【正文】 傳感器溫度調制及信號處理技術 ……… 溫度調制模式 …………………………………… 信號處理方法 …………………………………… … 存在的問題 ………………………………………… 本章小結 ……………………………………………… 第 3章 一氧化碳報警器的設計 ………………………… 器件的結構原理 ………………………………………… 器件的工作模式 ……………………………………… 一氧化碳報警器的設計 ………………………………… 5 電路原理 ………………………… ……………………… 控制過程 ………………………………………………… 對于溫度變化的特性處理 (假設 CO 的濃度為 60ppm) CO 線性濃度分析 ……………………………………… 調試和結果 ……………………………………………… 本章小結 ………………………………………………… 結論 …………………………………………………………… 致謝 …………………………………………………………… 參考文獻 ……………………………………………………… 附錄 ……………………………………… …………………… 6 第 1 章 緒論 課題背景 隨著工業(yè)的發(fā)展和汽車尾氣的大量排放，空氣遭到了嚴重的污染，因此對大氣中有毒氣體的監(jiān)測也成為人們關心的一個主要問題，而大氣中一氧化碳氣體對人體的毒害是致命的，因此，迫切需要開發(fā)一種儀器來檢測家庭和工農業(yè)生產過程中的一氧化碳氣體。 研究的目的和意義 空氣中的一氧化碳為無色、無味氣體，相對分子量為 ，對空氣相對密度為 。在標準狀況下， 1L氣體質量為 ， 100ml水中可溶解 (20C)，燃燒時為淡藍色火焰。 一氧化碳是有害氣體，對人體有強烈的毒害作用。一氧化碳中毒時，使紅血球的血紅蛋白不能與氧結合，妨礙了機體各組織的輸氧功能，造成缺氧癥。當一氧化碳濃度為 ，無自覺癥狀，、疲倦、惡性、頭暈等感覺， 700mg/m3 時發(fā)生心悸亢進，并伴隨有虛脫危險， 1250 mg/m3 時出現(xiàn)昏睡，痙攣而死亡。有時根據(jù)碳氧血紅蛋白（ COHb）來評價室內一氧化碳低暴露水平對人體的影響， 311 歲兒童 COHb 平均飽和度為 %； 1274 7 歲不吸煙人群為 %。但成年不吸煙人群中 4%的人 COHb超過 25%。室內污染所致 COHb 飽和度只有超過 2%，才會影響心肺病人的活動能力，加重心血管的缺血癥狀。 CO 是燃料不完全燃燒產生的污染物，若沒有室內燃燒污染源，室內 CO濃度與室外是相同的。室內使用燃氣灶或小型煤油加熱器，其釋放 CO量是 NO2 的 10倍。廚房使用燃氣灶 1030min， CO 水平在 。由于一氧化碳在空氣中很穩(wěn)定，如果室內通風較差， CO 就會長時間滯留在室內。因此，很容易致人中毒。 同時，在 工農業(yè)生產中，尤其在煤炭生產基地，如果一氧化碳濃度過高，很容易引起火災和爆炸，引起嚴重的事故和后果，造成重大經濟損失和人員傷亡。因而作好煤炭自燃火災的預測預報和防滅火工作顯得尤為重要。因此，人們發(fā)現(xiàn)了測溫法來進行溫度可燃氣體的監(jiān)測。測溫法是發(fā)現(xiàn)煤炭自熱和探尋高溫點及火源的最直接、最可靠的方法，但煤體內部溫度的測溫技術尚未完全解決，目前僅作為掌握自燃動態(tài)、確定自燃區(qū)位置的一種有效的補充手段 [1]。測定礦內空氣成分變化，是早期預報自燃火災應用最廣而且比較可靠的方法。煤類火災的主要指標是 CO 和 H2和碳氫化合物，如 乙烯 C2H丙烯 C3H乙炔 C2H2等。它們是按一氧化碳 氫 乙烯 丙烯 乙炔的順序生成、釋放并隨溫度而增加的。當溫度異常時，首先出現(xiàn)CO，隨溫度增高，出現(xiàn) HZ，然后是 CZH4 緊接著是 C3H6，最后出現(xiàn)C2H2和其他氣體 [2]。由于一氧化碳生成溫度低，生成量大，其生成量隨溫度升高按指數(shù)規(guī)律增加。所以，煤礦井下廣泛以一氧化碳氣體作為預報煤炭自燃的指標氣體。它的變化一直在煤礦安全生產活動中 8 受到高度重視，特別是煤層有自然發(fā)火傾向的礦井更是如此。在煤礦井下， CO 的來源一般是由于煤自熱或自燃產生的。所以當 井下出現(xiàn)CO 氣體或 CO氣體濃度穩(wěn)定地增長時，就認為煤炭在自然發(fā)火或有自然發(fā)火的危險。然而，有些礦井，煤層中本身就含有 CO，在煤層開采過程中，就逸出到采掘空間的風流中來，如果對其逸出量及規(guī)律不能掌握，就會造成煤炭自燃火災的誤報，對預報和防治煤炭自然發(fā)火造成不利影響 [3]。大水頭煤礦是煤層具有自然發(fā)火傾向性的礦井，經過對大水頭煤礦幾十次煤炭自然發(fā)火災害有關參數(shù)的反復觀察分析認為，同樣是煤炭自燃造成的火災，但每次其自然發(fā)火期的長短、氧化速度、各種災害氣體的濃度等都隨時間、地點的不同有所差異，這其中的原因除一些外在 的因素和煤層所處的自然環(huán)境因素外，還有一個不被人們所掌握的內在因素 煤層原生的 CO 成份在起著潛移默化、推波助瀾的作用。雖然確定的煤層自然發(fā)火期是 36 個月，但實際生產中常常出現(xiàn)一些預料之外的事例：掘進工作面后巷幾十米處高頂就有 CO 氣體出現(xiàn)；炮采工作面剛開采，短期內上隅角就檢測出 CO氣體 :綜放面每月推進 60m 左右，其支架頂部煤體中仍能查出高濃度(最高達 %)的 CO氣體成份。通過分析表明煤電鉆打的孔內實測CO 濃度高達 %，而且一氧化碳檢測管變色環(huán)呈血紅色，比火區(qū)測定的還要高。因此要必要開發(fā) CO 報警器 來對 CO進行監(jiān)測，指導安全生產。 一氧化碳報警器的發(fā)展狀況 9 1964 年，由 Wickens 和 Hatman 利用氣體在電極上的氧化還原反應研制出了第一個氣敏傳感器， 1982 年英國 Warwick 大學的Persaud 等提出了利用氣敏傳感器模擬動物嗅覺系統(tǒng)的結構 [4]，自此后氣體傳感器飛速發(fā)展，應用于各種場合，比如氣體泄漏檢測，環(huán)境檢測等?，F(xiàn)在各國研究主要針對的是有毒性氣體和可燃燒性氣體，研究的主要方向是如何提高傳感器的敏感度和工作性能、惡劣環(huán)境中的工作時間以及降低成本和智能化等。 下面簡單介 紹各種常用的一氧化碳報警器的工作原理最新的研究進展。一氧化碳報警器主要包括兩部分，一部分是監(jiān)測系統(tǒng)，由各種傳感器組成，另一部分是報警系統(tǒng)，根據(jù)檢測系統(tǒng)的指標作出報警判斷。首先簡單介紹下一氧化碳傳感器的發(fā)展狀況。氣體傳感器主要有半導體傳感器（電阻型和非電阻型）、絕緣體傳感器（接觸燃燒式和電容式）、電化學式（恒電位電解式、伽伐尼電池式），還有紅外吸收型、石英振蕩型、光纖型、熱傳導型、聲表面波型、氣體色譜法等 [5]。 電阻式半導體氣敏元件是根據(jù)半導體接觸到氣體時其阻值的改變來檢測氣體的濃度；非電阻式半導體氣敏元 件則是根據(jù)氣體的吸附和反應使其某些特性發(fā)生變化對氣體進行直接或間接的檢測。 接觸燃燒式氣體傳感器是基于強催化劑使氣體在其表面燃燒時產生熱量，使傳感器溫度上升，這種溫度變化可使貴金屬電極電導隨之變化的原理而設計的。另外與半導體傳感器不同的是，它幾乎不受周圍環(huán)境濕度的影響。電容式氣體傳感器則是根據(jù)敏感材料吸附氣體后其介電常數(shù)發(fā)生改變導致電容變化的原理而設計。 電化學式氣體傳感器，主要利用兩個電極之間的化學 10 電位差，一個在氣體中測量氣體濃度，另一個是固定的參比電極。電化學式傳感器采用恒電位電解方式和伽伐尼電池方 式工作。有液體電解質和固體電解質，而液體電解質又分為電位型和電流型。電位型是利用電極電勢和氣體濃度之間的關系進行測量；電流型采用極限電流原理，利用氣體通過薄層透氣膜或毛細孔擴散作為限流措施，獲得穩(wěn)定的傳質條件，產生正比于氣體濃度或分壓的極限擴散電流。 紅外吸收型傳感器，當紅外光通過待測氣體時， 這些氣體分子對特定波長的紅外光有吸收， 其吸收關系服從朗伯 比爾 (LambertBeer)吸收定律，通過光強的變化測出氣體的濃度。 聲表面波傳感器的關鍵是SAW(surface acoustic wave)振蕩 器，它由壓電材料基片和沉積在基片上不同功能的叉指換能器所組成，由延遲型和振子型兩種振蕩器。 SAW 傳感器自身固有一個振蕩頻率，當外界待測量變化時，會引起振蕩頻率的變化，從而測出氣體濃度。 對 CO 氣體檢測的適用方法有比色法、半導體法、紅外吸收探測法、電化學氣體傳感器檢測法等。 比色法是根據(jù) CO氣體是還原性氣體，能使氧化物發(fā)生反應，因而使化合物顏色改變，通過顏色變化來測定氣體的濃度，這種傳感器的主要優(yōu)點是沒有電功耗。 半導體 CO 傳感器，通過溶膠 — 凝膠法獲得 SnO2基材料，在基材料中摻雜金屬催化劑來測定氣體 [6]?，F(xiàn)國外有研究對 SnO2 基材料中摻雜 Pt、 Pd、 Au 等，并發(fā)現(xiàn)當傳感器工作在 220 C時，在 SnO2中摻雜 2%的 Pt 時，傳感器對 CO 具有最大的敏感度。由于氣體傳感器的交叉感應，使得 CO 傳感器對很多氣體如 H CO H2O等都有感應，但是采用上面的方法使得對其他氣體 11 的敏感度下降很多 [7]。 CO電化學氣體傳感器敏感電極如常用的金屬材料電化學電極有 Pt、 Au、 W、 Ag、 Ir、 Cu等過渡金屬元素，這類元素具有空余的 d、 f電子軌道和多余的 d、 f 電子，可在氧化還原的過程中提供電子空位或電子，也可以形成絡合物， 具有較強的催化能力 [8]。又研制了一種新型的 CO電化學式氣體傳感器，即把多壁碳納米管自組裝到鉑微電極上，制備多壁碳納米管粉末微電極，以其為工作電極， Ag/AgCl為參比電極， Pt絲為對比電極，多孔聚四氟乙烯膜作為透氣膜制成傳感器，對 CO具有顯著的電化學催化效應，其響應時間短，重復性好 [9]。 利用 CO氣體近紅外吸收機理，研究了一種光譜吸收型光纖 CO 氣體傳感器，該儀器檢測靈敏度可達到10 6[10]。另一種光學型傳感器是用溶膠 — 凝膠鹽酸催化法和超聲制得 SiO2 薄膜，將薄膜浸入氯化鈀、氯化銅混合溶 液，勻速提拉，干燥后制得敏感膜，利用鈀鹽與 CO反應，生成鈀單質，引起吸光度變化 [11]。 采用超頻率音響增強電鍍鐵酸鹽方法獲得磁敏感膜，磁飽和度和矯頑磁力決定對氣體的響應敏感度。當溫度加熱到85C 時，得到最大響應，檢測范圍 333ppm～ 5000ppm[12]。 第 2 章 一氧化碳傳感器 12 信號處理技術 一氧化碳報警器主要由氣體傳感器和報警電路組成，而其性能的好壞又取決于氣體傳感器，因此，氣體傳感器所采用技術是整個系統(tǒng)的關鍵，下面我們重點分析在一氧化碳傳感器中 所采用的信號處理技術。 氣體傳感器陣列信號處理技術 與哺乳動物的嗅覺系統(tǒng)類似，氣體傳感器陣列是一氧化碳傳感系統(tǒng)的“氣味感受細胞”，感受到氣味時就將信號通過接口電路及一些預處理電路 (生物嗅覺中對應的部位為“嗅球” )然后傳到信息處理中心 (大腦 )，通過“大腦”內的嗅覺信號處理，完成對氣味的識別和簡單量化，并發(fā)送相應的控制信號。該系統(tǒng)稱為電子鼻系統(tǒng)。其信息處理中心通常由電腦或微處理器實現(xiàn)，其中的“嗅覺”信號處理技術對于電子鼻的性能起著關鍵作用。 對這一技術的研究，從氣體傳感器陣列和電子鼻的概 念提出后，就一直都沒有間斷過。一個成功的氣體 (氣味 )識別和量化系統(tǒng)通常要涉及到多種多維信號的處理方法，包括信號預處理、特征提取、特征選擇、分類、回歸、聚類以及驗證等[13]，基于統(tǒng)計的模式識別方法、神經網絡等多種信號處理方法己在電子鼻領域里得到了應用并取得了一些成果。 信號預處理 13 信號預處理的主要目的有濾波、基線處理、漂移補償、信息壓縮以及歸一化等。圖 21為金屬氧化物半導體氣體傳感器的一般測量電路，其中 RL 為串聯(lián)負載電阻， Rs 為氣體傳感器的電阻， Vcc為測量電壓， V 為 實 際 傳 感 器 測 量 電 壓 。 圖 21 微熱板式氣體傳感器的單臂電橋測量電路 傳感器的描述信號可用電壓信號 (V)、電阻信號 (R)和電導信號 (G)等物理量表示，三個物理量互相關聯(lián)，電阻和電導互為倒數(shù)，其中電壓信號受串聯(lián)電阻的影響，在量程大且需更改串聯(lián)電阻的情況下不宜使用?；€的概念為傳感器在空氣中的信號，處理方法主要有三種 :差值法，比例法和分數(shù)比值法。以電導物理量為例，定義其在空氣中的基線值為Gair，在被測氣體中的值為 Ggas ,那么對應的三種處理方法見表 21。常用的處理方法為 分數(shù)比值法，因此 Sg又被稱為電導靈敏度，成為衡量傳感器氣敏性能的一個重要參數(shù)。上述基線的處理方法僅是對氣體傳感器信號的簡單處理，基線漂移的抑制是氣體傳感器領域中的一個重要研究問題。作為一種化學傳感器，受空氣中多種因素的影響，基線漂移緩慢、隨機，迄今還沒有形成一種統(tǒng)一的理論來描述。小波變換技術在基線漂移抑制方面取得了較好的效果 [14]。 14 表 21 基線處理方法 處理方法 說明 差值法 G=GgasGair 去除疊加性噪聲和漂移 比例法 rg=