【正文】 熱釋電探測器 熱釋電探測器原理 熱釋電紅外傳感器是一種光電轉(zhuǎn)換器件，它是一種 PZT 晶體結(jié)構(gòu)的表面電荷極化隨其溫度變化而變化的傳感器。此外 , 為防止燈絲驅(qū)動回路中電流脈沖信號通過地線產(chǎn)生干擾 , 燈絲驅(qū)動電路應(yīng)與探測器信號電路隔離。實(shí)際電路中還應(yīng)在輸入輸出端增加濾波電容、考慮電 源的功耗等因素。由單片機(jī)產(chǎn)生 4 Hz 的方波脈沖控制三極管 T。 探 測 信 號紅 外 輻 射有有有無無無 圖 36 探測信號隨紅外輻射有規(guī)律的變化 圖 18 滿足上述要求的燈絲電源驅(qū)動電路如圖 37 所示。另外 ,當(dāng)燈絲加高電平點(diǎn)亮?xí)r燈絲需要一個臨界啟動電壓和一定的延遲時間 ,脈沖的低電平大于 0 V,可降低啟動電壓、減少延遲時間 ,使燈絲能在開關(guān)狀態(tài)間快速地切換。設(shè)置關(guān)斷電壓在 0 V 以上 ,維持一個小電流流過燈絲 ,能夠減少涌入電流。如圖 36 所示。這樣 ,如果給燈施加脈沖電壓 ,提供一個連續(xù) 的脈動光源 ,探測器將會產(chǎn)生連續(xù)的交 反 應(yīng) 時 間 1 2 5 m s紅 外 輻 射無有探 測 信 號 圖 35 紅外輻射與探測信號的變化關(guān)系 圖 變信號。此后若輻射光強(qiáng)維持恒定 ,則探測器輸出逐漸下降至初始值 (直流分量 )并維持不變。 光譜圖如圖 34所示。 圖 33 IR32B 實(shí)物圖 16 紅外光源 紅外光源的選擇 為了最終獲得有效的信號，紅外光源必須 提供測量所需的足夠能量的光強(qiáng)，這樣，必須要求紅外光源在氣體強(qiáng)烈吸收紅外輻射的波段處具有較高的輻射能量。 IR32BC IR32BC 紅外吸收型甲烷氣體傳感器 ， 其紅外光源采用白熾小燈泡 ； 紅外探測器采用熱釋電探測器 ； 測量紅外濾光片的中心波長是 m，采樣 紅外濾光片的中心波長是 m，兩片濾光片與探測器封裝在一起 ； 采樣氣室采用鋁合金制作，呈圓柱形，紅外光源和紅外探測器均固定在氣室的底部， 15 氣室的頂部留有讓氣體自由擴(kuò)散的小孔，紅外光源發(fā)出的光經(jīng)過氣室內(nèi)壁多次反射而到達(dá)探測器，在有限的空間內(nèi)增大了光程，使紅外輻射能夠被氣體充分吸收，有利于提高分辨率。最后，差分式測量比直接吸收型精度高。其次 差分式便于計算。直接吸收式在紅 外波長抖動，溫度發(fā)生變化和氣室中有粉塵或干擾氣體時，系統(tǒng)的檢測 光 源參 考 濾 光 片 探 測 器參 考 信 號 輸 出測 量 信 號 輸 出氣 室測 量 濾 光 片 圖 32 紅外傳感器結(jié)構(gòu)圖 性能有很明顯的影響。這種具有兩個吸收通道的方法也就是所謂的差分式吸收。 當(dāng)紅外輻射經(jīng)過氣室照射到探測頭上時，具有特征吸收帶的濾光片過濾掉其他波長的紅外輻射，只保留甲烷的吸收波長，從而檢測到因甲烷吸收而有所變化的光強(qiáng)信號，再通過探測頭轉(zhuǎn)變成電信號輸出 ； 另一個濾光片與這個濾光片不同，它對甲烷吸收的波長進(jìn)行過濾而保留其他紅外波長，以便檢 14 測到紅外輻射的入射光強(qiáng)，通過探測頭轉(zhuǎn)變成電信號輸出 [11][12]。 為了減少紅外光源的背景干擾和系統(tǒng)的其它一些干擾，一般采用兩路信號通道的結(jié)構(gòu)，一路通道作為測量信號，一路通道作為參考信號。被測氣體的濃度越大，氣體的吸收系數(shù)越大，氣體穿過的路徑長度越長，能量衰減得越厲害。 由上式可知光強(qiáng) ??I? 與氣體濃度 C 、氣體吸收系數(shù) ???? 和路徑長度 L 13 具有相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系 [9]。 C 一待測氣體濃度。 ? ?0I ? 一通過待測氣體前的光強(qiáng)。如果氣體吸收譜線在入射光譜范圍內(nèi)， 那么紅外輻射透過被測氣體后，在相應(yīng)譜線處就會發(fā)生能量的衰減，未被吸收的輻射被探頭測出，通過測量該譜線處能量的衰減量來得知被測氣體濃度 [8]。 12 第 3 章 瓦斯檢測系統(tǒng) 硬件部分設(shè)計 紅外甲烷氣體檢測的原理及紅外氣體檢測儀簡介 原理 紅外吸收型甲烷檢測儀是利用不同氣體對紅外輻射有著不同的吸收光譜，吸收強(qiáng)度與氣體濃度有關(guān)的事實(shí)來檢測甲烷濃度的。 PIC16F877 指令摘要 。 PIC16F877 指令簡介 PIC16F877 常用的語言有匯編語言與 C 語言兩種，匯編語言是 將每一 個機(jī)器碼使用一個文字代號代表，比較接近處理器真正動作模式 ， 而 C 語言是比較符合人們的使用習(xí)慣，事先將匯編語言組合成 C 語言形式，使用較為方便，但是 C 語言所組譯的機(jī)器碼程序通常比較大，且組譯軟件通常需要額外購買。當(dāng)整體系統(tǒng)需要多單片機(jī)時，彼此可以經(jīng)由并列傳輸接口來快速傳輸資料。 PORTC: PORTC 總共有 8 個位 (RC0～ RC7)，除了可作為數(shù) 字 I/O 外，還和一些特殊功能的周邊電路共享接腳，例如 CCP（直流馬達(dá)控制）、 I2C、 SPI（同步串行通訊電路）、 USART（異步串行傳輸電路）等等。 PIC 是 8 位的單片機(jī)，以接腳特性分組，每組盡量湊滿 8 支接腳，并將 I/O 命名為 PORTA(RA0～ RA5)、 PORTB(RB0～ 10 RB7)、 PORTC(RC0～ RC7)、 PORTD(RD0～ RD7)和 PORTE(RE0～ RE2)等，各分組接口特性說明如下： PORTA: PIC16F877 的 PORTA 總共有 6 個位 (RA0～ RA5)， PORTA 的接腳可作為數(shù)字輸出輸入端口，而系統(tǒng)重置后， PORTA 自動成為模擬輸入狀態(tài)，可讀取模擬輸入訊號。 如圖 23 所示 [7]。圖中電容 C1 與 C2 規(guī)格大小是根據(jù) Crystal 或 Resonator 而 有所不同， 本設(shè)計選用的是 4MHZ 的晶振，所以電容選用的是 15uF。 8 MSSP； Master Synchronous Serial Port，兩線式 (I2C)與三線式 (SPI)標(biāo)準(zhǔn)同步串行傳 輸協(xié)定，常用于 EEPROM 內(nèi)存資料的燒錄與讀取，或是與其它集成電路溝通與聯(lián)系，形成多芯片網(wǎng)絡(luò)。 Timer： 內(nèi)部定時器，有 Timer0、 Timer Timer2 等。 7 PIC16F8771234568791 11 01 21 31 41 51 71 61 91 82 02 12 22 32 42 52 62 72 83 33 53 43 23 12 93 04 03 93 83 63 7_ _ _ _ _ M C L R / V p pR B 7 / P G DR B 4R B 5R B 6 / P G CR B 3 / P G MR B 2R B 1R B 0 / I N TV d dV s sV d dV s sR D 7 / P S P 7R D 5 / P S P 5R D 6 / P S P 6R D 4 / P S P 4R D 3 / P S P 3R D 1 / P S P 1R D 2 / P S P 2R D 0 / P S P 0O S C 1 / C L K I NO S C 2 / C L K O U TR C 5 / S D OR C 7 / R X / D TR C 4 / S D I / S D AR C 6 / T X / C KR C 3 / S C K / S C LR C 2 / C C P 1R C 1 / T 1 O S I / C C P 2R C 0 / T 1 O S O / T I C K I_ _ _R E 0 / R D / A N 5_ _ _R E 1 / W R / A N 6_ _ _R E 2 / C S / A N 7R A 0 / A N 0R A 1 / A N 1R A 2 / A N 2 / V R E F R A 3 / A N 3 / V R E F +R A 4 / T O C K I _ _R A 5 / A N 4 / S S 圖 21 PIC16F877 芯片 特殊內(nèi)嵌功能 PIC16F877 屬于內(nèi)嵌功能較多的單片機(jī)，除了 CPU、 ROM、 RAM、 I/O 等基本構(gòu)造外，還包括以下各種功能，簡介如下 ： A/D converter：模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，最多可以讀取 8 組模擬輸入訊號。如圖 21 所示，每根接腳都有其特定功能，例如 Pin11 與 Pin32(VDD)為正電源接腳， Pin12 與 Pin31(VSS)為地線接腳；而有些接腳有兩種甚至三種以上功能，例如 Pin2(RA0/AN0)代表 PORTA 的第一支接腳，在系統(tǒng)重置(Reset)后，可自動成為模擬輸入接腳，接收模擬訊號，也可經(jīng)由程序規(guī)劃為數(shù)字輸出輸入接腳 [5][6]。 睡眠和低功耗模式使 PIC 單片機(jī)對電源具有非常低的功耗。目前， PIC 采用熔絲深埋工藝，恢復(fù)熔絲的可能性極小。 PIC 單片機(jī)通過限流電阻可以接至 220V 交流電源，可 直接與繼電器控制電路相連，無需光電耦合隔離，給應(yīng)用帶來極大方便。 PIC 系列 8 位單片機(jī)具有獨(dú)特的 RISC 結(jié) 構(gòu)，數(shù)據(jù)總線和指令總線分離的（ Harvard）結(jié)構(gòu)，使指令具有單字長的特性，且允許指令碼的位數(shù)可多于 8位的數(shù)據(jù)位數(shù)，這與傳統(tǒng)的采用 CISC 結(jié)構(gòu)的 8 位單片機(jī)相比，可以達(dá)到 2：1的代碼壓縮，速度提高了 4倍。 PIC16F877單片機(jī)電壓運(yùn)行范圍為 ，具有高性能的 RISC CPU，僅僅有 35 條單字指令，執(zhí)行速度快，指令易學(xué)易用；帶有 256 字節(jié)的電可擦寫的 EEPROM 存儲器，每次報警和斷電界限的設(shè)定值可以從 EEPROM 中讀出以前寫入的設(shè)定值，或重新按鍵設(shè)定并寫入 EEPROM以備下次使用； 8K*14 個 FLASH 程序存儲器， 368*8 個數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）字節(jié)，充足的資源可供以后開發(fā)改進(jìn)；內(nèi)含 10 位多通道模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換精度高；看門狗可以對軟件運(yùn)行出錯提供保護(hù)功能 [4]。 PIC16F877 單片機(jī)在多個方面較之其它系列單片機(jī)更有優(yōu)越性，它的最大優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在引腳少、功能強(qiáng)、可直接 帶 LED 負(fù)載；具有低耗能工作方式，較簡便地實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)；外圍接口電路簡單，提高了整機(jī)的可靠性；具有較強(qiáng)的抗干擾性，大大提高抵御外界的電磁干擾和本機(jī)控制電路的電磁干擾的能力，從而提高了工業(yè)電腦自動控制器的適應(yīng)能力。 5 第 2 章 PIC 系列單片機(jī) PIC 系列單片機(jī)是有美國 Microchip 公司生產(chǎn)的單片機(jī)產(chǎn)品。隨著紅外技術(shù)的迅猛發(fā)展，國內(nèi) 外用于精確測定和標(biāo)定氣體濃度的分析儀大多數(shù)都采用了紅外技術(shù)。并具有檢測精度高，調(diào)校簡單，工作穩(wěn)定等特性。采用熱催化元件制成的甲烷檢測儀，適用于煤礦井下各工作場所測量空氣中的甲烷濃度。但目前國內(nèi)針對瓦斯?jié)舛葯z測的紅外技術(shù)還不是很成熟，實(shí) 4 時性、穩(wěn)定性和靈敏度方面都有待提高。近年來，國內(nèi)的有關(guān)單位也一直致力于基于紅外技術(shù)的氣體濃度檢測研究工作。美 國西屋電氣公司研制的紅外瓦斯遙測儀能在 40m 內(nèi)確定工作面周圍的平均瓦斯?jié)舛?； 美國羅斯蒙特公司研制的紅外吸收氣體分析儀具有性能可靠、安全防爆等特點(diǎn)，同時能夠提供標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流輸出信號。國外發(fā)達(dá)國家對氣體在線檢測儀器研究和應(yīng)用方面起步較早，現(xiàn)已研制出的基于光干涉原理、熱催化原理、熱導(dǎo)原理的傳感器都在氣體檢測中起到了推動作用，在大多數(shù)的檢測方法和儀器中，紅外光譜吸收型氣體傳感器技術(shù)方案是最有效和廣泛采用的方法。我國的相關(guān)單位也一直致力于紅外氣體傳感器方面的研究 工作，并取得了一定的成果 [3]。國外發(fā)達(dá)國家對紅外氣體傳感器的研究起步較早。首先，這些產(chǎn)品在我國礦井下的高粉塵、高濕度環(huán)境無法正常使用；其次是這些產(chǎn)品價格昂貴，國內(nèi)的企業(yè)難 以接受；同時，這些產(chǎn)品還不能與國內(nèi)煤礦現(xiàn)有的安全檢測系統(tǒng)兼容。紅外光譜吸收法與載體催化法相比，在穩(wěn)定性、可靠性以及長壽 3 命等方面，都表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，是煤礦用甲烷傳感器的更新?lián)Q代理想產(chǎn)品，具有良好的發(fā)展前景。由于載體催化甲烷檢測方法的弱點(diǎn)無法解決，歐美等發(fā)達(dá)國家多年來一直在研究將紅外吸收光譜技術(shù)應(yīng)用于甲烷檢測，終于在 2021 年推出了煤礦用紅外甲烷傳感器。低濃度甲烷傳感器經(jīng)過大于 4%的甲烷沖擊后，必須及時進(jìn)行調(diào)?；蚋鼡Q。 礦井安全監(jiān)測裝置的現(xiàn)行狀況 目前，國內(nèi)煤礦所用的甲烷傳感器絕大部分采用載體催化型 (催化燃燒型 )，這種方法雖然可以進(jìn)行瓦斯檢測，但存在使用壽命短、工作穩(wěn)定性差和調(diào)校頻繁的致命弱點(diǎn)。及時、準(zhǔn)確地檢測瓦斯氣體的產(chǎn)生源、濃度，對于工礦安全運(yùn)行、人身安全及環(huán)境保護(hù)有著 十分重要的意義。礦井總回風(fēng)巷或一翼回風(fēng)巷中的瓦斯?jié)舛瘸^ %時，必須立即查明原因，進(jìn)行處理 。上報時應(yīng)包括開采煤層最短發(fā)火期和自燃傾向性、煤塵爆炸性的鑒定結(jié)果 。煤礦安全規(guī)程 [2]第一百三十三條至一百三十六條規(guī)定 :一個礦井中