【正文】 and alarm circuit. CPU, which is the core of the monitor, finishes data’ s acquisition, processing, output, display and other functions。 A/D conversion circuit exports the amplified voltage signal from the analog signal into digital signal to the CPU。 the alarm circuit alarms to the limited gasconcentration. The apparatus is characterized by a wide measurement range, high precision, reliability and good stability. It is that parameter measurement is accurate, the mine gasconcentration monitor. Key words: CPU。 Sensitive ponents。 煤炭生產(chǎn)作為我國(guó)能源工業(yè)的支柱，其地位將是長(zhǎng)期的，穩(wěn)定的。 近年來(lái)，瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)和數(shù)百萬(wàn)名煤礦工的生命安全， 2020年我國(guó)煤礦發(fā)生瓦斯事故 59起，造成 348人死亡。 國(guó)有地方和鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦中，高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井占 15%左右。但中國(guó)是一個(gè)能源饑渴大國(guó)，煤炭是我國(guó)的主要能源，占一次性能源構(gòu)成的 75%,所以不論是低瓦斯還是高瓦斯，都在積極創(chuàng)造條件，照采不誤。近年來(lái)，國(guó)有 重點(diǎn)煤礦瓦斯爆炸事故較少的原因之一，就是絕大多數(shù)煤礦的高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井安裝了瓦斯報(bào)警器。瓦斯的危害主要表現(xiàn)為三個(gè)方面：第一、瓦斯?jié)舛冗^(guò)高，對(duì)工人身體健康造成傷害，表現(xiàn)為缺氧，呼吸困難，窒息等；第二、瓦斯煤塵爆炸，瓦斯爆炸所產(chǎn)生的巨大沖擊波和高溫火焰，往往導(dǎo)致群死群傷，而且揚(yáng)起的煤塵又會(huì)參與爆炸，摧毀巷道，毀壞設(shè)備，甚至毀滅整個(gè)礦井，給國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。 目前我國(guó)已經(jīng) 使用的瓦斯報(bào)警礦燈具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，但存在的問(wèn)題時(shí)傳感器漂移大，要定期維護(hù)，并且需要維護(hù)的周 期很短；維護(hù)方法復(fù)雜，成 2 本較高，抗機(jī)械干擾能力較差。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況和研究方向 最早監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛鹊难b置是安全燈，安全燈的構(gòu)造簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，一百多年來(lái)一直被沿用下來(lái)，至今仍在許多國(guó)家使用。一直以來(lái)，光干涉瓦斯監(jiān)測(cè)器在我國(guó)以及日本使用比較廣泛，自 20 世紀(jì) 30 年代以來(lái)，已經(jīng)連續(xù)使用了數(shù)十年，至今仍在多數(shù)些礦井的瓦斯檢測(cè)中使用。 1958年法國(guó) Cherchar 研究所已研制成功利用 AI2O3 為載體，鈀 Pd、釷 Th 為催化劑的載體催化元件，獲 得了較好的催化性能。從此，催化瓦斯傳感器進(jìn)入了其發(fā)展過(guò)程中的全盛時(shí)期。我國(guó)對(duì)于催化型瓦斯傳感器的研究工作起步稍晚。當(dāng)前國(guó)際催化瓦斯傳感器的主要是向小型化、高穩(wěn)定、長(zhǎng)壽命方向發(fā)展。由于通過(guò)采用篩選催化劑配方和改進(jìn) 工藝的方法來(lái)提髙元件穩(wěn)定性和延長(zhǎng)元件使用壽命已經(jīng)收獲不大，所以必須在研究工作中進(jìn)一步探索元件催化劑及載體的變化規(guī)律，找出提高元件的穩(wěn)定性和延長(zhǎng)元件的使用壽命的方法。目前與此有關(guān)的現(xiàn)代分析技術(shù)主要有光電子能譜、掃描電子顯微鏡、 X 射線衍射、電子順磁共振等。 3 由于傳感器是獲取信息的工具，是信息技術(shù)（包括傳感與控制技術(shù)、通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)）三大支柱之一，位于信息系統(tǒng)的最前端，其特性的好壞、輸出信息的可靠性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)雖至關(guān)重要。智能傳感系統(tǒng)與傳統(tǒng)傳感器相比，具有高精度、高可靠性、高性能價(jià)格比、多功能化等優(yōu)點(diǎn)，它代表了傳感器的發(fā)展方向，是傳感器克服自身落后向前發(fā)展的必然趨勢(shì)。 80 年代初，世界各產(chǎn)煤國(guó)檢測(cè)裝置的缺點(diǎn)是： 1）測(cè)量范圍小 2）易受高濃度瓦斯和硫化物的影響，存在零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移問(wèn)題，存在檢測(cè)不準(zhǔn)確及井下校準(zhǔn)困難等弊端?，F(xiàn)有的監(jiān)測(cè)設(shè)備，都是采用數(shù)字顯示或燈光顯示的方式來(lái)提供測(cè)試數(shù)據(jù)的，這在環(huán)境狹窄、能見(jiàn)度差的井下工作面很不方便。這對(duì)于提高安全意識(shí)、避免重大傷亡事故具有重要意義。本設(shè)計(jì)能夠監(jiān)控礦井的瓦斯氣體的濃度，顯示測(cè)量結(jié)果，并對(duì)當(dāng)前的環(huán)境狀態(tài)做出判斷，發(fā)出報(bào)警信息。這個(gè)基于單片機(jī)的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)以下的功能：瓦斯?jié)舛葴y(cè)試，超過(guò)設(shè)定的門限值后自動(dòng)報(bào)警 。 其中單片機(jī)最小系統(tǒng)是核心部分，負(fù)責(zé)信號(hào)的處理運(yùn)算，控制顯示模塊已經(jīng)聲光報(bào)警部分。如果濃度過(guò)高，單片機(jī)控制報(bào)警電路進(jìn)行聲光報(bào)警。 一個(gè)易燃易爆氣體監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)易燃易爆氣體并報(bào)警，肯定能提高人民的生活水平和加快我們的現(xiàn)代化建設(shè)，減少不必要的人員跟財(cái)產(chǎn) 損失，有利于整個(gè)社會(huì)穩(wěn)定。能較為準(zhǔn)確科學(xué)的檢測(cè)并顯示礦內(nèi)瓦斯?jié)舛?，并且?dāng)氣體濃度超出某一設(shè)定范圍后會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，從而達(dá)到實(shí)時(shí)安全監(jiān)控作用。 6 3 硬件設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 儀器由瓦斯傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換模塊、顯示電路、聲光報(bào)警電路等部分組成。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)傳感器隨著氣體中可燃?xì)怏w濃度的增大而增大。 采集到的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后，由顯示電路顯示可燃?xì)怏w濃度值。當(dāng)可燃?xì)怏w濃度超過(guò)設(shè)定的報(bào)警點(diǎn)時(shí)，由軟件控制報(bào)警。一般瓦斯傳感器可分為接觸燃燒式、半導(dǎo)體式、熱阻體式三種傳感器 。一般情況下，空氣中可燃性氣體的濃度都不太高 (低于 10％ )，可燃性氣體可以完全燃燒，其發(fā)熱量與可燃性氣體的濃度有關(guān)。因此，只要測(cè)定作為敏感件的鉑絲的電阻變化值 (ΔR)，就可檢測(cè)空氣中可燃性氣體的濃度。從作用機(jī)理上可分為表面控制型（采用氣體 7 吸附于半導(dǎo)體表面而產(chǎn)生電導(dǎo)率變化的敏感元件）、表面電位型（采用半導(dǎo)體吸附氣體后產(chǎn)生表面電位或界面電位變化的氣體敏感元件）、體積控制型（基于半導(dǎo)體與氣體發(fā)生反應(yīng)時(shí)體積發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電導(dǎo)率變化的工作原理）等。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)靈 敏度高、反應(yīng)速度快等諸多實(shí)用性優(yōu)點(diǎn)，但其主要不足是測(cè)量線性范圍較小，受背景氣體干擾較大，易受環(huán)境溫度影響等。由傳感器廠商、機(jī)器廠商共同開(kāi)發(fā)，先當(dāng)做坑內(nèi)攜帶用沼氣檢知警報(bào)器，后來(lái)又用于都市管路瓦斯，液化天然瓦斯等檢出，是可靠度極高的瓦斯傳感器。 ○ 1 必須將熱阻體組件的長(zhǎng)期變化降到可忽視的程度。 ○ 3 熱阻體式瓦斯檢知裝置在常溫常壓時(shí)，因水蒸氣的熱傳導(dǎo)率為沼氣的 77%，所以易受濕度的影響，不可不重視。圖 31 中 F1 是檢測(cè)元件； F2 是補(bǔ)償元件，其作用是補(bǔ)償可燃性氣體接觸燃燒以外的環(huán)境溫度、電源電壓變化等因素所引起的偏差。當(dāng)檢測(cè)元件 F1 與可燃性氣體接觸時(shí)，由于劇烈的氧化作用 (燃燒 )，釋放出熱量，使得檢測(cè)元件的溫度上升，電阻值相應(yīng)增大，橋式電路不再平衡，在 A、 B 間產(chǎn)生電位 差 E。在此， ΔRF 是由于可燃性氣體接觸燃燒所產(chǎn)生的溫度變化 (燃燒熱 )引起的，是與接觸燃燒熱 (可燃性氣體氧化反應(yīng)熱 )成比例的，即 FR? 可以用下面的公式來(lái)表示 ????? = ε?T = ε????? = ?????????? (35) ε， C 和 α 的數(shù)值與檢測(cè)元件的材料、形狀、結(jié)構(gòu)、表面處理方法等因素有關(guān)。因而，在一定條件下，都是確定的常數(shù)。如果在 A、 B 兩點(diǎn)間連接電流計(jì)或電壓計(jì)，就可以測(cè)得 A、 B 間的電位差 E，并由此求得空氣中可燃性氣體的濃度。 結(jié)構(gòu) 如圖 32， 用高純的鉑絲 ,繞制成線圈 ,為了使線圈具有適當(dāng)?shù)淖柚?(1Ω～ 2Ω ),一般應(yīng)繞 10 圈以上。將燒結(jié)后的小球 ,放在貴金屬鉑、鈀等的鹽溶液中 ,充分浸漬后取出烘干。 除此之外 ,也可以將貴金屬觸媒粉體與氧化鋁、氧化硅等載體充分混合后配成膏狀 ,涂覆在鉑絲繞成的線圈上 ,直接燒成后備用。并且 ,也應(yīng)涂覆氧化鋁或者氧化硅載體層 ,只是無(wú)須浸漬貴金屬鹽溶液或者混入貴金屬觸媒粉體 ,形成觸媒層而已。其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高，穩(wěn)定性好、信號(hào)處理容易等優(yōu)點(diǎn)。 圖 3 1 氣敏元件結(jié)構(gòu) 11 MQ5 介紹 工作原理： 電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器氣敏元件的敏感部分是金屬氧化物微結(jié)晶粒子燒結(jié)體，當(dāng)它的表面吸附有被測(cè)氣體時(shí)，半導(dǎo)體微結(jié)晶粒子接觸介面的導(dǎo)電電子比例就會(huì)發(fā)生變化，從而使氣敏元件的電阻值隨被測(cè)氣體的濃度改變而變化。 加熱電壓（ Vh） AC 或 DC 5177。圖中縱坐標(biāo)為傳感器的電阻比（ Rs/Ro），橫坐標(biāo)為氣體濃度。圖中所有測(cè)試都是在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下完成的。圖中縱坐標(biāo)是傳感器的電阻比（ Rs/Ro）。 Ro 表示在含 1000ppm 丙烷、 20℃ /65%RH 環(huán)境條件 下 傳感器 的電阻值。 2） 加熱電壓的改變會(huì)直接影響元件的性能 ,所以在規(guī)定的電壓范圍內(nèi)使用為佳 。脫離標(biāo)定氣體 1000ppm C4 H1030秒鐘以內(nèi)負(fù)載電阻兩端的電壓下降到 (Vdg Va)差值的 80%(即恢復(fù)時(shí)間 )。 使用條件 :溫度 15~35℃ 。大氣壓力 80~106KPa 環(huán)境溫濕度的變化會(huì)給元件電阻帶來(lái)小的影響 ,當(dāng)元件在精密儀器上使用時(shí) ,應(yīng)進(jìn)行溫濕度補(bǔ)償 ,最簡(jiǎn)便的方法是采用熱敏電阻補(bǔ)償之 。 元件六腳位置可與電子管七角管座匹配使用 。 結(jié)構(gòu)圖為圖 37。封裝好的氣敏圖 3 4 MQ5 結(jié)構(gòu)圖 圖 3 3 MQ5 外觀 15 元件有 6 個(gè)管腳，其中 4 個(gè)用于信號(hào)取出， 2 個(gè)用于提供加熱電流。其中 HH 表示加熱極（如 5V）， AA、 BB 傳感器表示 敏感元件的 2 個(gè)極， 圖③中“ V”為傳感器的工作電壓，同時(shí)也是加熱電壓。 加熱電壓取交直流 5V 均可。 熱阻體式氣體傳感器原理 熱阻式（ 熱電堆 式熱流傳感器或稱溫度梯度型熱流傳感器）是應(yīng)用最普遍的一類熱流傳感器。 只要知道熱阻層的厚度 ΔX，導(dǎo)熱系數(shù) λ，通過(guò)測(cè)到的溫差 ΔT 就可以知道通過(guò)的熱流密度。E (39) 式中： Kr 為熱流傳感器的分辨率， W/(㎡ Kr 數(shù)值越小則熱流傳感器越靈敏，其倒數(shù)被稱為熱流傳感器的靈敏度 Ks（ Ks=1/Kr）。 熱電堆 是熱阻式熱流傳感器的核心元件，也是其他輻射式熱流傳感器的核心元件。 并行比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器 1. 并行比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器的電路 原理圖 3 位并行比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器原理電路圖如圖 39，它由電阻分壓器、電源比較器、寄存器及編碼器組成 17 2. 工作原理 圖中 的 8 個(gè)電阻將參考電壓 VREF 分成 8 個(gè)等級(jí)，其中 7 個(gè)等級(jí)的電壓分別作為 7個(gè)比較器 C1C7 的參考電壓，其數(shù)值分別為 VREF/1 3VREF/15…、 13VREF/15。比較器的輸出狀態(tài)由 D 觸發(fā)器存儲(chǔ)，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出 。 設(shè) v1 變化范圍是 0VREF，輸出 3 位數(shù)字量為 D2D1D0， 3 位并行比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入、輸出關(guān)系如表 所示 圖 39 3 位并行比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器原理 18 模擬輸入量 比較器輸出狀態(tài) 數(shù)字輸出 Co1 Co2 Co3 Co4 Co5 Co6 Co7 D2 D1 D0 0≤ v1VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 VREF/15 ≤ v13 VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 3 VREF ≤ v15 VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 5 VREF≤ V17 VREF 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 7 VREF/15 ≤V19 VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 9 VREF/15 ≤V111 VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 11 VREF/15 ≤V113 VREF/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 13 VREF≤ V1 VREF 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3. 特點(diǎn) （ 1） 由于轉(zhuǎn)換是并行的，其轉(zhuǎn)換時(shí)間只受比較器、觸發(fā)器和編碼電路延遲時(shí)間的限制，因此轉(zhuǎn)換速度最快。一個(gè) n 位轉(zhuǎn)換器，所用比較器的個(gè)數(shù)為 2n1，如 8 位的并行 A/D 轉(zhuǎn)換器就需要 281=255 個(gè)比較器。 （ 3）精度取決于分壓網(wǎng)絡(luò)和比較電路。 4. 改進(jìn)方法 為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取分級(jí)并行轉(zhuǎn)換的方法。圖中模擬信號(hào) V1，經(jīng)取樣 保持電路后分兩路，一表 33 3 位并行比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入、輸出關(guān)系 19 路先經(jīng)第一級(jí) 5 位并行 A/D 轉(zhuǎn)換進(jìn)行粗轉(zhuǎn)換得到輸出數(shù)字量的高 5 位，另一路送至減法器，與高 5 位 D/A 轉(zhuǎn)換得到的模擬電壓相減。這種方法雖然在速度上作了犧牲，卻使元件數(shù)大為減少，在需要兼顧分辨率和速度的情況下常被采用。逐次逼近轉(zhuǎn)換過(guò)程與用天平稱物重非常相似（天平稱重的過(guò)程是，從最重的砝碼開(kāi)始試放，與被稱物體進(jìn)行比較，若物體重于砝碼，則該砝碼保留，否則移去。照 此一直加到最小一個(gè)砝碼為止。逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)