【正文】 ，其余各比較器的狀態(tài)都為，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態(tài)的關(guān)系。 A/D 轉(zhuǎn)換電路 A/D 轉(zhuǎn)換器的類型很多，根據(jù)轉(zhuǎn)換方法的不同，最常用的 A/D 轉(zhuǎn)換器有如下幾種類型。 為了提高熱流傳感器的靈敏度，需要加大傳感器的輸出信號(hào)，因此就需要將眾多的熱電偶串聯(lián)起來形成熱電堆，這樣測(cè)量的熱阻層兩邊的溫度信號(hào)是串連的所有 熱電偶信號(hào)的逐個(gè)疊加，信號(hào)大能反映多個(gè)信號(hào)的平均特性。μv)； E 為測(cè)頭溫差熱電勢(shì)； 分辨率 Kr 是熱阻式熱流計(jì)的重要性能參數(shù)，其數(shù)值的大小反映了熱流傳感器的靈敏度。當(dāng)用一對(duì)熱電偶測(cè)量溫差 ΔT 時(shí)，這個(gè)溫差是與熱流密度成正比的，溫差的數(shù)圖 3 5 MQ5型氣敏傳感器 16 值也與熱電偶產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的大小成正比例，因此測(cè)出溫差熱電勢(shì)就可以反映熱流密度的大?。?q = Kr這類傳感器的原理是：當(dāng)有熱流通過熱流傳感器時(shí)，在傳感器的熱阻層上產(chǎn)生了溫度梯度，根據(jù)付立葉定律就可以得到通過傳感器的熱流密度，設(shè)熱流矢量方向是與等溫面垂直： q = dQ / ds = λdT / dX (37) 式中： q 為熱流密度； dQ 為通過等溫面上微小面積， dS 流過的熱量； dT / dX 為垂直與等溫面方向的溫度梯度 ； λ 為材料的導(dǎo)熱系數(shù)；如果溫度為 T 和 T + ΔT 的兩個(gè)等溫面平行時(shí)： q = λΔT / ΔX (38) 式中： ΔT 為兩等溫面的溫差； ΔX 為兩等溫面之間的距離。當(dāng)氣敏傳感器加熱后，環(huán)境中的可燃?xì)怏w濃度加大時(shí)，傳感器的內(nèi)阻將迅速減小，利用該特性結(jié)合分壓原理，分析得知 Vout 的值將逐漸加大，當(dāng)超過我們?cè)O(shè)定的閾值時(shí)，可產(chǎn)生相應(yīng)的操作。 結(jié)構(gòu)如圖 38。 圖 38 中 ①、②、③分別表示 MQ5 型氣敏傳感器的引腳排布圖、引腳功能圖、使用接線圖。 它由微型氧化鋁陶瓷管、氧化鋅敏感層，測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成，敏感元件固定在塑料或不繡鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。 MQ5 引腳說明 MQ5 外觀如圖 36。 避免腐蝕性氣體及油污染 ,長(zhǎng)期使用需防止灰塵堵塞防爆不銹鋼網(wǎng) 。相對(duì)濕度 45~75%RH。 符號(hào)說明 ： 1） 檢測(cè)氣體中電阻 Rdg檢測(cè)氣體中電壓 Vdg 2） Rdg與 Vdg的關(guān)系 :Rdg=RL(VC/Vdg1) 3） 負(fù)載電阻可根據(jù)需要適當(dāng)改動(dòng) ,不影響元件靈敏度 。 3） 元件在 接觸標(biāo)定氣體 1000ppm C4H10 后 10秒以內(nèi)負(fù)載電阻兩端的電壓可達(dá)到 (Vdg 20 10 0 10 20 30 40 50 ℃Rs/R060%RH30%RH85%RH圖 35 傳感器典型溫度濕度特性曲線 表 3 2 濃度 計(jì)算值 100 500 800 1000 2020 3000 5000 10000 ???????? Rs(k?) V0= ????????+????(??) 顯示讀數(shù) =?????? ????????? 69 83 96 101 112 117 126 136 14 Va)差值的 80%(即響應(yīng)時(shí)間 )。 MQ5110100 1000 10000ppmRs/RoH2LPGCH4COalcoholAir圖 34 傳感器典型靈敏度曲線 13 氣體濃度與讀數(shù)的關(guān)系 氣體濃度與讀數(shù)的 關(guān)系如 表 32，所示 MQ5 使用方法及注意事項(xiàng) 1） 元件開始通電工作時(shí) ,沒有接觸可燃性氣體 ,其電導(dǎo)率也急劇增加 1 分鐘后達(dá)到穩(wěn)定 ,這時(shí)方可正常使用 ,這段變化在設(shè)計(jì)電路時(shí)可采用延時(shí)處理解決 。Rs 表示在 含 1000ppm 丙烷、不同溫 /濕度下 傳感器 的電阻值。 圖 35 是傳感器典型的溫度、濕度特性曲線。 Rs 表示傳感器在 不同濃度氣體中的電阻值 Ro 表示傳感器在1000ppm 氫氣中的電阻值。 響應(yīng)時(shí)間 (trec) ≤ 10S 加熱電壓（ Vh） 最大 DC 24V 恢復(fù)時(shí)間 (trec) ≤ 30S 負(fù)載電陰（ Rl） 2KΩ 元件功耗 ≤ 清潔空氣中電阻（ Ra） ≤ 2020 KΩ 檢測(cè)范圍 50—10000ppm 靈敏度（ S=Ra/Rdg） ≥ 4(在1000ppmC4H10中 ) 使用壽命 2 年 表 3 1 MQ5 技術(shù)指標(biāo) 圖 3 2 半導(dǎo)體式瓦斯傳感器結(jié)構(gòu) 12 MQ5 特點(diǎn) （ CH C4H H2 等） ，工作穩(wěn)定可靠 MQ5 靈敏度 圖 34 是傳感器典型的靈敏度特性曲線。 MQ5 技術(shù)指標(biāo)： 本設(shè)計(jì)用的傳感器元件時(shí) MQ5，其技術(shù)指標(biāo)如表 31。按照結(jié)構(gòu)可以分為燒結(jié)型 （ a） 、薄膜型 （ b） 和厚膜型 （ c） 如圖 33。 10 半導(dǎo)體式瓦斯傳感器的結(jié)構(gòu)及原理 半導(dǎo)體式瓦斯傳感器是以金屬氧化物 SnO2 為主體材料的 N 型半導(dǎo)體氣敏元件，當(dāng)元件接觸還原性氣體時(shí)，其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升高。另外，作為補(bǔ)償元件的鉑線圈 ,其尺寸、阻值均應(yīng)與檢測(cè)元件相同。然后經(jīng)過高溫?zé)崽?理 ,使在氧化鋁 (氧化鋁一氧化硅 )載體上形成貴金屬觸媒層 ,最后組裝成氣體敏感元件。在線圈外面涂以氧化鋁或氧化鋁和氧化硅組成的膏狀涂覆層 ,干燥后在一定溫度下燒結(jié)成球狀多孔體。若與相應(yīng)的電路配合，就能在空氣中當(dāng)可燃性氣體達(dá)到一定濃度時(shí)，自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào) 。則 kmbE? b = εαm???? (36) 即 A、 B 兩點(diǎn)間的電位差與可燃性氣體的濃度 m 成比例。 Q 是由可燃性氣體的種類決定。 E = E0[ (????1+????2)(????1+????2+?????)? ( ??1??1+R2)] (31) 因?yàn)?FR? 很小，可以在分母中省去，并且有 ????1??1 = ????2??2,則 E = E0[ ??1(??1+R2)(????1+????2)](????2????1)????? (32) 如果令 k = ??0??1/(??1+ ??2)(????1 +????2) (33) 則 E = k(????1????2)????? (34) 圖 31 接觸燃燒式氣體敏感元件的橋式電路 9 這樣，在檢測(cè)元件 F1 和補(bǔ)償元件 F2 的電阻比 RF2/RF1 接近于 1 的范圍內(nèi)， A， B兩點(diǎn)間的電位差 E，近似地與 ΔRF 成比例。 8 F2F1AMR1R2W2BE0W1CD 工作時(shí)，要求在 F1 和 F2 上保持 100mA～ 200mA 的電流通過，以供可燃性氣體在檢測(cè)元件 F1 上發(fā)生氧化反應(yīng) (接觸燃燒 )所需要的熱量。 接觸燃燒式氣體傳感器 結(jié)構(gòu)及原理 原理 接觸燃燒式氣體敏感元件的橋式電路如圖。 ○ 2 為克服上述 ， 瓦斯檢知用組件和補(bǔ)償用組件的熱損失必須不影響其實(shí)用性。熱阻體瓦斯察覺器當(dāng)檢知部使用而實(shí)用化時(shí)有下列困難。 3） 熱阻體式 利用熱阻體組件的熱傳導(dǎo)式瓦斯檢知方式為日本通產(chǎn)省工業(yè)技術(shù)院資源技術(shù)試驗(yàn)所?？梢詸z測(cè)百分比濃度的可燃?xì)怏w，也可檢測(cè) ppm 級(jí)的有毒有害氣體。 2）半導(dǎo)體式 半導(dǎo)體式氣體傳感器是根據(jù)由金屬氧化物或金屬半導(dǎo)體氧化物材料制成的檢測(cè)元件，與氣體相互作用時(shí)產(chǎn)生表面吸附或反應(yīng)，引起載流子運(yùn)動(dòng)為特征的電導(dǎo)率或伏安特性或表面電位變化而進(jìn)行氣體濃度測(cè)量的。空氣中可燃性氣體濃度愈大，氧化反應(yīng) (燃燒 )產(chǎn)生的反應(yīng)熱量 (燃燒熱 )愈多，鉑絲的溫度變化 (增高 )愈大，其電阻值增加的就越多。 其特性如下： 1）接觸燃燒式 可燃?xì)怏w (H CO、 CH4 等 )與空氣中的氧接觸，發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生反應(yīng)熱 (無焰接觸燃燒熱 )，使得作為敏感材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應(yīng)增大。 信號(hào)采集電路 瓦斯傳感器的種類 瓦斯煙霧可燃?xì)怏w傳感器的使用可分為瓦斯泄漏的檢出及濃度的測(cè)定，瓦斯取樣分析。 聲光報(bào)警電路由蜂鳴器、發(fā)光二極管構(gòu)成。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的的輸出信號(hào)。儀器的供電電壓為 5V，瓦斯傳感器由 在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（ SnO2）氣體敏感材料 制成。達(dá)到的效果：井下瓦斯?jié)舛日r(shí)顯示瓦斯?jié)舛?，聲光?bào)警器不報(bào)警；圖 21 系統(tǒng)總體框圖 5 濃度超標(biāo)時(shí)正常顯示瓦斯?jié)舛嚷暪鈭?bào)警器報(bào)警提醒作業(yè)人員撤離，防止事故發(fā)生?；谶@個(gè)思路，我們研究設(shè)計(jì)了煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 濃度信號(hào)采集A / D轉(zhuǎn)換模塊 單 片 機(jī) 最 小 系 統(tǒng)顯 示 模 塊聲 光 報(bào) 警 系統(tǒng)功能描述 便攜式電子瓦斯檢定器是一種可隨身攜帶、能連續(xù)自動(dòng)測(cè)定（或點(diǎn)測(cè)）環(huán)境中瓦斯?jié)舛鹊娜娮觾x器，具有操作方便、讀數(shù)直觀、工作可靠、體積小、重量輕、維修方便等特點(diǎn)。信號(hào)采集部分主要采集濃度信號(hào)，將濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后由 A/D 轉(zhuǎn)換模塊將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量送給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行分析后控制顯示模塊進(jìn)行濃度顯示。 4 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊 如圖 21，系統(tǒng)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)，信號(hào)采集電路， A/D 轉(zhuǎn)換模塊，顯示模塊，聲光報(bào)警電路五部分組成。 課題主要研究?jī)?nèi)容與要求 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容與要求是：設(shè)計(jì)一個(gè)煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝置，在氣體濃度一定的范圍內(nèi)進(jìn)行安全檢測(cè)，并能在礦內(nèi)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到報(bào)警上限時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，通知礦內(nèi)工作人員及時(shí)撤離減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。由于我的水平有限，所以本設(shè)計(jì)仍然選擇聲光報(bào)警方式。采用直接的語音播報(bào)方式，可以主動(dòng)向現(xiàn)場(chǎng)人員提供各種信息，遇到危險(xiǎn)情況還能作為緊急廣播 使用。 瓦斯報(bào)警對(duì)現(xiàn)在采礦業(yè)的安全起著非常重要的作用。 國(guó)外的監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)水平理論上講高于國(guó)內(nèi)發(fā)展水平，但應(yīng)用于國(guó)內(nèi)煤礦尚有一定的局限性， 如煤礦管理模式生產(chǎn)方式的不同，價(jià)格過高不適于國(guó)內(nèi)煤礦現(xiàn)有條件，除在傳感器技術(shù)方面可供借鑒外，其它僅具一定參考價(jià)值。因此目前世界各國(guó)一直把發(fā)展智能化傳感器作為研究課題，投入大量人力物力進(jìn)行開發(fā)研究。雖然世界各國(guó)在此方面的研究都有了些許初步的成果，但是關(guān)于催化劑和載體變化規(guī)律的研 究報(bào)告或文章很少見發(fā)表。為此需要深入研究催化劑的價(jià)態(tài)、顆粒大小、表面狀態(tài)以及載體的晶型變化的規(guī)律，而這種深入的研究采用以前的檢驗(yàn)手段已經(jīng)不行了，必須采用更先進(jìn)的技術(shù)，進(jìn)入催化劑的微觀世界，探索其變化規(guī)律。在這些要求中，努力提高元件的穩(wěn)定性、延長(zhǎng)元件使用壽命是中心課題。 催化瓦斯傳感器系統(tǒng)由兩臺(tái) DRS— 4 型計(jì)算機(jī)控制，共有 128 個(gè)測(cè)頭。 1961 年以后，英、美、法、日、德、前蘇聯(lián)等國(guó)家又對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)研究，并把它作為瓦斯檢測(cè)的主要工作方向。 1961 年英國(guó)礦山安全研究所采用新的工藝，改進(jìn)了載體催化元件的性能。目前，在瓦斯檢測(cè)儀中占主導(dǎo)地位的是催化瓦斯檢測(cè)儀，據(jù)最早文獻(xiàn)記載，1943 年以前美國(guó)已制成 VCC 瓦斯測(cè)量?jī)x，日本在鉑絲元件上加上涂有催化劑的載體小珠，制成最早的載體催化元件，并利用這種原件制成了北辰型瓦斯指示器。從 1675 年英國(guó)北威爾士欣煤礦發(fā)生的第一次瓦斯爆炸礦難起 ，世界各國(guó)開始更進(jìn)一步關(guān)注對(duì)瓦斯檢測(cè)報(bào)警的相關(guān)安全研究。為了解決這些問題，本課題在分析模擬式瓦斯報(bào)警器特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，充分利用 52單片機(jī)的強(qiáng)大功能，對(duì)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)處理，對(duì)瓦斯傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)自校零、非線性補(bǔ)償，對(duì)提高瓦斯檢測(cè)的可靠性和系統(tǒng)的性價(jià)比具有十分重要的意義。第三、大量的瓦斯排入大氣，污染大氣環(huán)境。 瓦斯 (CH4)是煤礦井下危害最大的氣體，它是在成煤過程 中形成并大量貯存于煤層之中的氣體，無色、無味，有易燃、易爆等特點(diǎn)。 多年來的實(shí)踐證明，瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測(cè)監(jiān)控器在監(jiān)測(cè)煤礦井下安全狀況，防范安全隱患方面起著重要作用，充分發(fā)揮其作用，是我國(guó)煤礦安全形勢(shì)實(shí)現(xiàn)好轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。在許多發(fā)達(dá)國(guó)家中為了減少事故的發(fā)生，一般不會(huì)開采高瓦斯災(zāi)害隱患嚴(yán)重的礦井。瓦斯災(zāi)害已成為 制約我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)和煤炭工業(yè)發(fā)展的重要因素，可以說瓦斯爆炸已經(jīng)成為礦難的第一大禍?zhǔn)?。但是，目前煤炭工業(yè)的安全生產(chǎn)狀況卻很差， 其中之一便是有害氣體的危害性，包括 CH4，瓦斯， SO2等。 Alarm 目錄 ......................