（测试计量技术及仪器专业论文）煤矿气体检测仪表的研究与开发.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 煤矿中含有大量的c 地( 甲烷) 及c o ( 一氧化碳) 等易燃易爆气体，发生事故后 会造成巨大的经济损失，甚至危及矿工的生命。所以，对矿井中气体进行快速准确地检 测显得尤其重要，对易燃易爆混合气体检测仪表的研究和开发也一直是人们关注的问 题。本课题是国家$ 8 6 3 项目“易燃易爆气体检测微系统( n o 2 0 0 3 a a 4 0 4 1 8 0 ) ”的一 部分，目的是为煤矿井下提供一种低功耗的智能仪表，该仪表能快速检测混合气体，保 障矿工安全，减少事故发生。 本文应用神经网络算法，设计并制作了用于检测c i 4 和c o 及其混合气体的两种智 能仪表。这两种仪表的主体电路均由气体传感器、加热电源模块、温湿度传感器、时钟 模块、单片机、显示器、数据存储器、串口通讯八部分构成。其中的气体检测仪表所使 用的气体传感器和温度传感器由该$ 8 6 3 项目负责单位中国电子科技集团公司第四十九 研究所研制的。两种仪表的区别在于一种仪表是基于气体传感器阵列工作在恒压加热方 式，而另一种是基于单个气体传感器但是工作在脉冲加热方式以减少功耗。 在本文研制的气体检测仪表中，分另将气体传感器信号、温度信号经a d 转换成 电信号输出；采用1 1 公司的1 6 位m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机测量气体浓度信号、计算温湿 度，应用神经网络实现混合气体浓度的量化分析，在气体浓度超出设定报警闽值时，给 出声光报警；为防止掉电数据丢失，利用闪速存储器a t 4 5 d b l 6 1 b 存储报警阂值、数 据采样原始信号和气体浓度等重要数据；在p c 机控制模式下，实现数据远传；外部按 键完成报警阈值设定等操作：利用液晶显示气体浓度、温湿度和报警阈值等信息。此 外，本文还对功耗进行了分析讨论，给出了软硬件设计方案。 关键词：智能仪表；气体传感器阵列：混合气体分析；脉冲加热：单片机 煤矿气体检测仪表的研究与开发 s t u d y a n d d e v e l o p m e n t o fg a s d e t e c t i n g i n s t r u m e n t sf o rc o a l m i n e a p p l i c a t i o n a b s t r a c t m a n yk i n d so fi n t l a m m a b l ea n de x p l o s i v eo a e ) g a s e s ，s u c ha sm e t h a n ea n dc a r b o n m o n o x i d e ，c o e x i s ti nc o a lm i n e s ，w h i c ha r et h em o s td a n g e r o u ss o l l r c e sl e a d i n gt oe x p l o s i o n s t h o s es e v e r ea c c i d e n t sh a p p e n e di nc o a lm i n e sn o to n l ym a d e h u g ee c o n o m i cl o s sb u ta l s o e n d a n g e r e dm i n e w o r k e r s l i v e s i no r d e r t oa v o i de x p l o s i o na n dt oa n s u r et h em i n e w o r k e r s s a f e t ya n dh e a l t h , i ti si m p o r t a n tt oq u i d d ya n dc o r r e c t ! ym o n i t o rt h eg a sc o n c e n t r a t i o n si nc o a l m i n e s m u c ha t t e n t i o nh a sb e e n p a i d t os t u d ya n d d e v e l o ps u c hk i n d o f d e t e c t o r s 1 1 1 et o p i co f t h i st h e s i si sf r o mt h en a t i o n a l $ 8 6 3p r o g r a mf u n d e dp r o j e c tn a m e da s t h el 墟g a sd e t e c t i o n m i c r o s y s t e m ”( n o 2 0 0 3 a a 4 0 4 18 0 ) ，w h i c hi sa i m e d t od e t e c tt h et w o m a j o r i n f l a m m a b l ea n d e x p l o s i v eg a s e si nc o a lm i n e s m e t h a n e ，c a r b o n m o n o x i d ea n dt h e i rm i x t u r e ss i m u l t a n e o u s l y t w ok i n d so fi n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t s ，u s i n g a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ( a n n ) ，a r e d e s i g n e da n dd e v e l o p e dt om e a s u r em e t h a n e ，c a r b o nm o n o x i d e ，a n dt h e i rm i x t u r e s b o t ht h e i n s t n u n e n t sa r em a i n l yc o m p o s e do fe i g h tm o d u l e s ，i e g a ss e n s o r s ，h e a t i n gp o w e rs u p p l y c i r c u i t ，t i m e r ，t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y ( t a n ) s e n s o r ，s c m ，l c d ，d a t a f l a s h ，a n ds e r i a l i n t e r f a c e a 1 lg a ss e n s o r s ，a n dt e m p e r a t u r es e n s o r su s e di nt h ei n s t r u m e n t sa r ef a b r i c a t e db yt h e 4 9 t hi n s i t i t u t eo f c h i n e s ee l e c t r o n i c st e c h n o l o g yg r o u p c o m p a n y ，w h o i st h ec o o p e r a t o ro f t h e $ 8 6 3p r o j e c t o n eo f t h ei n s t r u m e n t su t i l i z e sa g a ss e n s o ra r r a y i nw h i c he a c hs e r l s o ri so p e r a t e d a tc o n s t a n tt e m p e r a t u r e s a n o t h e ro n eu s e so n l yo n eg a ss e n s o rb u ti t so p e a r a f i o nt e m p e r a t u r ei s m o d u l a t e dw i t h h e a t i n gp u l s e t or e d u c et h ep o w e r c o n s u m p t i o n a l ls e n s o r s r e s p o n s e sa r ea c q u i r e dt h r o u g ha na dc o n v e y o r , a n dt h em s p 4 3 0 f 1 4 9 - t y p e 1 6b i t ss c mi sa d o p t e da sc o n t r o l l e ra n dc a l c u l a t o r n eg a sc o m p o s i t i o na n dc o n c e n t r a t i o na s w e l la sa m b i e n tt a i la r ea n a l y z e db ym s p 4 3 0 f 1 4 9t h e nd i s p l a y e do nt h es c r e e nr e a l t i m e w h i l et h ed e t e c t e dg a sc o n e e n w a t i o n sa r eo v e rt h e w a r n i n gl e v e l ，i i g h ta n db e e pa l a r ms i g n a l s w i l lb eg e n e r a t e d t h ea c q u i r e dd a t aa r es a v e di n t oad a t a f l a s ha t 4 5 d b l 6 1 b i nc a s eo f l o s i n g d a t ad u et op o w e r b r e a k , t h es a v e dd a t ac a nb ea n e wt r a n s f e r r e dt op ct h r o u g has e r i a li n t e r f a c e s o m ee x t e r i o rk e y sa l ea l s oi n s t a l l e do nt h ep a n e lt os e tt h ea l a r mv a l u e ，r e c o r ds i g n a l so rr e s e t t h es y s t e m i na d d i t i o n , t h ep o w e r c o n s t m a p t i o no f t h ei n s m m a e n t si se v a l u a t e da n dm e t h o d st o f u r t h e rr e d u c ei ta r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ；g a ss e n s o ra r r a y ；g a sm i x t u r ea n a l y s i s ；p u l s e h e a t i n g ；s c m - - 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：堡壤q t 日期：塑s 壶3 习 旦 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 煤矿中含有大量的c ( 甲烷) 及c o ( 一氧化碳) 等易燃易爆气体 1 】，发生事故 后会造成巨大的经济损失，甚至危及矿工的生命。随着煤矿开采技术手段的不断改进和 开采规模的扩大及开采深度的不断延伸，安全上的隐患也越来越多。瓦斯事故特别是 重、特大瓦斯事故在煤矿事故中所占的比例越来越高【2 】。因此不把瓦斯事故控制住，就 不能实现煤矿安全生产状况的稳定好转，也就无法保障煤炭工业的持续健康发展。所 以，对煤矿井下气体进行快速准确的检测显得尤其重要，对易燃易爆混合气体检测仪表 的研究和开发也一直是人们关注的问题。 1 1 煤矿气体检测仪表概述 煤矿气体检测仪表是能够检测环境中待检测气体的成分及浓度，并具有报警功能的 仪表。一个完整的煤矿气体检测仪表一般由四个部分组成：气体传感器，能感知环境中 某种气体及其浓度的一种装鼍或器件，它能将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信 号；温湿度传感器，测量环境的温度和湿度，对气体传感器进行温湿度补偿；计算显示 器，根据测量信号，运用一定的算法计算出待检测气体成分及浓度并显示出来；声光报 警器，当检测气体浓度超出设定报警阈值时，就给出声光报警【3 。其技术参数还有存储 数据性能、传输数据性能、使用寿命与可靠性、自备电源或电池等。 气体传感器是煤矿气体检测仪表的关键部分，就其原理可以分为四大类：电学类气 体传感器、光学类气体传感器、电化学类气体传感器、高分子材料类气体传感器 4 】。利 用材料的电学参量随气体浓度的变化而改变的特性制作的气体传感器为电学类气体传感 器。这类气体传感器又可分为电阻式和非电阻式两大类，其中电阻式气体传感器主要有 接触燃烧式、热导式、半导体气体传感器等，而非电阻式气体传感器则通常是利用材料 的电流或电压随气体含量变化的特点而制成的传感器，主要包括m o s 二极管式、结型 二极管式和场效应管式等。利用气体的光学特性来检测气体成分和浓度的传感器为光学 类气体传感器，根据具体的光学原理可分为红外吸收式、可见光吸收光度式、光干涉 式、化学发光式和试纸光电光度式、光离子化式等气体传感器。电化学类气体传感器是 利用电化学性质的气体传感器，该类气体传感器包括：定电位电解式、伽伐尼电池式、 固体电解质等种类的气体传感器。高分子气敏材料气体传感器主要有高分子电阻式、高 分子电介质式、浓差电池式、声表面波式、石英振子式等 5 7 】。 世界上发达国家用于煤矿井下易燃易爆气体检测的方式主要有载体催化燃烧式、光 干涉式、热导式三种( 8 】。在这三种气体检测仪表中，载体催化燃烧方式检测可燃气浓度 煤矿气体检测仪表的研究与开发 的方法因其线性和稳定性较好，以爆炸下限百分体积浓度( nl l ) 为单位的浓度标度方 法能统一衡量各种可燃气浓度所呈现的爆炸危险度，且量程符合工业要求，故被较多的 用于爆炸危险场所可燃性气体的测量。该检测方式使用催化载体型气体传感器作浓度的 检知器，该元件由铂丝上烧结一层陶瓷载体( 如a 1 2 0 3 ) 后再涂覆催化活性物( r h ，p d 等) 构成。当p t 丝中通以工作电流使之达到临界反应温度( 3 2 0 3 5 0 ) 时，可燃气 在元件表面催化燃烧使p t 丝电阻增加，在完全燃烧且热辐射可忽略时，电阻增量a r f 与可燃气浓度c 成正比，即有a r f = d c q c ，= k l c ，式中= 班+ 日q c p ， ，a ，q ，c p 分别为p c 电阻温度系数、催化剂性能常数、可燃气燃烧热、元件热容， 故k 1 是仅与元件及可燃气种类有关的常数 9 】。将a r f 转换成电信号，即可用于检测可 燃气的浓度。这种传感器的问题是催化元件容易中毒，从而造成其使用寿命短、稳定性 差 1 0 。 光干涉式气体检测仪表是利用了光的干涉原理实现对已知待检测气体浓度的测量。 比较典型的产品有矿用光干涉型c h 4 气体检测仪，它是利用不同种类、不同浓度的气体 对光的折射率不同这一性质，针对a k 气体设计适当的光路系统，把c i - h 气体浓度的 变化转换成光的干涉条纹的位置变化。具体地说，就是采用一个光源，经过适当的光学 设计，使其分解为两列光波，一路通过标准空气室，另一路穿过采样气室后在某处相 遇，此时由于满足光的相干条件，从而产生干涉条纹。把两气室都充有空气时的干涉条 纹作为初始位置，当c i - h 气体充入采样室后，由于光程差的结果，干涉条纹会相对于原 位置移动一段距离，并且这个距离将随c h 4 气体浓度的不同而产生相应的变化。因此只 要测量该位移量，就可以获得c h 4 在空气中的含量 1 l 】。该测量仪测量范围大，使用寿 命长，但仪器设备大，价格高，测量不直观，而且无法与监控系统连接，因此在煤矿中 的使用量逐年减少。 热导式煤矿气体检测仪表是利用热导式气敏材料对不同可燃性气体的导热系数与空 气的差异，实现对气体的检测 4 】。热传导式气体检测仪的结构是将待测气体送入气室， 气室中有热敏元件如热敏电阻、铂丝或钨丝，对热敏元件加热到一定温度，当待测气体 的导热系数较高时，将使热量更容易从热敏元件上散发，使其电阻值减小，通过惠斯登 电桥测量这一阻值变化可得到被测气体的浓度值。 气体传感器除了对被测气体敏感外，一般都还受到其它气体的影响，即有所谓交叉 灵敏度，这对于传感器的选择性和测量精度是不利的 1 2 1 ，并且是长期困扰气体传感器 性能水平的主要问题。为此，人们进行了大量研究，目前看来，采用传感器阵列和脉冲 温度调制方式并结合各种人工智能算法受到普遍的重视。气体传感器阵列不仅能够对多 大连理工大学硕士学位论文 种气体进行检测，而且在多种气体同时存在的情况下能够实现对各种气体成分的鉴别 1 3 1 。此外，气体传感器阵列用于单一气体浓度的检测时，与单个传感器相比较也具有 更高的精度。因此，本文研究采用最常见的s n 0 2 基半导体气体传感器构成传感器阵 列，并充分利用传感器阵列所提供的交叉敏感，结合模式识别技术和微处理机技术来提 高气体检测器件的选择性和测量精度。 1 2 煤矿气体检测仪表的国内外发展状况 伴随气体传感器的发展，气体检钡4 仪器不断更新。其类型根据检钡4 对象可分为可燃 性气体检测仪、毒性气体检测仪和氧气检测仪等；从仪器结构和方法上分为袖珍式、便 携式和固定式。袖珍式仪器的采样方法为扩散式，用于在危险环境中的工作人员随身携 带；便携式仪器用泵吸式采样，用于检测人员定期安检；固定式仪器用于气体生产和储 存场所的实时和在线监控。 随着传感器生产工艺水平的提高，传感器日益小型化、集成度不断提高，使得气体 检测仪器越来越小。这方面的技术主要包括，一是在传感器生产中将对不同气体敏感的 气体传感器制作在一块芯片上组成传感器阵列，减少分立器件所占的体积：二是将电路 设计成专用集成电路，完成特定的检测任务 4 】。如日本已经开发出手表大小的气体报警 仪；美国d e t c o n 公司在4 i n c h 的硅片上集成了9 5 0 个h 2 s 传感器。 仪器智能化即在气体传感器中嵌入微处理爨，使仪器具有自动校准和故障显示功 能。在软件设计上基于模糊理论和神经元网络，实现对气体种类的识别和浓度的计算， 最典型的是目前国内外已研制成功的利用电子鼻技术的智能气体传感系统 1 4 ，1 5 。电子 鼻是由多个性能彼此重叠的气体传感器和适当的模式分类方法组成的具有识别单一和复 杂气味能力的仪器，它融合了传感器技术、信息处理技术、计算机技术和计算数学理 论，是一门综合陛极强的技术u 6 , z 7 i 。从1 9 6 4 年首次提出电子鼻以来，到1 9 8 4 年，美 国的z a m m b 和s t e t t e r 提出将多个气体传感器组成传感器阵列，测量气体的种类和组 成。这一思想被广泛接受，并迅速在多个领域成功应用。美、英、德、法等国都己研制 成不同种类的商品化电子鼻：美国传感技术有限公司i s t 生产的i q l 0 0 0 型万能气体探 测器可检测超过1 0 0 种的有毒或可燃性气体。我国的电子鼻技术还处在实验室阶段，李 权龙等( 1 9 9 6 ) 使用十一个不同型号的金属氧化物气体传感器组成气体传感器阵列采 用主成份分析法( p c a ) 和偏最小二乘回归方法( p l s ) ，可以识别甲烷、乙烷、丙烷 和丙烯四种气体；余皓等( 2 0 0 2 ) 通过c 5 1 单片机及外围检测电路研制成新型多路可燃 气体检测电子鼻 1 8 】。现在，传感器的研究也由一点参数测量发展到从一维、二维、三 维甚至四维来考虑，成功地研制出二维图像传感器。t h o m a s j k u l p 利用红外气流成像显 煤矿气体检测仪表的研究与开发 示气流空间分布，采用c 。2 激光器扫描成像仪能探测在9 1l m 范围内产生吸收的7 0 多种不同气体。 仪器多功能化是指气体检测仪器致力于能进行多参数测试，多种气体检测。如将不 同类型的传感器集成在一块芯片上，可同时测试气体的浓度、压力、温度和流速等。从 而更全面地反映被狈4 气体在特定环境中所显示的特性。 能用一种仪器检测多种不同气体是气体检测仪的发展趋势。如光离子化检测仪可检 测大部分的挥发性有机物( v o c ) ，美国传感技术有限公司( i s t ) 生产的能检测1 0 0 种气体成份的便携式万能气体检澳4 仪代表了气体检测仪器的发展方向。 1 3 开发煤矿气体检测仪表的现实意义和应用前景 我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少数几个以煤为主要能源的国 家之一 2 】。虽然通过煤炭生产、加工和利用等，提供了相当多的就业机会，但每个环节 却同时带来了环境污染、安全等一系列的问题。其中之一便是有害气体，包括c h 4 、 c o 、s 0 2 、n o x 等。后两种气体含量少，且易溶于水，经煤矿开采时的喷水处理后变 成酸。但是前两种气体含量多，且几乎不溶于水，属于易燃易爆气体，吸入c o 后对人 体危害极大。因此，认识并研制检测这两种气体的新型仪表，显得非常重要。 煤矿井下的c o 多存在于采空区，密封巷道等处。生成c o 的原因主要是由于煤本 身自燃发火倾向，当环境温度等达到定条件，煤就能自燃，但又由于这些场所的供氧 量不足，燃烧不充分，致使形成大量的c o 。一旦涌入工作场所，就会造成极大的危 害。c o 是一种无色、无嗅、无味、无刺激性的气体，比重o 9 6 7 ，几乎不溶于水。在空 气中的燃烧呈蓝色火焰，当与空气混合达到1 2 5 8 0 时具有爆炸性。此外，c o 进入 人肺脏通过气体交换作用进入血液循环，与血红蛋白形成碳氧血红蛋白。碳氧血红蛋白 的形成使血液失去携氧作用，造成缺氧血症，导致组织缺氧，抑制组织呼吸。c o 与血 红蛋白的亲和力比氧大2 0 0 3 0 0 倍，而解离速度又较氧与血红蛋白慢3 6 0 0 倍。 瓦斯( c i - h ) 是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层之中的气体，是煤矿井下危害 最大的气体。瓦斯是一种无色、无味的气体，密度为0 7 1 6 7 k g m 3 ，对人体的危害是超 限时能引起人窒息死亡。但其却有易燃、易爆等特点，因此煤矿对瓦斯的治理非常重 视。瓦斯的灾害主要表现为四个方面。第一、瓦斯浓度过高，对工人身体健康的影响表 现为缺氧，呼吸困难，窒息等。第二、瓦斯煤尘爆炸。瓦斯爆炸所产生的巨大冲击波和 高温火焰，往往导致群死群伤，而且扬起的煤尘又会参与爆炸，摧毁巷道，毁坏设备， 甚至毁灭整个矿井，给国家和人民生命财产造成巨大损失。第三、煤中瓦斯突出。突出 4 大连理工大学硕士学位论文 直接影响着工人的人身和矿井安全。第四、大量的瓦斯从通风并排入大气，污染大气环 境。c 地是室温气体的主要成份之一，占1 9 ( 1 9 】。 我国煤矿的瓦斯灾害是比较严重的，瓦斯灾害始终是煤矿安全生产的大敌，目前已 成为制约煤矿安全生产的主要矛盾【2 】。因此，煤矿气体检澳4 仪表对煤矿工业安全生产， 减少事故发生和生命财产损失有重要意义，市场应用前景十分广阔。 1 4 本文开展的主要工作 本文针对煤矿气体检测仪表的现状及发展趋势，阅读了大量文献及资料。目前国内 气体检测仪表很多都是对单一气体的检测，用于煤矿中c i - 1 4 、c o 混合气体的检测仪 表，几乎是空白。本文主要研究与开发用于煤矿中c h 4 、c o 以及它们的混合气体检测 的智能仪表。 在高温下，不同的气体传感器对不同的气体敏感程度不同，这就是所谓的交叉敏 感。本文针对气体传感器的这一特性，使用t g s 系列传感器做了类似的实验，进一步验 证了这一结论。该项目负责单位中国电子科技集团公司第四十九所，主要负责研制4 单 元集成s n 0 2 基半导体气体传感器阵列。本文与他们合作，主要研究与开发这种阵列式 气体传感器的应用仪表。他们的这神气体传感器还处于硬发阶段，所以本文首先采用了 四个不同类型的、分立的s n 0 2 基半导体气体传感器组成阵列( t g s s l 3 ，t g s 8 4 2 ， t g s 8 0 0 和杨梅同学研制的烧结型气体传感器y 1 ) ，研究与开发阵列型气体传感器应用 仪表。为了提高气体检测仪表的测量精度，在仪表的软件设计中，应用了魏广芬博士研 究的神经网络算法。经过实验测试，这种阵列式的仪表可以满足国家$ 8 6 3 项目的技术 指标的要求。 气体传感器在不同温度下，对不同的气体敏感程度不同。近年来，利用气体传感器 的这一特性所做的研究，得到了较大的发展。本文通过实验验证了气体传感器的这一特 性，并在气体传感器的气敏特性研究和基于气体传感器阵列的煤矿气体检测仪表的设 计、调试经验的基础上，尝试性的开发了基于脉冲加热的煤矿气体检测仪表，该仪表采 用一令气体传感器和温湿度传感器构成敏感探头。经过实验测试，这种仪表功耗相对较 低，但是稳态波动大，误差较高。这主要有两个原因：一方面，气体传感器在脉冲加热 下，状态不稳定；另一方面，一些参数需要在神经网络算法上做进一步的的修正。 这两种仪表充分体现了煤矿气体检测仪表的便携式、智能化、低功耗、高精度的发 展趋势，把智能化技术应用于新型的煤矿混合气体检测仪表的设计中。其中，重点在于 敏感探头的设计及智能化、低功耗的软硬件电路设计上。采用超低功耗单片机 m s p 4 3 0 f 1 4 9 作为仪表系统的核心，在系统软件应用了神经网络算法。实现混合气体的 煤矿气体检测仪表的研究与开发 量化分析，进一步提高了煤矿气体检测仪表的稳定性和检测精度。除此以外，在软件的 设计上也尽量使系统的电流消耗达到最小，实现低功耗。 本文设计开发的串口通讯软件，是煤矿气体检测仪表的配套工具。该软件主要是为 了实现煤矿气体检测仪表与p c 机之间的数据交换，用于标定和更新仪表的参数。为减 少气体传感器的长期基线漂移带来的误差，仪表需要定期标定和更新参数；传感器的重 复性差，更换敏感探头时也需要重新标定。通过该软件可实现敏感探头的实时测量并更 新仪表中的数据处理参数。 本文第二章介绍了煤矿气体检测仪表的设计要求及设计原理；第三章阐述了设计的 基于气体传感器阵列的煤矿气体检测仪表；第四章介绍了设计的基于脉冲加热的煤矿气 体检测仪表；第五章讲述串口通讯软件等内容。 大连理工大学硕士学位论文 2 煤矿气体检测仪表的设计要求及设计原理 2 1 设计要求 本项目的要求是，与中国电子科技集团公司第四十九研究所合作，设计一种能够检 测c h 4 ( 甲烷) 、c o ( 一氧化碳) 以及它们混合气体的煤矿气体检测仪表，其市场应 用目标是煤矿中易燃易爆气体的检测。本论文主要依据四十九所正在研发的气体传感器 特点，研究并开发与之配套的气体检测仪表电路部分。 2 1 1 技术指标要求 本项目对煤矿气体检测仪表及其所用气体传感器在技术指标上的要求如下： 应用环境：煤矿气体检测 检测对象：同时检测甲烷、一氧化碳两种气体 测量范围：甲烷0 5 0 0 0 p p m ：一氧化碳o 1 5 0 p p m 灵敏度：甲烷优于5 0 0 p p m ；一氧化碳优于2 0 p p m 选择性：甲烷传感器1 0 0 p p 州一氧化碳传感器5 0 p p m 一2 响应时间：3 0 s 功耗：、 环境工作湿度范围：1 0 9 5 0 d l l - i 2 1 2 隔爆仪表设计要求 煤矿井下工作环境特殊，空间狭窄，湿度大，有易燃易爆的瓦斯和煤尘，所以，煤 矿电器同一般电器有较大的区别。这就对煤矿电器有特殊要求，如体积要小，易于搬 运，坚固，防潮防水溅，防爆。属于煤矿安全标志管理目录内的矿用产品应有安全标志 【2 0 1 ，电气设备必须符合防爆要求，应有接地、过流、漏电保护装置。 隔爆型仪表的主要特点是有一个可靠的隔爆外壳，它将把可能产生火花和危险温度 的仪表传感器、电阻电路及接线端子等，都放在隔爆外壳里，达到外壳内可能发生的爆 炸不影响周围易燃易爆物质，它的设计方法与隔爆型电器和电机基本相类似。如外壳的 各配合面( 隔爆面) 的间隙大小和长度要符合g b 3 8 3 6 2 标准规定要求，另一方面外壳要 有一定的机械强度，须达到外壳内部爆炸参考压力的1 5 倍压力不损坏和变形等。隔爆 型仪表设计须注意如下： 煤矿气体检测仪表的研究与开发 1 ) 确定合理的外壳结构 根据仪表的特点，专门设计与原结构相适应的外壳，达到既不损害仪表原来使用特 征又经济合理美观的外壳：外壳腔内有细长通道，避免腔内发生压力重叠现象：外壳的 材质可以尽量采用新型的工程塑料和优质轻合金，做到结构轻巧。 2 ) 接线盒结构 隔爆型仪表尽量设计带有接线盒的隔爆外壳，且接线盒的防爆类型为隔爆型。由于 隔爆型仪表具有低电压、小电流特点，隔爆型仪表的主腔和接线盒贯通部分，可以尽量 采取橡胶密封结构，使隔爆型仪表结果简单，加工方便。 3 ) 指示表结构 为了使现场操作人员及时地了解工业过程控制的热工参数，要求隔爆型仪表带有指 示表。指示表可以设计在仪表的主腔室或接线盒腔室，但是透明窗面积不得大于 1 0 0 r a m 2 ，透明玻璃厚度要大于8 m m ，与外壳密封可以采用橡胶密封措旌。 2 1 3 仪表的功能 在本项目中，煤矿气体检测仪表的一个重要功能就是能够检测c h 4 和c o 混合气 体，同时本着方便应用的原则，还应具备声光报警、人机界面操作、数据存储以及与 p c 机通讯等功能。基于这些要求，仪表应由敏感探头、信号调理、a d 转换、单片 机、数据存储器、显示器、按键面板及报警模块、通讯模块等组成。由于在标定和更新 仪表参数的时候，需要大量的实验数据，这就需要扩展仪表外设功能模块，采用串口通 讯实现数据的远传，应用p c 机的强大数据处理能力快速标定、更新仪表参数。 2 2 设计原理 为了能够检测混合气体，本项目的合作单位主要负责研制4 单元集成s n 0 2 基半导 体气体传感器阵列；另外，基于气体传感器阵列的混合气体检测是气体传感器领域近年 来的主要研究热点。所以，本文主要研究及开发阵列型气体传感器应用仪表。由于他们 的这种气体传感器处于研发阶段，本文首先采用了分立的s n 0 2 基半导体气体传感器组 成阵列( t g s 8 1 3 ，t g s 8 4 2 ，t g s 8 0 0 和杨梅同学研制的烧结型气体传感器y 1 ) ，和温 湿度传感器一起组成敏感探头【2 1 。在仪表系统软件上应用神经网络算法 2 2 ，2 3 ，实现 对c h 4 、c o 及其混合气体成分的识别和浓度的测量。 2 2 1 气体传感器的选择 本文在实验阶段，采用了s n 0 2 基半导体气体传感器。该类气体传感器目前在国内 外应用很广泛，它具有便于微型化、集成化，灵敏度高、敏感气体种类多、寿命长等特 大连理工大学硕士学位论文 点4 1 。采用半导体氧化物s u 0 2 材料，烧结工艺所生成的气敏元件，对被测气体有较高 的灵敏度，在被检测气体含量只有十几到几百p p m 时，气敏元件的阻值就可以产生很 大的变化，这种阻值变优只要援上简单的电路就可以变换为电压的变化而测量出来。 2 2 ，2 气体传感器的气敏特性 首先研究了本文实验所用的气体传感器在5 v 加热电压下的响应，发现不同气体传 感器在高温下对不同气体都有响应，但响应程度不同。如图2 1 、图2 2 所示，给出了 t o s 8 4 2 和y 1 ( 我们自行研镉g 的烧结型气体传感器) 的响应特性。从图中可以看出，一 方面，在高温下，气体传感器t g s 8 4 2 和y l 对c 心都有响应，但是，t g s 8 4 2 响应比 较大；另一方面，在高温下，气体传感器t g s 8 4 2 和y 1 对c o 都有响应，但是，y l 响 应比较大。此即为气俸传感器的交叉敏感特性，利用气体传感器的这一重要气敏特性， 采用气体传感嚣阵列，结合信号处理和信息融合技术 2 4 , 2 s 1 ，应用神经网络算法实现混 合气体的种类识别及浓度计算。根据这个原理，本文设计了基于气体传感器阵列的煤矿 气体检测仪表( 仪表i ) ，见本文第三章。 另外，气体传感器在不同温度下对不同气体响应程度也不一样，如图2 3 所示。在 2 v 左右电压加热下，气体传感器对c o 响应程度很大，丽对c h 4 响应非常小：在4 v 左右电压加热下，气体传感器对c 地响应羊呈度很大，丽对c o 响应非常小。本文利用气 体传感器的这一重要气敏特性，并在基于气体俦感器阵列的煤矿气体检测仪表研究、调 试经验指导下，设计了基于脉冲加热的煤矿气体检溺仪表( 仅袭i i ) ，见本文第四章。 z b 7 h 磊2 0 曼 冬t 5 中 毫1 0 窖 岛5 卞- _ u 05 0 0t 0 0 01 5 0 02 0 0 0 2 5 0 03 0 0 0 强4c o n c ，( p p m ) 凰2 1 气体传感器t g s 8 4 2 和y l 在商温下对甲烷的响应 f i g 2 - lr e s p o n s e o f g a s s e n s o r t g s 8 4 2 a n d y it 付c h t o p e r a t e d a t h i g ht e m p e r a t u r e 煤矿气体检测仪表的研究与开发 l u 。 ，h8 4 2 - y l 辩2 5 ； 眇 乒厂 u 02 04 06 08 01 0 0】2 0 c oc o n c ( p p m ) 图2 2 气体传感器t g s 8 4 2 和y 1 在高温下对一氧化碳的响应 f i g 2 2r e s p o n s e o f g a s s f n s o rt g s s 4 2a n dy 1t oc o o p e r a t e d a th i g h t e m p e r a t u r e 一8 0 p p m c o r 一2 0 0 0 p p m c h 4 卢 | | i | ， 1 八7 ， 糍 久 、lh u o 0123456 h e a t i n gv o lr a g e ( v ) 图2 3 气体传感器t g s 8 4 2 在不同温度下对一氧化碳和甲烷的响应 f i g 2 3r e s p o n s e o f t g s 8 4 2t oc oa n dc h 4 o p e r a t e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s 2 2 3 气体传感器的温湿度特性 s n 0 2 基半导体气体传感器的探测原理是气体传感器表面气体的化学吸附作用与解吸 作用，这些反应易受环境温度、湿度的影响【4 。根据这理论指导，本文采用温湿度调 节设备恒温恒湿箱，做了气体传感器t g $ 8 4 2 和t g s 8 0 0 在几个温湿度点的响应实验。 如图2 4 、图2 5 所示，气体传感器电阻与环境温湿度的关系为负温度系数，不同材料不 同种类的气体传感器具有不同的温度系数。在较高精度和可靠性的应用中，需要添加温 湿度补偿。本文增加了温湿度测量电路，并希望应用神经网络算法进行温湿度补偿。 大连理工大学硕士学位论文 图2 4 环境湿度对气体传感器t g s s 4 2 和t g s 8 0 0 的影响 f i g 2 4d e p e n d e n c e o f g a ss e n s o rt g s s 4 2 a n dt g s s 0 0o ne n v i r o n m e n t a l h u m i d i t y 图2 5 环境温度对气体传感器t g s 8 4 2 和t g s 8 0 0 的影响 f i g 2 5d e p e n d e n c eo f g a ss e n s o r t g s 8 4 2a n dt g s 8 0 0o ne n v i r o n m e n t a l t e m p e r a t u r e 2 ，2 4 仪表敏感探头 基于传感器阵列的煤矿气体检测仪表的敏感探头由四个气体传感器和温湿度传感器 组成；基于脉冲加热的煤矿气体检测仪表敏感探头由一个气体传感器和温湿度传感器组 成。仪表敏感探头与仪表主体分开，它们之间用数据线相连。气体传感器测量精度受环 境温湿度影响，希望在系统程序中应用具有温湿度补偿功能的神经网络算法，这里所用 的温湿度，是气体传感器所检测环境的温湿度，而非仪表所在的环境，所以需要把温湿 度传感器和气体传感器放在起，组成敏感探头。 煤矿气体检测仪表的研究与开发 2 - 2 ，5 神经网络算法 采用气体传感器阵列技术可以提高气体传感器的选择性，从而检测混合气体种类及 浓度，其信号处理技术是关键。目前该领域的信号处理研究主要围绕基于统计或神经网 络的模式识别技术以及回归技术而展开 2 5 】。模式识别技术是一门新兴的学科，它在自 控理论、计算机科学和自动化应用等领域中得到了广泛的应用。“模式”是指人所生活 的客观世界的总称，“识别”是指对客观事物按其物理特征来进行分类，而传感器是 “模式”与“识别”之间的桥梁。模式识别系统在功能上包括三个部分：模式信息获 取；预处理、特征提取和选择；分类判别。第一部分由具有各个能测量特征的敏感元件 来完成，后两部分由模式识别技术来完成，而前后两者又是互相影响和互相依存的。模 式判别方法很多，如应用距离函数的最小距离模式分类法和应用似然函数b a y e s 模式分 类法。然而，特征提取时通过传感器及预处理来实现的，特征集选择的是否合理，对于 模式的分类性是至关重要的。如果特征集提取得不太理想，那么分类的精度就会下降， 甚至不能有效分类。因此，传感器设计得合理与否对于特征集来说是非常重要的。 本文所应用的神经网络算法采用了主成分分析和误差后向传播( b p ) 神经网络相 结合的技术【2 6 】来识别和量化c o 和c h 4 的混合气体，数据处理框图如图2 6 所示。阵 列数据首先经过标准化和归一化处理，使数据位于 - 1 ，1 1 之间；然后采用主成分分析 ( p c a ) 去除阵列数据中的二阶统计相关量，进行数据压缩并提取有效特征，作为b p 神经网络的输入向量，能够减少计算量并提高神经网络的收敛速度。本文应用的二层 b p 神经网络是混合气体成分识别和量化的主要模块，中间层采用非线性活函数 y 咖h ( x ) ，输出层采用线性活函数，输出单元对应待识别的混合气体成分及浓度信息。 神经网络采用离线训练得到各层的权值，即首先对气体传感器阵列对要求浓度范围 的c o 和c 出气体进行了一系列的测试，将测得的数据用于神经网络的训练，收敛后将 测得的各个权值向量写入单片机的数据处理程序模块。离线训练数据计算量小，但是当 传感器漂移超出预定误差后，需要重新对网络进行标定和训练。 a l = 8 n b ( w l 挪十b 1 ) t = p u r e l i n ( w 2 * a l + b 2 ) 一- j 图2 6 神经网络数据处理框图 f i g 2 6t h e a n nd a t a p r o c e s s i n gb l o c kd i a g r a m 大连理工大学硕士学位论文 2 2 6 单片机的选择 本文所应用的神经网络算法用到了e 指数函数，用汇编语言编程实现过程比较复 杂。c 语言函数库里有丰富的函数，其中包括e 指数函数，可以直接采用头文件包含的 方式调用。这就需要选择能够支持c 语言编程、调试的单片机开发工具。 根据煤矿气体检测仪表所实现的功能，以及在算法上的要求，本文选择了t i 的1 6 位m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机p t 。该单片机是德州公司开发的一类具有1 6 位带f l a s h 的微 处理器，其性价比和集成度高。它采用1 6 位的总线，外设和内存统一编址，寻址范围 可达6 4 k ，还可以扩展外部存储器。具有统一的中断管理，具有丰富的片上外围模块。 片内有：带有三个捕获比较寄存器的1 6 位定时器( t i m e ra 3 ) 、带有七个捕获l p , 较 寄存器的1 6 位定时器( t i r a e l b 7 ) 、一个硬件乘法器、一个具有1 2 路输入的1 2 位 a d 转换器( a d c l 2 ) 、一个可以用作通用定时器的看门狗定时器( w a t c h d o g t i m e r ) 、两个具有中断功能的8 位并行端口( p 1 和p 2 ) 、四个8 位并行端口( p 3 、 p 4 、p 5 和p 6 ) 、两个串行通信接口( u s a r t 0 和u s a r t l ) 、一个模拟比较器 ( c o m p a m t o r _ a ) 、一个数控振荡器( d c o ) 和两个晶体振荡器。方便高效的开发方 式，可以在线对单片机进行调试和下载，且j t a g 口直接和f e t ( f l a s h e m u l a t i o nt o o l ) 相连，不需要另外的仿真工具。可以在超低功耗模式下工作，对 环境和人体的辐射小，测量结果为1 0 0 m w 左右的功耗( 电流为1 4 m a 左右) ，可靠性 能好，加强电干扰运行不受影响，适应工业级的运行环境。 煤矿气体检测仪表的研究与开发 3 基于气体传感器阵列的煤矿气体检测仪表 本章主要介绍了基于气体传感器阵列的煤矿气体检测仪表的系统原理框图及其整体 协调工作实现的功能、仪表的硬件电路设