具有數字溫度補償的氧氣傳感器設計

中煤科工集團沈陽研究院有限公司 煤礦安全技術國家重點實驗室 沈陽煤炭科學研究所有限公司 祝 啟

礦用氧氣傳感器，主要用于連續(xù)檢測煤礦井下空氣中的氧氣含量，但目前市場上的氧氣傳感器未設計溫度補償，當在溫度在0℃或40℃工作時，會有較大的誤差。本文以DS18B20為溫度元件，以STM8單片機為控制核心，通過電化學元件對微弱信號進行采集，經過信號放大、AD轉換、溫度采集、數據處理等，最終將檢測的電壓值轉成濃度值，顯示在界面上。

在煤礦安全生產中，氧氣的含量是否充足對礦工生命安全至關重要。且煤礦井下工作環(huán)境惡劣，目前市場上的氧氣傳感器未設計溫度補償功能，導致實際測量會有較大的誤差。

1 工作原理

傳感器為采用氧化電池電化學傳感元的檢測元件，其產生與氧氣濃度成正比的電壓信號。

圖1 結構圖

它產生一個與氧氣的含量成比例的微弱電流信號，元件信號采集電路采集到此信號并進行初步放大，放大后產生一個反向輸出電壓信號，此信號再經放大電路放大，送入CPU片內A/D轉換輸入口，CPU將此模擬量信號轉換為數字信號，然后再對此信號進行處理，并實現顯示，報警等功能。同時檢測信號類型控制，選擇頻率信號模式或者數字信號模式與關聯設備通訊。其原理框圖如圖1所示。

2 性能指標

傳感器使用溫度范圍為0～40℃，相對濕度：≤98%，大氣壓力80kPa～110kPa，風速不大于8m/s。傳感器的量程范圍：0～25%，基本誤差：±3%(滿量程)。傳感器輸出信號制式，數字信號：1路RS485總線，傳輸速率：2400bps，傳感器使用電纜的單芯截面積1.5mm2時，傳感器與關聯設備的最大傳輸距離應為2km。響應時間應不大于60s。

3 電路設計

氧氣傳感器都是自身供電，有限擴散，其金屬-空氣型電池由空氣陰極，陽極和電解液組成。氧氣傳感器簡單來說是一個密封容器(金屬的或塑料的容器)，它里面包含有兩個電極：陰極是涂有活性催化劑的一片PTFE(聚四氟乙烯)，陽極是一個鉛塊。這個密封容器只在頂部有一個毛細微孔，允許氧氣通過進入工作電極。兩個電極通過集電器被連接到傳感器表面突出的兩個引腳，而傳感器通過這兩個觸角被連接到所應用的設備上。傳感器內充滿電解質溶液，使不同種離子得以在電極之間交換。進入傳感器的氧氣的流速取決于傳感器頂部的毛細微孔的大小。當氧氣到達工作電極時，它立刻被還原釋放出氫氧根離子：O2+ 2H2O + 4e-->4OH-這些氫氧根離子通過電解質到達陽極(鉛)，與鉛發(fā)生氧化反應，生成對應的金屬氧化物。2Pb + 4OH---> 2PbO +2H2O + 4e-上述兩個反應發(fā)生生成電流，電流大小相應地取決于氧氣反應速度(法拉第定律)，可外接一只已知電阻來測量產生的電勢差，這樣就可以準確測量出氧氣的濃度。電路設計如圖2所示。

圖2 電路設計

圖3 氧氣電化學溫度曲線

4 實驗

環(huán)境條件溫度：15℃～35℃、相對濕度：45%～75%、大氣壓力：80kPa～116kPa。試驗用氣樣選取氮中氧標準氣樣（以下簡稱標準氣樣）應采用經國家計量部門考核認證的單位提供的氣樣，其不確定度不大于1%。

試驗用主要儀器采用氣體流量計：測量范圍：（30～300）ml/min，準確度：2.5級、秒表：分度值為0.01s；電壓表及電流表：采用四位半的數字萬用表，其準確度應不小于0.5級。示波器：250M，精度為1μs；直流穩(wěn)壓電源：輸出電壓：DC（0～30）V；輸出電流：2A。

在以下所有需對傳感器調校的試驗中，通氣流量應保持在200ml/min。用制造廠提供的注氣裝置，按標定時的流量向傳感器依次通入氮氣、15%氧氣和25%氧氣3種氣樣。每一種濃度的氣樣通人3min后再讀取顯示值。重復測定4次，取其后3次的算術平均。

5 測試

傳感器開機后首先進行初始化，讀取標定配置信息，然后進入數據采集環(huán)節(jié)，采集完成后則進入數據處理，通過電化學元件對微弱信號進行采集，然后進行信號放大、AD轉換、溫度采集、最終將檢測的電壓值轉成濃度值，

采用標準氣樣進行高低溫測試，當通入18ppm標準氣樣時，補償前低溫0℃時為17.8ppm，高溫為18.1ppm，當通入5.5ppm標準氣樣時補償后0℃時為5.5ppm，高溫為5.3ppm。氧氣電化學溫度曲線如圖3所示。

結論：本文對電化學氧氣傳感器進行設計，通過溫度補償實現了氧氣傳感器在高低溫時誤差小，適合溫度變化范圍較大場合使用。