（控制理论与控制工程专业论文）室内有毒气体监测系统研制.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导老师： 室内有毒气体监测系统研制 控制理论与控制工程 温卫敏 汪梅 摘要 ( 签名) 湿。卫敏 ( 签名) 独碜 近年来，随着人们生活水平的提高和居住条件的改善，大量的新型装饰材料被广泛 地应用于家庭装修中，而由此所造成的室内环境污染也日益变得严重。那些有毒气体会 对人体造成极大的危害，为了保障人们的身体健康，发展高性能、低成本的多传感器与 智能技术相结合的监测系统具有重要的现实意义。基于多传感器数据融合技术的气体检 测系统，可在一定程度上抑制传感器的漂移和噪声，提高系统的检测精度。本文采用基 于多传感器自适应加权数据融合技术，设计一套室内装修有毒气体监测系统，该系统具 有数据采集、实时显示、声光报警、串口通讯等功能，并采用自适应加权数据融合算法， 提高了整个系统的测量精度。 论文在分析了电化学甲醛、氨气传感器和半导体苯传感器的检测原理之后，提出并 实现了系统整体设计方案。系统硬件主要分为3 个部分：一是传感器信号调理电路部分， 包括甲醛、氨气传感器的信号调理、苯传感器的信号调理和温湿度传感器的信号调理； 二是t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 控制器部分的电路，包括气体浓度的采集和温湿度参数的采集、 液晶显示电路、声光报警等；三是上位机通讯电路。系统软件包括两个部分：一是用c 和汇编语言混合编写的下位机程序，主要完成系统初始化、中断采样、数据实时显示、 声光报警和数据通讯等工作；二是由v b 语言编写上位机软件，主要完成数据实时传输、 数据保存、显示气体浓度等功能。 论文提出了基于自适应加权的数据融合方法，即充分利用传感器的原始数据，对测 量数据的均方误差、测量精度等信息进行融合，并准确估算出来。其优点是不要求测量 数据的任何先验知识，仅依据测量数据的测量精度来确定不同数据的相应权数，就可以 计算出均方误差最小的融合值。将所提出的数据融合方法应用到室内有毒气体监测系统 中，提高了室内有毒气体监测系统的测量精度，并使系统具有良好的鲁棒性。 实验表明系统性能稳定，测量精度达到预定的要求，具有很好的应用前景。 关键词：气体监测；t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ；数据融合；信号调理；液晶显示 研究类型：应用研究 s u b j e c t s p e c i a l t y n a m e ：d e v e l o p m e n to fa ni n d o o rt o x i cg a sm o n i t o r i n gs y s t e m ：c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ：w e nw e i m i n i n s t r u c t o r ：w a n gm e i a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 幽丝! 塑i 廿 ( s i g n a t u r e ) w i t ht h ei m p r o v e m e n t so ft h es t a n d a r do fl i v i n ga n dt h ec o n d i t i o no fh o u s i n gi nr e c e n t y e a r s ，al o to fn e w - s t y l ed e c o r a t i n gm a t e r i a l sa r ew i d e l yu s e di nh o u s ed e c o r a t i o n ，w h i c h c a u s e dt h ei n d o o re n v i r o n m e n td e t e r i o r a t e d t h o s ep o i s o n o u sg a s e sh a v ec a u s e dg r e a th a r mt o h u m a nh e a l t h s oi ti so fg r e a ti m p o r t a n c et od e v e l o pt h eh i g hq u a l i t ya n dl o wc o s tm o n i t o r i n g s y s t e mb yc o m b i n i n gm u l t i s e n s o ra n di n t e l l i g e n c et e c h n o l o g y m u l t i - s e n s o rd a t af u s i o n t e c h n o l o g yb a s e do ng a sd e t e c t i n gs y s t e mc a nr e s t r a i nt h ee x c u r s i o na n dt h en o i s eo ft h e s e n s o ra n di m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h es y s t e m b a s e do nt h et e c h n o l o g ym e n t i o n e da b o v e ， t h et h e s i sd e v i s e sa ni n d o o rd e c o r a t i n gp o i s o n o u sg a sd e t e c t i n gs y s t e m t h es y s t e mc o m p r i s e s t h ed a t ar e a l - t i m e d i s p l a y i n gp a r t ，t h ea c o u s t o - o p t i c a l a r m p a r ta n dt h es e r i a lp o r t c o m m u n i c a t i o np a r t i na d d i t i o n ，t h ed a t af u s i o nm e t h o db a s e do na d a p t i v ew e i g h t e di su s e d i nt h es y s t e mt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h es y s t e m t h et h e s i sd e e p l ya n a l y z e st h ed e t e c t i o np r i n c i p l e so fe l e c t r o c h e m i c a lf o r m a l d e h y d e ， a m m o n i as e n s o ra n ds e m i c o n d u c t o rt o l u e n es e n s o r s t h e nas y s t e mp l a ni sp u tf o r w a r da n di s i m p l e m e n t e d s ot h ea n a l y s e sf o rs o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no ft h es y s t e ma r eg i v e n t h e h a r d w a r es e c t i o nc o n s i s t sm a i n l yo ft h r e ep a r t s t h ef i r s tp a r ti sas e r i e so fs e n s o rs i g n a l c o n d i t i o n i n gc i r c u i t s ，i n c l u d i n gf o r m a l d e h y d ea n da m m o n i as e n s o rc o n d i t i o n i n gc i r c u i t ， f o r m a l d e h y d e s e n s o rs i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i ta n dt e m p e r a t u r e - h u m i d i t ys e n s o rs i g n a l c o n d i t i o n i n gc i r c u i t t h es e c o n dp a r ti st h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a c o n t r o l l e rc i r c u i ti n c l u d i n gt h e g a sc o n c e n t r a t i o n sa c q u i s i t i o n ，t h et e m p e r a t u r e - h u m i d i t yp a r a m e t e r sa c q u i s i t i o n ，t h el i q u i d c r y s t a ld i s p l a y i n gc i r c u i ta n dt h ea c o u s t o - o p t i ca l a r ma n ds oo n t h et h i r dp a r ti sap o s i t i o n m a c h i n ec o m m u n i c a t i o nc i r c u i t t h es o f t w a r es e c t i o nc o n s i s t so ft w op a r t s o n ei st h e p r o g r a mw i t l lcl a n g u a g ea n da s s e m b l e sl a n g u a g ee m b e d d i n gm a c h i n e i nt h i sp a r t ，t h e p e r f o r m a n c e so ft h es y s t e mi n i t i a l i z a t i o n ，t h ei n t e r r u p ts a m p l i n g ，t h ed a t ar e a l - t i m ed i s p l a y i n g ， t h ea c o u s t o - o p t i ca l a r ma n dt h ed a t ac o m m u n i c a t i o n sa r er e a l i z e d t h eo t h e ri st h ep o s i t i o n m a c h i n es o f t w a r eb a s e do nv bl a n g u a g e i tm a i n l ya c h i e v e st h er e a l t i m et r a n s m i s s i o n ，t h e d a t ar e s e r v a t i o na n dt h e d i s p l a y i n gg a sc o n c e n t r a t i o n t h ed a t af u s i o nm e t h o db a s e do n a d a p t i v ew e i g h t e di sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s n 锄e 1 v t h em e a ns q u a r ee r r o r ( m s e ) a n dt h em e a s u r e m e ma c c l l r a c yo ft h e r a wd a t a 丘o mt h e s e m u l t i 。s e n s o r sa r ef u s e da n da r ee s t i m a t e da c c u r a t e l y t h ea d v a n t a g ei s n on e e dt h ep r i o r k n o w l e d g eo fd a t am e a s u r e m e n tb u to n l ya c c o r d i n gt ot h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yw h e nw e m a k es u r et h ec o r r e s p o n d i n gw e i g h t so ft h ed i f f e r e n td a t a i nt h el i g h to f t h i sm e t h o dw ec 觚 c a l c u l a t ea n dg a i n e dt h em i n i m u mf u s i o nv a l u ea n dt h e na p p l yi t t oi n d o o rp o i s o n o u sg a s d e t e c t i n gs y s t e mt oi m p r o v et h ea c c u r a c ya n dr o b u s to ft h es y s t e m i nt h ee n d ，t h er e a le x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h e s y s t e mh a sas t e a d yq u a l i t ya n dh i g h a c c u r a c ya sr e q u i r e d t h es y s t e mi so fab r i g h tf u t u r e k e yw o r d s ：t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad a t af u s i o n l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h g a sm o n i t o r i n g s i g n a lc o n d i t i o n i n g 要料技太学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：温卫敏日期：2 , o o 冲j 罗 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：湿卫自叉 指导教师签名： 泡 矽督年 4 月c 酽日 1 绪论 1 1 课题的背景及意义 1 绪论 1 1 1 课题的背景 近年来，随着人们生活水平的提高，居民购房热的兴起，人们对生存环境，尤其对 居住环境要求不断提高，居室装修及家具更新越来越普遍，新型建筑材料和家用化学物 品的普遍应用，然而由于市场上装修装饰材料质量良莠不齐，一些装修装饰材料中的有 害物质含量没有得到有效控制，室内装修装饰后造成的环境污染已经成为影响人们身心 健康甚至生命安全的“隐形杀手 ，由装修造成的环境污染已经成为现在日益突出的公 众问题。 室内装修污染是指房屋建筑在修建、改进其内部顶面、地面墙面、设备等的用料、 造型、色彩的选择、处理以及综合布置设计过程中带来和产生的污染。污染物对人体造 成很大的危害，世界卫生组织资料显示，全世界每年有2 8 0 多万人( 半数以上是1 4 岁 以下的青少年儿童) 直接或间接死于室内装修污染。我国有资料显示，每年由于室内空 气污染引起的超额死亡数可达1 1 1 万人，超额门诊书2 2 万人，超额急诊书为4 3 0 万人 次，其危害性不容忽视。人的一生大部分时间在室内度过，即使室内空气中污染浓度不 高，由于长期作用于人体，依旧会影响健康，况且，有些污染潜伏期很长【l j 【2 j 。 对影响人们健康的有毒有害气体甲醛( h c h o ) 是一种无色，有强烈刺激性气味的 气体，易溶于水、醇和醚。甲醛具有较高毒性，它已经被世界卫生组织确定为致癌和致 畸形物质，是公认的变态反应源，也是潜在的强致突变物之一。目前，室内装修或家具 中使用的材料，诸如胶合板、壁纸、化纤地毯、油漆、涂料等等均不同程度地含有甲醛 或可水解为甲醛的化学物质。这些残留的或分解出来的甲醛会逐渐向周围环境中释放， 最长释放期可达十几年。甲醛对人体的危害很大。 苯及苯系物为无色或浅黄色透明油状液体，具有强烈芳香的气体，易挥发，易燃， 有毒。甲苯、二甲苯属于苯的同系物，都是煤焦油分馏或石油的裂解产物。目前，苯 及苯系物已经被世界卫生组织确定为强烈致癌物质。苯及苯系物作为有机溶剂，如油漆 的添加剂和稀释剂；人造板家具等使用的粘合剂的溶液。苯及苯系物的危害是慢性苯中 毒，主要是苯对皮肤、眼睛和上呼吸道有刺激作用。经常接触苯，皮肤可因脱脂而变干 燥，脱屑，有的出现过敏性湿疹。长期吸入苯能导致再生障碍性贫血。初期时齿龈和鼻 黏膜处有类似坏血病的出血症，并出现神经衰弱症状，表现为头昏、失眠、乏力、记忆 力减退、思维及判断力降低等症状。 西安科技大学硕士学位论文 氨是一种无色而具有强烈刺激性臭味的气体，室内空气中的氨主要来源于混凝土 # t , j n 齐u ，木制板材，室内装修材料，如家具涂饰时所用的添加剂和增白剂等。氨是一种 碱性物质，它对接触的组织都有腐蚀和刺激作用，可以吸收组织中的水分，使组织蛋白质变 性，并使组织脂肪皂化，破坏细胞膜结构，氨的溶解度极高，所以主要对动物或人体的上呼 吸道有刺激和腐蚀作用，减弱人体对疫病的抵抗力，浓度过高时，除腐蚀作用外，还可以通 过三叉神经末梢的反射作用而引起心脏停搏和呼吸停止。由于氨的溶解度极高，所以常被 吸附在皮肤粘膜和眼结膜上，从而产生刺激和炎症。氨通常以气体形式吸入人体，进入肺 泡内的氨，少部分为二氧化碳所中和，余下被吸收至血液，少量的氨可随汗液、尿或呼吸排 出体外。氨被吸入肺后容易通过肺泡进入血液，与血红蛋白结合，破坏运氧能力。短期内 吸入大量氨气后可出现流泪、咽痛、声音嘶哑、咳嗽、痰带血丝、胸f 时、呼吸困难、可 伴有头晕、头痛、恶心、呕吐、乏力等，严重者可发生肺水肿，成人呼吸窘迫综合症，同 时可能发生呼吸道刺激症状【2 j 。 因此，目前，国家越来越重视室内环境的质量，先后出台了很多相关的法律法规， 对室内装修材料、室内气体进行限制，保证空气质量符合居住标准，以确保人们人体健 康，这些法律法规包括建设部、国家标准委的2 0 0 1 年制定民用建筑工程室内环境污 染控制规范( g b 5 0 3 2 5 2 0 0 1 ，2 0 0 2 年1 月1 日起执行) ，国家质量检验检疫总局和 国家标准化管理委员的十种室内装修装饰材料有害物质限量及由国家质量监督检验 检疫局、国家环保总局、卫生部的室内空气质量标准( g b l 8 8 8 3 2 0 0 2 ，2 0 0 3 年3 月1 日起实行) 和2 0 0 4 年7 月，“中国室内环境污染控制系统工程 正式启动，并提 出“普及室内环保知识、控制室内环境污染、促进室内环境进程、提高公众环境水平 这一主题。这些法律法规共同构建了我国较完整的室内环境污染控制和评价体系，限制 了包括物理性、化学性、生物性和放射性污染的各种控制项目。 1 1 2 课题研究的实际意义 室内装修造成的污染作为一种比较敏感的环境污染，已经成为社会所面临的最为严 重的问题之一。鉴于室内装修污染对人们造成的危害，对室内气体监测越来越显得重要， 而随着现代计算机技术和微电子技术的迅猛发展，利用智能仪器仪表监测技术对室内气 体进行浓度监测便是大势所趋了。室内有害气体监测仪器的研制，能有效的检测出室内 空气中的隐形的杀手，有利于我们有目标的清除，确保人们的居住安全，并对提高人们 的生活质量具有重大的现实意义。 本课题正是针对室内装修造成的环境污染问题而设计的一种新型、智能化的有毒气 体监测系统，该系统能够实现以下几个功能： ( 1 ) 针对采集的室内有毒气体能够实时显示气体浓度的功能； ( 2 ) 具有分析室内气体浓度，针对室内有毒气体超标，发出多级报警的功能； 2 1 绪论 ( 3 ) 具有采集的有毒气体能够保存和查询历史数据的功能。 1 2 本课题国内外研究动态和发展现状 1 2 1 气体检测仪器的国内外发展 近年来随着微电子技术的迅猛发展，以及各种新材料、新元件、新工艺及新技术的 引入，集成电路的集成度越来越高，各种专用集成块大量问世，再加上单片机、d s p 技 术广泛应用于各类测试仪器，使得仪器仪表内的电子元器件数量越来减少，功能越来越 强。室内有毒气体检测系统也正朝着这个方向发展，出现了多种类型的空气质量分析仪 器。而传感器和计算机技术的不断进步和完善，自2 0 世纪8 0 年代以来，各种用于有害有 毒气体和其他污染物现场实时监测技术和相应的便携式仪器开始发展起来，经历了从无 到有，不断提高的过程。 目前，国外一些著名品牌仪器的测试范围、分辨率、精确度和稳定性，已经接近或 达到世界卫生组织制定的规范和标准的要求。世界卫生组织和中国、日本以及大多数欧 美国家都先后公布了室内环境污染的限值，并制定了相应的检测标准和方法。目前这些 标准中所推荐的方法绝大多数是现场采样，然后送实验室作相应的化学分析。常用的分 析方法有：比色法，分光光度法( 紫外、红外、可见光、原子吸收等) ，色谱法( 气相、 液相) 。比如色谱法其方法如下，从空气中用活性炭采集苯，然后用二氧化硫提取出来， 用氢火焰离子化检测器的气色谱仪分析。尽管利用这些方法分辨率高、准确、可靠、干 扰小，十分适用于法定仲裁。但其缺点也是显而易见的：周期长、成本高( 包括昂贵的 实验室设备和仪器) 、操作复杂，非现场实时测量。近年来，用于各种污染物现场实时 检测的技术和相应的便携式仪器已经迅速发展。例如，采用电化学传感器的甲醛分析仪 器，已被日本建筑工业部( m i n i s t r yo f c o n s t r u c t i o n ) 接受并推荐可用于室内空气监测的 方法之一。随着这些仪器的不断完善和技术的不断提高，对空气质量的监测和评估，从 传统的耗时、费力和昂贵的实验室化学分析方法中走出来，推广和使用便携式现场直读 的仪器分析法已成为可能。目前，用于空气质量监测的便携式仪器中比较成熟的检测技 术是电化学和光学原理，相应的装置为电化学传感器和光学检测器。产品主要有n p - 8 a 掌上智能型甲醛检测仪，法国奥德姆公司研制的m x 2 1 0 0 型复合气体检测仪，英国的 p p m 4 0 0 甲醛检测仪等p 儿6 | 。 整体上看国内的室内有毒气体监测仪器较之国外产品尚有差距，但近年来国内的研 究、开发、生产还是比较活跃的。但一般都用化学试剂分析方法，如长春吉达小天鹅有 限公司生产的全自动甲醛检测仪，北京市华云仪器研究所研制的便携式甲醛检测仪等， 这些产品虽然准确、精度高、可靠和抗干扰小，但操作太复杂，需要专业人员进行操作。 当前，分析仪器性能及功能发展趋势将主要表现在以下三个方面：第一灵敏度和选 3 西安科技大学硕士学位论文 择性的提高；第二分析仪器向微型化、智能化、网络化、专用化方向发展；第三现场的 ( 原位的) 、实时在线的分析检测仪器将越来越受到重视。 通过对部分国内外现有的研究成果的分析，现有的有毒气体分析检测方法和技术具 有以下一些特点：检测原理、方法多样，检测仪器性能各异，结构形式繁多，在各种不 同的场合有一定的使用价值，但多数的检测仪器设备复杂，成本高，测定方法繁琐，过 分依赖人来获得数据和进行信息处理，检测周期长，不能做到实时在线监测。可以预计， 在研究新型检测原理和方法的同时，研究和开发新型的检测仪，并把计算机技术应用于 气体检测系统，将成为今后气体检测的研究和开发热点，这对于实现仪器的多功能、自 动化和在线性，达到快速检测，减少操作者的重复劳动，提高检测精度，扩大应用范围 将具有十分重要的意义。 1 2 2 数据融合的发展 数据融合开始于2 0 世纪7 0 年代，1 9 8 3 年美国国防高级研究计划局( d a r p a ) 推出 的战略计算机计划中，将多传感器信息融合列为重大研究课题。1 9 8 4 年美国国防部( d o d ) 成立了数据融合专家组( d f s - - d a t af u s i o ns u b a n a l ) ，负责指导、组织并协调有关这一国 防关键技术的系统研究，1 9 8 8 年又将其列入国防部2 2 项关键技术之一。同时其它西方 发达国家和国际组织( 如英、日、德、法及欧共体等) 也积极开展了信息融合技术研究工 作19 8 6 年开始每年i e e e 主办的“机器人与自动化( r o b o t i c sa n da u t o m a t i o n ) 学术会议 上都有专门关于信息融合的专题。各种学术刊物也纷纷开辟专栏和出版专集，交流和探 讨信息融合的有关问题。1 9 8 7 年欧洲共同体开始为期5 年的s k i d s ( s i g n a la n d k n o w l e d g ei n t e g r a t i o nw i t hd e c i s i o n a lc o n t r o lf o rm u l t i s e n s o r ys y s t e m ) 计划，主要目标是 研究多传感器信息融合的通用结构及实时信息融合技术等。 我国在这方面的研究起步较晚，但发展较快，近年来已形成研究热点，国家自然科学 基金和国家8 6 3 计划已将其列入重点支持项目。 目前数据融合的应用领域已经从应用军事上参透到其他各个应用领域。比如气象预 报、图像处理和、监测系统及故障诊断系统等。可以说数据融合技术已经渗透到现代信 息社会的各个角落，它的重要性越来越突出。从整体上分析，近年来，随着人工智能技 术的发展，数据融合技术有朝着智能化、集成化的趋势发展【7 9 1 。 1 3 本课题的目标和内容 1 3 1 本课题的目标 本课题研究的目标是研制出完整的室内装修有毒气体监测系统，系统的硬件由电 源、甲醛传感器、氨气传感器、苯传感器、温度传感器、湿度传感器、传感器的信号调 4 1 绪论 理电路、t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 控制器、液晶显示、键盘、声光报警电路和r s 2 3 2 通讯电路 等部分组成，软件设计结构化，并采用自适应加权数据融合算法，提高了气体的测量精 度，使系统具有低功耗、现场处理分析、测量精度高、操作简单和界面友好的特点。 本人的主要研究工作为： ( 1 ) 传感器外壳的设计和传感器的标定； ( 2 ) 传感器的信号调理电路； ( 3 ) 电源的低功耗设计； ( 4 ) 以系统控制器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心的软硬件设计； ( 5 ) 上位机软件设计： ( 6 ) 系统的整体结构设计，包括仪器的外壳和面板。 1 3 2 本文的主要内容 根据系统的结构模型，本文的主要工作分为以下几个章节来完成： ( 1 ) 第一章主要是在查阅大量参考文献的基础上，概述了本课题的选题背景、国 内外研究动态和发展趋势以及本课题的研究意义； ( 2 ) 第二章主要论述了电化学传感器的工作原理以及半导体气体传感器的工作原 理系统的工作原理和系统的总体设计； ( 3 ) 第三章主要是对系统的硬件电路的设计方法及过程进行了详细的论述，并给 出了相关功能电路原理图，通过p r o t e l 9 9 s e 完成了硬件的设计和制作； ( 4 ) 第四章主要是阐述了自适应加权数据融合算法在室内有毒气体监测系统中的 应用； ( 5 ) 第五章主要是论述了系统的软件设计，结合算法和硬件设计，确定了软件设 计的整体框架，对关键程序设计进行了分析，并给出了详细的设计流程图； ( 6 ) 第六章主要是系统的整体测试与分析，从系统的软硬件调试和整个系统的联 调，从采样精度和实际测量数据，验证了本文设计的系统达到了预期的设计目标； ( 7 ) 第七章主要是对全文进行了总结，并指出了论文的不足之处及下一步的研究 方向。 5 西安科技大学硕士学位论文 2 室内有毒气体监测系统总体设计 室内有毒气体监测系统是用于检测由装修造成的甲醛、氨气及苯等有毒气体监测仪 器。本章在介绍气体传感器选型及工作原理的基础上提出了系统的总体设计。 2 1 气体传感器的工作原理 2 1 1 气体传感器概述 检测气体的关键部分是气体传感器，气体传感器即气体敏感元件就是能感知环境中 某种气体及其浓度的一种装置或器件，它能将与气体种类和浓度有关的信息转换为电信 号，从而可以进行检测、监控、分析和报警，通常安装在探测头内。探测头通过气体传 感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理、样品抽吸， 甚至对样品进行化学处理，以便化学传感器进行更快速的测量。气体的采样方法直接影 响传感器的响应时间。目前，气体的采样方式主要是通过简单扩散法，或是将气体吸入 检测器【5 j 。气体传感器的主要特性有： ( 1 ) 稳定性 稳定性是指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性，取决于零点漂移和区间漂 移。零点漂移是指在没有目标气体时，整个工作时间内传感器输出响应的变化。区间漂 移是指传感器连续置于目标气体中的输出响应变化，表现为传感器输出信号在工作时间 内的降低。理想情况下，一个传感器在连续工作条件下，每年零点漂移小于1 0 。 ( 2 ) 灵敏度 灵敏度是指传感器输出变化量与被测输入变化量之比，主要依赖于传感器结构所使 用的技术。大多数气体传感器的设计原理都采用生物化学、电化学、物理和光学。首先 要考虑的是选择一种敏感技术，它对目标气体的域值限( t l v t h r e s h o l dl i m i tv a l u e ) 或最 低爆炸限( l e l 1 0 w e re x p l o s i v el i m i t ) 的百分比的检测要有足够的灵敏性。 ( 3 ) 选择性 选择性也被称为交叉灵敏度。可以通过测量由某一种浓度的干扰气体所产生的传感 器响应来确定。这个响应等价于一定浓度的目标气体所产生的传感器响应。这种特性在 追踪多种气体的应用中是非常重要的，因为交叉灵敏度会降低测量的重复性和可靠性， 理想传感器应具有高灵敏度和高选择性。 ( 4 ) 抗腐蚀性 抗腐蚀性是指传感器暴露于高体积分数目标气体中的能力。在气体大量泄漏时，探 头应能够承受期望气体体积分数1 0 - - 2 0 倍。在返回正常工作条件下，传感器漂移和零 6 2 室内有毒气体监测系统总体设计 点校正值应尽可能小。 从经济方面考虑，传感器还应具备以下条件： ( 1 ) 低成本； ( 2 ) 长寿命； ( 3 ) 易于标定和维护； ( 4 ) 所产生的电子信号不需要由复杂的电子电路来处理； ( 5 ) 无需要复杂的外围设备。 气体传感器最基本特征即灵敏度、选择性及稳定性等主要通过材料的选择来确定。 2 1 2 电化学传感器的工作原理及结构 电化学气体传感器就是利用电解池原理，将空气中某种化学气体通过氧化或还原反 应将浓度转换为电信号，通过检测电信号的大小得到相应气体的浓度。电化学式气体传 感器是一种化学传感器，按其工作原理一般分为以下几种类型【4 3 】： ( 1 ) 原电池型气体传感器( 也称：加伏尼电池型气体传感器，也有称燃料电池型 气体传感器，也有称自发电池型气体传感器) ，他们的原理形同我们用的干电池，只是， 电池的碳锰电极被气体电极替代了。以氧气传感器为例，氧在阴极被还原，电子通过电 流表流n i j e t 极，在那里铅金属被氧化，电流的大小与氧气的浓度直接相关。这种传感器 可以有效地检测氧气、二氧化硫、氯气等。 ( 2 ) 恒定电位电解池型气体传感器，这种传感器用于检测还原性气体非常有效， 它的原理与原电池型传感器不一样，它的电化学反应是在电流强制下发生的，是一种真 正的库仑分析的传感器。这种传感器已经成功地用于：一氧化碳、硫化氢、氢气、氨气 等气体的检测之中，是目前有毒有害气体检测的主流传感器。 ( 3 ) 浓差电池型气体传感器，具有电化学活性的气体在电化学电池的两侧，会自 发形成浓差电动势，电动势的大小与气体的浓度有关，这种传感器的成功实例就是汽车 用氧气传感器、固体电解质型二氧化碳传感器。 ( 4 ) 极限电流型气体传感器，有一种测量氧气浓度的传感器利用电化池中的极限 电流与载流子浓度相关的原理制备氧( 气) 浓度传感器，用于汽车的氧气检测，和钢水 中氧浓度检测。 根据以上对电化学传感器的介绍，本课题选用的是瑞士公司生产的恒电位电解池型 甲醛传感器和氨气传感器。首先介绍一下甲醛传感器的结构、工作原理和本课题选用的 甲醛传感器的技术指标。 ( 1 ) 甲醛传感器 结构 定电位电化学甲醛传感器是由三电极构成，它的结构如图2 1 所示 7 西安科技大学硕士学位论文 电解池 透气膜电解液 图2 1 恒电位电解式传感器结构图 将两个反应电极一工作电极和对电极以及一个参比电极放置在特定电解液中( 如上 图2 1 所示) ，然后在反应电极之间加上足够的电压，使透过涂有重金属催化剂薄膜的 待测气体进行氧化还原反应，再通过仪器中的电路系统测量气体电解时产生的电流，然 后由其中的微处理器计算出气体的浓度。 工作电极、对电极和参比电极统称为气体扩散电极，是由疏水性强的透气膜和导电 性好的催化膜组成。透气膜是进气的通道，但它要防止电解池内的电解液外泄，还要防 止电解池外的水汽渗入，因此它是一层多孔的疏水性强的塑料薄膜。催化膜是由催化剂 和对气体吸附性能好的导电微粒组成。它的作用是使被测气体易与电解液接触，在催化 剂作用下迅速产生电化学反应，并收集反应电荷。它需要有较好的催化活性和导电性能。 电解液是三个电极间的导体，是构成电池的重要成分。它可以是酸性溶液，又可以是碱 性溶液，但必须与气体扩散电极形成较好的电极电位，易产生电化学反应，不出现干扰 气体。 工作原理 由传感器的结构可见，工作电极与对电极组成一电极对，当这对电极浸入电解液中， 两电极问加上电压时会产生极化。若工作电极为正，对电极为负，则电解液中的负离子 移向工作电极，而正离子移向对电极，此时被测气体扩散到工作电极上，在催化剂作用 下会产生电化学反应释放出电荷。在c h ，o 传感器中，电解池中为酸性电解液，催化剂 为铂、钌、镍等会属微粒，当c h ，o 气体扩散到工作电极处，在催化剂作用下产生了氧 化还原反应： 工作电极( 阳极) ：h c h o + h ，o c o ，+ 4 h + + 4 e ( 2 1 ) 对电极：o ，+ 4 h + + 4 e 一2 h ，o ( 2 2 ) 总反应：h c h o + o ，专c o ，+ h ，o ( 2 3 ) 囝 2 室内有毒气体监测系统总体设计 此时工作电极上的c h ，o 发生氧化放出电子，对电极则发生还原反应获取电子，工作 电极与对电极的电位发生变化，产生电流，电流大小与电极电位和气体浓度等因素有关。 当电极电位一定时，反应电流与气体浓度和扩散系数成正比，与扩散电极厚度成反比。 传感器的电极采用铂、金、钯等金属，电极材料不同，气体的反应性能也不同，因此， 具有较高选择性。一般采用酸性电解质溶液。电解电流与气体浓度之间的关系可用下式 表示： f a d c n 婷1 _ ( 2 4 ) 式中：i 一反应电流；n 一反应中1 摩尔气体释放的电子数；f _ 一法拉第常数；a 一反应 界面面积；毗体扩散系数；c 一气体浓度；江气体扩散电极厚度。下图2 2 是气体 传感器工作电极电位和响应电流曲线图。 图2 2 气体传感器t 作电极电位和响应电流曲线图 甲醛传感器的技术指标 测量范围：0 1 0 p p m 最大负荷：5 0 p p m 内置过滤器：过虑酸性气体 工作寿命：三年 输出信号：8 0 0 - a ：2 0 0 n a p p m ( 空气中测量) 分辨率：0 0 5 p p m 温度范围：2 0 - 一4 5 9 西安科技大学硕士学位论文 压力范围：大气压 压力系数：无 t 9 0 响应时间： 5 0 秒 相对湿度范围：1 5 - 9 0 r h ，无冷凝 典型曲线范围( 洁净空气) ：一2 - - - 0 p p m 最大零点漂移：l p p m ( 2 0 。c 到4 0 。c ) 长时问输出漂移：信号丢失每月q 推荐负载：1 0 q 偏置电压：无需 重复性lq 线性度输出：线性 为了使甲醛传感器处于准备状态，出场后传感器的工作电极与参比电极之间有个短 路连接( 用一直导线直接连接连端) 。传感器在储藏过程中必须保持此短连接，只有准 备使用的时候才能去除此短连接，在仪器不供电时，如果工作电极和参比电极不再短连 接，一旦再次使用，传感器就需要很长的一段“启动时间 。 ( 2 ) 氨气传感器 氨气传感器本课题采用的和甲醛传感器一样，也是电化学式传感器，其工作原理 和结构和甲醛传感器一样，不再作介绍。氨气传感器的技术指标如下： 测量范围：0 1 0 0 p p m 最大负荷：2 0 0p p m 内置过滤器：过虑酸性气体 工作寿命：两年 输出信号：9 0 - j ：1 8 n a p p m 分辨率：l p p m 温度范围：1 0 - - 4 0 压力范围：大气压 压力系数：无 t 9 0 响应时间： 6 0 秒 相对湿度范围：1 5 - - 9 0 r h ，无冷凝 典型曲线范围( 洁净空气) ：0 - - 4 p p m 最大零点漂移：- 8 p p m ( 2 0 。c04 0 。c ) 长时间输出漂移：信号丢失每6 个月 5 推荐负载：1 0 q 偏置电压：无需 1 0 2 室内有毒气体监测系统总体设计 重复性： 3 线性度输出：线性 2 1 3 半导体气体传感器的工作原理及结构 ( 1 ) 工作原理【1 1 】【1 q 本课题使用的苯传感器，是郑州炜盛公司的m q l 3 5 传感器，这种传感器主要使用 半导体气敏材料，利用与其气体接触时使半导体的导电率等物理性质发生变化来检测待 测气体的成分和浓度。这种传感器具有灵敏度高、响应时间和恢复时间快、使用寿命长 等优点。 当半导体器件被加热到稳定状态时，气体接触半导体表面而被吸附，吸附的分子首 先在表面自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分 解而固定在吸附处。当半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力时，则吸附分子将从 器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。具有负离子吸附倾向的气体， 如o ，、n o 。等被称为氧化型气体或电子接收型气体。如果半导体的功函数大于吸附分 子的离解能，则吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾 向的气体有h ，、c o 、碳氢化合物、醇类等，被称为还原型气体或电子供给型气体。 半导体气敏元件主要有n 型和p 型之分。n 型材料有s n o ，、z n o 、t i o 等，p 型材 料有m o o ，、c r o 等。当氧化型气体吸附到n 型半导体上，还原型气体吸附到p 型半 导体上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大；相反，当还原型气体吸附到n 型 半导体上，氧化型气体吸附到p 型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。 m q l 3 5 气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中，电导率较低的二氧化锡 ( s n o ，) ，当传感器所处环境中存在苯类等污染气体时，传感器的电导率随空气污染浓 度的增大而增大，使用简单的电路即可将电导率的变化转换为该气体浓度相对应的输出 信号。它的主要参数特性参数如下： 传感器电阻r 。和r 。，固有电阻r 。表示气体传感器在正常空气条件下( 获洁净空气 条件下) 的阻值，又称为正常电阻。工作电阻r 。代表气体传感器在一定浓度下的检测 气体中的阻值。 灵敏度，就物理意义而言，气体传感器的灵敏度是指传感器对被检测气体的敏感程 度，通常用气体传感器在一定浓度的检测气体中的电阻与正常空气中的阻值比来表示灵 敏度为： k = r g r 。 ( 2 5 ) 由于正常空气条件下往往不易获得，所以常用两种不同浓度中的元件电阻值之比来 表示灵敏度。m q l 3 5 气体传感器对苯系列气体具有较高的灵敏度，是一种低成本的传 感器，下面如图2 3 所示是该传感器典型的灵敏度特性曲线，图中纵坐标是传感器的电 西安科技大学硕士学位论文 阻比( r s r o ) ，横坐标是气体浓度。 l o o 图2 3 灵敏度特性曲线图 响应时间t 。，响应时间也是传感器的一个重要参数，它代表气体传感器对被测气体 的响应速度，从原则上讲，响应速度越快越好，但实际上总要经过一定时间才能达到稳 定值，原则上从把传感器接触到一定浓度的被测气体开始到其阻值达到该浓度下稳定阻 值的时间就是响应时间。 加热电阻r h 和加热功率p h 为气体传感器提供工作温度的加热电阻成为加热电阻，用r h 表示，气体传感器正 常工作时所需要的功率成为加热功率，用p h ； 洁净空气中的电压u 。，在洁净空气中，将气体传感器负载电阻r 。上的电压值定义 为洁净空气中的电压u 。，u 。与气体传感器的固有电阻r 。的关系为： u 望垦垦 (26)o= r o + r l 其中u ，为测试回路电压。 m q l 3 5 气体传感器若输入电压为v c ，