錢麗勛 鄒志輝 李豐

（中國電子科技集團公司第十三研究所 河北省石家莊市 050051）

催化氣體傳感器是利用可燃?xì)怏w在催化材料表面燃燒所產(chǎn)生的電阻變化來反映可燃?xì)怏w的濃度信息，在可燃?xì)怏w檢測領(lǐng)域具有重大意義，特別是在瓦斯檢測方面。瓦斯是導(dǎo)致我國煤礦事故頻頻發(fā)生的主要原因，煤礦瓦斯的監(jiān)測是避免事故發(fā)生的必要途徑[1-2]。目前，煤礦瓦斯監(jiān)測仍以催化燃燒式瓦斯傳感器為主，約占90%市場份額[3]。傳統(tǒng)的催化瓦斯傳感器都是采用恒壓或恒流供電，但傳感器由于載體和催化劑燒結(jié)、積碳、中毒以及功耗高等問題，其穩(wěn)定性較差且壽命短[4-5]。在十九屆國際采礦安全會議上，英國學(xué)者S.J.Gentyr 首次提出了恒溫檢測方法，確保催化元件始終工作在恒定溫度，減少傳感器的老化速率以及高濃度沖擊的影響，但該檢測法輸出線性度差并且硬件電路設(shè)計復(fù)雜，限制了其在煤礦中的應(yīng)用[6-7]。結(jié)合恒溫檢測法的特點，中國礦業(yè)大學(xué)的童敏明教授提出定壓檢測法[8]，它不僅具有傳統(tǒng)電橋法使用簡單、受環(huán)境影響小等優(yōu)點，又如恒溫檢測法一般，限制了黑元件的溫度升高，使傳感器輸出穩(wěn)定性有較大提升。但其仍無法解決傳感器高功耗的問題，而瓦斯傳感器在井下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的功耗占比最高。如何保證瓦斯傳感器性能的同時并降低傳感器的功耗成為目前瓦斯傳感器的研究重點。

1 低功耗檢測方法原理

傳統(tǒng)的檢測方法是基于惠斯通電橋的恒壓檢測法，其原理如圖1所示，電橋輸出電壓為[9]：

圖1：恒壓檢測電路原理圖

顯然，電橋的輸出電壓ΔU 與催化燃燒引起的電阻增量ΔR 成正比，瓦斯?jié)舛容^小時，可認(rèn)為電流不變，即I ≈E/2r1，故式（1）可簡化為：

結(jié)合恒壓、恒溫以及定壓檢測的方法特點，本設(shè)計一種低功耗檢測方法，即高低溫檢測法。該檢測方法只采用一個傳感器即敏感（催化）元件來進(jìn)行測量，通過恒流源給傳感器通以周期性的高低電流來實現(xiàn)甲烷濃度的測量，其測量原理圖如圖2所示。

圖2：高低溫檢測法電路原理圖

首先，將敏感元件放置于新鮮空氣中，記錄敏感元件在高、低電流下輸出電壓差值ΔU1為：

式中，U0為敏感元件通以低電流時的輸出電壓值，U1為敏感元件通以高電流時的輸出電壓值，I1為高電流值大小，I0為低電流值大小，r1為在高電流下敏感元件的阻值，r0為低電流下敏感元件阻值。

在進(jìn)行甲烷檢測時，由于采樣時間較短，環(huán)境溫度及濕度都是慣性量，不可能在短時間內(nèi)突變，在一個通電周期內(nèi)，環(huán)境因素可認(rèn)為不改變。所以在甲烷氣氛中，敏感元件在高、低電流下的輸出電壓差值ΔU2為：

對比式（2）和（5），顯然，高低溫檢測法的靈敏度大約是恒壓檢測法的兩倍，而且只采用一個催化元件，功耗不到恒壓檢測法的一半。

2 檢測系統(tǒng)與實驗

為驗證高低溫檢測法的特點，搭建了圖3所示檢測系統(tǒng)。采用現(xiàn)有瓦斯傳感器用于檢測瓦斯?jié)舛龋搨鞲衅黜憫?yīng)時間僅為8s，額定工作電流為110mA，單個功耗145mW，95mA 及以上才與甲烷催化燃燒。

圖3：瓦斯傳感器高低溫檢測系統(tǒng)

通過最小系統(tǒng)控制輸出PWM 占空比改變可變恒流模塊的電流大小，保證瓦斯傳感器周期性的高低電流激勵，激勵曲線如圖4所示。數(shù)據(jù)采集器采集瓦斯傳感器兩端電壓以及溫度信號，并發(fā)送至監(jiān)測終端，經(jīng)軟件補償校正后顯示輸出。

圖4：瓦斯傳感器激勵電流曲線

實驗裝置需要密閉氣室、標(biāo)準(zhǔn)氣樣、流量計、采集系統(tǒng)等。本設(shè)計搭建的實驗平臺如圖5所示，氣源采用兩個標(biāo)準(zhǔn)氣瓶提供，一個為4%甲烷氣瓶，另一個為潔凈空氣。通過流量計控制甲烷和空氣的混合比例來改變氣室的甲烷濃度，達(dá)到實驗要求。

圖5：實驗系統(tǒng)

3 結(jié)果分析與補償校正

3.1 測試結(jié)果

3.1.1 靈敏度

分別采用兩種供電方式對瓦斯傳感器供電，并在室溫下測試各自輸出靈敏度，結(jié)果如圖6所示。

圖6：傳感器輸出擬合曲線

顯然，高低溫檢測法的檢測靈敏度更大，約為恒壓檢測的兩倍，與檢測原理相符。通過線性擬合，得出傳感器在高低溫檢測法下的輸出靈敏度為24.3mV/1%CH4，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.9987，具有良好的線性關(guān)系。

3.1.2 功耗

恒壓檢測法配對了補償元件（未涂催化劑），其功耗約為290mW。而該檢測法僅使用單只傳感器，且采用高低電流激勵，其平均功耗可表示為：

顯然，該檢測法具有更低的功耗，且無需產(chǎn)品配對，大大提高了成品率，對于煤礦井下應(yīng)用具有很好的前景。

3.1.3 穩(wěn)定性

3.1.3 .1 長期穩(wěn)定性

為了研究高低溫檢測法對瓦斯傳感器的靈敏度漂移和零點漂移情況，采用對照實驗的方法，將傳感器放在1%CH4中長時間工作，每隔5 天放入標(biāo)準(zhǔn)氣樣中測試零點和靈敏度。

測試結(jié)果如圖7所示，由圖可知，催化元件在高低電流供電下工作50d，零點漂移0.026%CH4，靈敏度衰減3.6%，相當(dāng)于0.89%LEL。而恒壓供電下工作50d 的催化元件，零點漂移0.038%CH4，靈敏度衰減6.3%，相當(dāng)于1.58%LEL。本文默認(rèn)4 %體積分?jǐn)?shù)為甲烷爆炸下限，兩種供電方式的瓦斯傳感器均符合國標(biāo)GB15322規(guī)定的要求（±3%LEL），但顯然高低溫供電方式的靈敏度相對漂移量更小，使用壽命更長。

圖7：傳感器工作穩(wěn)定性

3.1.3 .2 溫度穩(wěn)定性

通過標(biāo)準(zhǔn)配氣系統(tǒng)分別配以0%、1%、2%、3%、4%濃度的甲烷，并放置于恒溫恒濕箱中，調(diào)節(jié)溫度為‐10℃～60℃，步長10℃，并保持10min，每個溫度點采集10 次，取平均值，所得結(jié)果如圖8所示。

圖8：不同溫度不同甲烷濃度下的傳感器輸出

3.2 溫度補償

顯然，環(huán)境溫度會給傳感器帶來測量誤差，為提高傳感器的檢測精度，需要進(jìn)行溫度補償。本設(shè)計采用PSO 算法優(yōu)化BP 網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，補償結(jié)果如圖9所示。顯然，PSO-BP 的補償效果最佳，各溫度條件下輸出濃度曲線幾乎重合。選取‐10℃條件下的數(shù)據(jù)得到表1，顯然，PSO 算法優(yōu)化后的BP 網(wǎng)絡(luò)預(yù)測絕對誤差顯著降低，相比較傳統(tǒng)BP 網(wǎng)絡(luò)，最大絕對誤差由0.337%CH4下降到0.0746%CH4。根據(jù)催化式甲烷傳感器的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)PSO-BP 算法補償后瓦斯傳感器完全符合其精度要求，大大降低了溫度對瓦斯傳感器輸出的影響，提高了傳感器的檢測精度，對于煤礦應(yīng)用具有重大意義。

表1：PSO-BP 算法與BP 算法溫度補償效果

圖9：不同補償方法結(jié)果曲線

4 結(jié)論

針對現(xiàn)有催化傳感器功耗高、穩(wěn)定性差等問題，提出一種低功耗檢測方法。通過搭建檢測系統(tǒng)，確定了該方法的檢測靈敏度為24.3mV/1%CH4，約為恒壓檢測法兩倍，功耗僅為112mW，約為恒壓檢測法一半。與傳統(tǒng)恒壓檢測法對比，本設(shè)計提出的低功耗檢測方法靈敏度更高，輸出穩(wěn)定性更好，且具有更低的功耗，通過溫度補償可提高傳感器的檢測精度，對于煤礦井下應(yīng)用具有巨大的發(fā)展前景。