催化氣體傳感器低功耗檢測(cè)設(shè)計(jì)

錢麗勛 鄒志輝 李豐

（中國(guó)電子科技集團(tuán)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(cè)領(lǐng)域具有重大意義，特別是在瓦斯檢測(cè)方面。瓦斯是導(dǎo)致我國(guó)煤礦事故頻頻發(fā)生的主要原因，煤礦瓦斯的監(jiān)測(cè)是避免事故發(fā)生的必要途徑[1-2]。目前，煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)仍以催化燃燒式瓦斯傳感器為主，約占90%市場(chǎng)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(guó)際采礦安全會(huì)議上，英國(guó)學(xué)者S.J.Gentyr 首次提出了恒溫檢測(cè)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(cè)法輸出線性度差并且硬件電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，限制了其在煤礦中的應(yīng)用[6-7]。結(jié)合恒溫檢測(cè)法的特點(diǎn)，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的童敏明教授提出定壓檢測(cè)法[8]，它不僅具有傳統(tǒng)電橋法使用簡(jiǎn)單、受環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，又如恒溫檢測(cè)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(diǎn)的功耗占比最高。如何保證瓦斯傳感器性能的同時(shí)并降低傳感器的功耗成為目前瓦斯傳感器的研究重點(diǎn)。

1 低功耗檢測(cè)方法原理

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

圖1：恒壓檢測(cè)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(shí)，可認(rèn)為電流不變，即I ≈E/2r1，故式（1）可簡(jiǎn)化為：

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

圖2：高低溫檢測(cè)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(shí)的輸出電壓值，U1為敏感元件通以高電流時(shí)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(cè)時(shí)，由于采樣時(shí)間較短，環(huán)境溫度及濕度都是慣性量，不可能在短時(shí)間內(nèi)突變，在一個(gè)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(duì)比式（2）和（5），顯然，高低溫檢測(cè)法的靈敏度大約是恒壓檢測(cè)法的兩倍，而且只采用一個(gè)催化元件，功耗不到恒壓檢測(cè)法的一半。

2 檢測(cè)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證高低溫檢測(cè)法的特點(diǎn)，搭建了圖3所示檢測(cè)系統(tǒng)。采用現(xiàn)有瓦斯傳感器用于檢測(cè)瓦斯?jié)舛龋搨鞲衅黜憫?yīng)時(shí)間僅為8s，額定工作電流為110mA，單個(gè)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(cè)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(lì)，激勵(lì)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(hào)，并發(fā)送至監(jiān)測(cè)終端，經(jīng)軟件補(bǔ)償校正后顯示輸出。

圖4：瓦斯傳感器激勵(lì)電流曲線

實(shí)驗(yàn)裝置需要密閉氣室、標(biāo)準(zhǔn)氣樣、流量計(jì)、采集系統(tǒng)等。本設(shè)計(jì)搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示，氣源采用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣瓶提供，一個(gè)為4%甲烷氣瓶，另一個(gè)為潔凈空氣。通過流量計(jì)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(shí)驗(yàn)要求。

圖5：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

3 結(jié)果分析與補(bǔ)償校正

3.1 測(cè)試結(jié)果

3.1.1 靈敏度

分別采用兩種供電方式對(duì)瓦斯傳感器供電，并在室溫下測(cè)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(cè)法的檢測(cè)靈敏度更大，約為恒壓檢測(cè)的兩倍，與檢測(cè)原理相符。通過線性擬合，得出傳感器在高低溫檢測(cè)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(cè)法配對(duì)了補(bǔ)償元件（未涂催化劑），其功耗約為290mW。而該檢測(cè)法僅使用單只傳感器，且采用高低電流激勵(lì)，其平均功耗可表示為：

顯然，該檢測(cè)法具有更低的功耗，且無需產(chǎn)品配對(duì)，大大提高了成品率，對(duì)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(zhǎng)期穩(wěn)定性

為了研究高低溫檢測(cè)法對(duì)瓦斯傳感器的靈敏度漂移和零點(diǎn)漂移情況，采用對(duì)照實(shí)驗(yàn)的方法，將傳感器放在1%CH4中長(zhǎng)時(shí)間工作，每隔5 天放入標(biāo)準(zhǔn)氣樣中測(cè)試零點(diǎn)和靈敏度。

測(cè)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(diǎn)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(diǎn)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(guó)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(duì)漂移量更小，使用壽命更長(zhǎng)。

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(zhǎng)10℃，并保持10min，每個(gè)溫度點(diǎn)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(bǔ)償

顯然，環(huán)境溫度會(huì)給傳感器帶來測(cè)量誤差，為提高傳感器的檢測(cè)精度，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。本設(shè)計(jì)采用PSO 算法優(yōu)化BP 網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，補(bǔ)償結(jié)果如圖9所示。顯然，PSO-BP 的補(bǔ)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(cè)絕對(duì)誤差顯著降低，相比較傳統(tǒng)BP 網(wǎng)絡(luò)，最大絕對(duì)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(bǔ)償后瓦斯傳感器完全符合其精度要求，大大降低了溫度對(duì)瓦斯傳感器輸出的影響，提高了傳感器的檢測(cè)精度，對(duì)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(bǔ)償效果

圖9：不同補(bǔ)償方法結(jié)果曲線

4 結(jié)論

針對(duì)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(cè)方法。通過搭建檢測(cè)系統(tǒng)，確定了該方法的檢測(cè)靈敏度為24.3mV/1%CH4，約為恒壓檢測(cè)法兩倍，功耗僅為112mW，約為恒壓檢測(cè)法一半。與傳統(tǒng)恒壓檢測(cè)法對(duì)比，本設(shè)計(jì)提出的低功耗檢測(cè)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(bǔ)償可提高傳感器的檢測(cè)精度，對(duì)于煤礦井下應(yīng)用具有巨大的發(fā)展前景。