維護(hù)和矯正，工作量較大。本文利用氧化鋅半導(dǎo)體材料制作了氣體傳感器，同時設(shè)計了適用于礦井氣體檢測的小型傳感器系統(tǒng)，實現(xiàn)了實時的氣體濃度檢測，通過采用ZigBee技術(shù)，實現(xiàn)了傳感器系統(tǒng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線傳輸。

1 氧化鋅氣體傳感器

在眾多半導(dǎo)體氧化物材料中，氧化鋅為六方晶系，具有半導(dǎo)體性、壓電性、光電效應(yīng)等特性，是應(yīng)用較為廣泛的氣敏材料。由于氧化鋅具有電子遷移率高、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點，同時，對多數(shù)氧化性和還原性氣體均體現(xiàn)出較好的氣敏特性，基于氧化鋅納米材料的氣體傳感器的研究已經(jīng)成為熱點[1-2]。

氧化鋅氣體傳感器基于氧化鋅材料與特殊氣體發(fā)生接觸時會發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而改變氧化鋅材料電阻值的原理制作。氣體濃度的變化會導(dǎo)致傳感器電阻值發(fā)生變化，通過設(shè)計電路，將阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號，從而通過電壓信號的測量最終實現(xiàn)對礦井危險環(huán)境中甲烷濃度的監(jiān)測。

如圖1所示，氣敏傳感器主要由陶瓷管及四腳基座構(gòu)成。將制備好的氧化鋅材料涂抹在陶瓷管上形成薄膜，兩端引出引腳焊接在底座上，用于測量薄膜電阻的變化。加熱絲穿過陶瓷管，連接在底座上的兩腳，用于給陶瓷管加熱，最后封裝制作成小型的氣體傳感器。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文所設(shè)計的氣體檢測裝置以msp430f149為核心處理芯片，主要由傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集電路、液晶顯示模塊、電源模塊以及無線通信模塊組成（見圖2）。系統(tǒng)可以通過實時顯示以及無線監(jiān)測的方式，實現(xiàn)對煤礦井下甲烷氣體的監(jiān)測[3]。

2.1 傳感器信號調(diào)理電路

圖1 氧化鋅氣體傳感器

圖2 氣體監(jiān)測系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖

傳感器輸出的電壓信號一般都較為微弱，為了能夠達(dá)到ad芯片采集信號電壓強(qiáng)度的要求，通常在傳感器和數(shù)據(jù)采集電路之間需要添加信號調(diào)理電路，實現(xiàn)對傳感器微弱信號的放大、共模抑制、阻抗轉(zhuǎn)換等功能。本文所介紹的信號調(diào)理電路采用高準(zhǔn)確度低失調(diào)電壓運算放大器OP07C，該運算放大器對微弱電壓具有極佳的低噪聲、高準(zhǔn)確度放大功效，實現(xiàn)了對傳感器信號的后續(xù)幅度放大和隔離。調(diào)理電路的電壓放大倍數(shù)A=1+RF/R1，在本文設(shè)計的電路中（見圖 3），RF為可變電阻，R1阻值為 1kΩ，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻實現(xiàn)對放大倍數(shù)的改變。電路中添加了濾波電路，實現(xiàn)了對噪聲信號的剔除，提高了輸出信號的信噪比[4]。

VCC為傳感器的工作電壓，用來對傳感器的陶瓷管進(jìn)行加熱，提高氧化鋅薄膜的溫度，且工作電壓與薄膜的溫度成正相關(guān)。由于氧化鋅納米材料只有在一定的溫度條件下，才會表現(xiàn)出最佳的氣敏特性，因此需要選擇合適的電壓，從而使氧化鋅材料達(dá)到最佳氣敏特性[5]。

圖3 傳感器調(diào)理電路圖

2.2 數(shù)據(jù)采集電路

本文所設(shè)計的數(shù)據(jù)采集電路的核心芯片采用ADS8320，該芯片是德州儀器出品的一款逐次逼近式串行16位微功耗、高準(zhǔn)確度的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。它的線性度為±0.05%，工作電源在2.7～5.25V范圍內(nèi)，采樣頻率最高可達(dá)100 kHz；其差動輸入信號范圍為500mV～VCC（工作電源）；采用8引腳MSOP小體積封裝，使用起來非常方便，以上特點使ADS8320非常適用于便攜式電池供電系統(tǒng)中。在本文所設(shè)計的電路中（見圖4），通過430單片機(jī)的P1.2口為ADS8320提供了50kHz的時鐘頻率，P1.0口為其提供了片選信號，為芯片提供了3.3V的的供電電壓。

圖4 采集電路圖

2.3 顯示模塊

如圖5所示，本文設(shè)計的系統(tǒng)選擇了12864液晶模塊作為顯示器件，這是一種圖形點陣液晶顯示器，主要由行驅(qū)動器/列驅(qū)動器及128×64全點陣液晶顯示器組成，可完成圖形顯示，也可以完成8×4漢字的顯示。顯示器的電壓采用5V電源，內(nèi)置-10V電壓作為LCD的驅(qū)動電壓，自帶完整的漢字字庫和指令集，操作簡單，可顯示豐富的內(nèi)容。

圖5 12864液晶顯示模塊電路圖

2.4 電源模塊

考慮到系統(tǒng)的便攜性，本文所設(shè)計的系統(tǒng)采用9V的堿性電池為系統(tǒng)供電，由于系統(tǒng)內(nèi)的各個模塊的工作電壓為5V和3.3V，需要設(shè)計電源模塊對9V的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。常用的電源管理模塊可以分為開關(guān)式電源轉(zhuǎn)換電路、電荷泵以及低壓差線性穩(wěn)壓器。考慮到效率、噪聲以及便于集成化設(shè)計等因素，本文采用了AD公司的ADP3303電源轉(zhuǎn)換芯片作為電源模塊的主芯片（見圖6）。該芯片具有低電壓監(jiān)測功能，穩(wěn)定的輸出能力以及較小的體積，便于減小電路的復(fù)雜程度，大大提高系統(tǒng)的集成度。

2.5 無線模塊

圖6 電源模塊電路圖

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)日益成熟，尤其是ZigBee技術(shù)更廣泛的應(yīng)用于大型的傳感網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離、實時的收發(fā)，大大方便了環(huán)境監(jiān)測與系統(tǒng)控制的應(yīng)用。尤其是煤礦井下危險的環(huán)境中，對甲烷這樣對人體有害的氣體進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測，使用無線傳感技術(shù)，不但可以更準(zhǔn)確實時了解井下各個區(qū)域的氣體濃度值，實現(xiàn)全天候、無人值守的監(jiān)管，而且對煤礦工人的身體安全提供了有力的保障。

ZigBee無線通信協(xié)議是近幾年隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展和成熟的無線通信方式，其數(shù)據(jù)傳輸距離可以達(dá)到150m，功耗低，且數(shù)據(jù)傳輸速率完全可以滿足傳感網(wǎng)絡(luò)的要求。ZigBee協(xié)議物理層兼容IEEE802.15.4協(xié)議，可以工作在2.4GHz頻段和896/915MHz頻帶。采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌ㄟ^一個主控端實現(xiàn)對多個傳感節(jié)點的監(jiān)控[6]。

如圖7所示，本文所設(shè)計的氣體無線監(jiān)測單元采用了CC2430模塊作為ZigBee節(jié)點的硬件電路，該模塊提供了目前國際領(lǐng)先的ZigBee解決方案，內(nèi)部集成了RF發(fā)射機(jī)，RF接收機(jī)以及一個8051的CPU核心。通過采用CC2430的氣體無線監(jiān)測單元構(gòu)成了傳感系統(tǒng)無線節(jié)點，通過鏈接天線將數(shù)據(jù)采集模塊得到的數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)[7]。

圖7 基于ZigBee的通信模塊

3 試驗測試

本文首先對電路的運行進(jìn)行了測試，電路采用9V的電池供電，增加了系統(tǒng)的可攜帶性，通電后液晶屏顯示溫度、甲烷濃度等信息，系統(tǒng)電路調(diào)試運行正常。

ZnO氣敏材料必須在本身達(dá)到一定的溫度時，才會表現(xiàn)出氣敏特性，因此，傳感器在進(jìn)行氣體測試前，需要先進(jìn)行一定時間的預(yù)熱。當(dāng)氧化鋅材料的溫度過低，其氧化特性減弱，與待測氣體的反應(yīng)不充分；而當(dāng)溫度過高時，氧脫附運動加劇，也會導(dǎo)致傳感器靈敏度的降低。

本文所設(shè)計的氣體檢測系統(tǒng)，通過在調(diào)理電路中對陶瓷管進(jìn)行加熱，使得表面的氧化鋅材料達(dá)到一定的溫度，進(jìn)而表現(xiàn)出最佳的氣敏性。因此，在調(diào)理電路中，為傳感器設(shè)置了工作電壓，用來提高傳感器表面的溫度。

本文采用靜態(tài)配氣法，首先選用一個500mL的氣瓶，一個木塞，一個氣體注射器（見圖8）。計算需要配置的氣體濃度，選用2%的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體進(jìn)行配置。配置時，首先將ZnO氣體傳感器置于氣瓶內(nèi)，通過導(dǎo)線引出電壓測量引腳，從瓶中抽取一定體積的氣體，然后通過氣體注射器將等量的2%甲烷氣體注入氣瓶。

圖8 配氣裝置示意圖

本文通過設(shè)計實驗，研究了工作電壓與氣敏特性之間的關(guān)系。在試驗中，將氣體監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器部分放置于1%的甲烷氣體環(huán)境中，工作電壓分別設(shè)置為 2，3，4，5，6V，試驗結(jié)果如圖 9 所示。 從試驗結(jié)果可以看出來，當(dāng)工作電壓取5V時，氧化鋅表面的溫度可以使傳感器發(fā)揮最大的氣敏特性，可以得到最大的輸出。在后面的實驗中，也將在5V的條件下對不同濃度的甲烷氣體進(jìn)行測試。

圖9 工作電壓測試圖

為了測試氣體監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，將使用該氣體監(jiān)測系統(tǒng)對體積分?jǐn)?shù)分別為0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%的甲烷氣體進(jìn)行了測試，圖10為測試傳感器的響應(yīng)恢復(fù)曲線，可以看到，當(dāng)傳感器接觸到甲烷氣體時，系統(tǒng)的輸出迅速上升，并逐漸達(dá)到平衡狀態(tài)。當(dāng)脫去氣體時，系統(tǒng)的輸出恢復(fù)到0，說明傳感器系統(tǒng)有很好的重復(fù)性。將最高點連接，當(dāng)甲烷氣體濃度在0.2%～1.0%的范圍內(nèi)，系統(tǒng)輸出與氣體體積分?jǐn)?shù)之間呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系（見圖11）。其擬合曲線為Y=0.54+1.95X，其中X為氣體體積分?jǐn)?shù)，Y為系統(tǒng)輸出電壓。

圖10 傳感器響應(yīng)恢復(fù)曲線

圖11 傳感器響應(yīng)與氣體濃度線性擬合圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于氧化鋅新型微納傳感器的氣體監(jiān)測系統(tǒng)，介紹了氧化鋅傳感器，作為氣敏傳感器氧化鋅傳感器具有廣闊應(yīng)用前景，同時，本文對系統(tǒng)的傳感器調(diào)理電路，數(shù)據(jù)采集電路，顯示模塊電路，電源模塊，無線模塊等電路進(jìn)行了闡述，通過試驗驗證了氣體監(jiān)測系統(tǒng)對甲烷氣體濃度的監(jiān)測效果。結(jié)果表明，本系統(tǒng)能對低濃度的甲烷氣體進(jìn)行監(jiān)測，對甲烷濃度超標(biāo)的區(qū)域進(jìn)行預(yù)警，實現(xiàn)無人值守的甲烷濃度監(jiān)測。本系統(tǒng)在未來的應(yīng)用中可接入煤礦物聯(lián)網(wǎng)，對實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)的綜合監(jiān)測提供幫助。

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