氣體傳感器技術(shù)在國(guó)家重點(diǎn)支持發(fā)展下有了較快的進(jìn)展，氣體傳感器在工業(yè)生產(chǎn)、家庭安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域起到了越來(lái)越重要的作用。氣體傳感器的工作原理，從瓦斯爆炸的原理、危害入手，分析了氣敏傳感器在預(yù)防煤礦瓦斯爆炸中的重要作用，設(shè)計(jì)了預(yù)防煤礦瓦斯爆炸的報(bào)警電路。
瓦斯爆炸是煤礦安全生產(chǎn)的隱患之一，當(dāng)瓦斯?jié)舛仍?%至16%，氧氣濃度大于12%，遇到火就會(huì)引起爆炸，瓦斯爆炸產(chǎn)生的高溫高壓使爆炸氣體向外沖擊揚(yáng)起大量的煤塵并使之參與爆炸，產(chǎn)生更大的破壞力。瓦斯爆炸造成人員傷亡、器材設(shè)施損毀，給家庭帶來(lái)沉重災(zāi)難，給國(guó)家經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大損失。所以瓦斯爆炸的預(yù)防必須加以重視。
氣體傳感器在工業(yè)安全領(lǐng)域的銷(xiāo)量是大的，產(chǎn)值大約占到60%。其中目前主要使用的是電化學(xué)原理氣體傳感器檢測(cè)氣體濃度。
電化學(xué)傳感技術(shù)始于50年代初。今天，它仍然是檢測(cè)氧氣和有毒氣體流行的一種方法。電化學(xué)氣體傳感器是通過(guò)與被測(cè)氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號(hào)來(lái)工作的。類(lèi)似于其他任何技術(shù)，在使用電化學(xué)傳感器檢測(cè)氣體時(shí)具有靈敏度高，選擇性好，低濃度輸出線(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)。在低溫低濕和高溫高濕的極端環(huán)境下性能表現(xiàn)良好。專(zhuān)業(yè)用于需要測(cè)量分析氧氣及有毒有害氣體的石油化工，環(huán)保煤礦行業(yè)等。
工業(yè)安全的分類(lèi)比較多，凡是有可能產(chǎn)生氣體爆炸、窒息或中毒的場(chǎng)合都會(huì)用到，這些場(chǎng)合包括：煤礦、天然氣、鋼鐵廠、石油開(kāi)采、空氣分離、石油化工、煤化工、氨化工等。?其中煤礦行業(yè)在氣體檢測(cè)報(bào)警方面需求仍舊很高；而煤礦行業(yè)提供的能源主要用作電廠、化工、鋼鐵、運(yùn)輸、鍋爐等行業(yè)，在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中一度占比達(dá)到80%，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，雖然在能源應(yīng)用的占比有所下降，但是需求總量確實(shí)逐年增長(zhǎng)?？梢哉f(shuō)煤炭行業(yè)已經(jīng)深入我們的國(guó)家隊(duì)各行各業(yè)，該行業(yè)主要包括發(fā)電、冶金、制造、鍋爐、運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)等部分。
為保證生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸、使用環(huán)節(jié)的安全，需要對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的瓦斯爆炸、毒性氣體泄漏防爆等危險(xiǎn)氣體進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控。同時(shí)國(guó)家相關(guān)單位制定了相應(yīng)的監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)，并有國(guó)家煤礦安標(biāo)辦及相應(yīng)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的宣貫、和產(chǎn)品驗(yàn)收和檢驗(yàn)。
氣體安全檢測(cè)貫穿燃煤的生產(chǎn)和加工、運(yùn)輸和使用的全過(guò)程，如生產(chǎn)過(guò)程中作業(yè)的瓦斯、一氧化碳（CO）、硫化氫（H2S）、二氧化碳（CO2）、二氧化硫（SO2）、氧氣等的檢測(cè)，煤碳加工中如燒焦工業(yè)、煤氣化-合成氨、煤制合成油、煤化工聯(lián)產(chǎn)等行業(yè)對(duì)二氧化硫、硫化氫、一氧化碳、氯氣、氨氣等氣體的檢測(cè)。
目前針對(duì)煤礦行業(yè)氣體檢測(cè)主要有以下幾種方式：
1.?氧氣和有毒氣體檢測(cè)
主要采用電化學(xué)類(lèi)氣體傳感器，可測(cè)各類(lèi)毒性氣體及氧氣。
安全類(lèi)電化學(xué)氣體傳感器:豐富的氣體傳感器產(chǎn)品線(xiàn)，包括煤礦中常見(jiàn)的氣體檢測(cè)如：CO、SO2、H2S、NO2、NO、CL2、NH3等，每種氣體傳感器都有不同量程不同尺寸選擇。同時(shí)電化學(xué)傳感器具備低功耗、高精度、高靈敏度、線(xiàn)性范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、優(yōu)異的重復(fù)性和穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)。
氧氣傳感器O2-A2：0-30%VOL電化學(xué)原理，常規(guī)氧濃度檢測(cè)，穩(wěn)定性好，電路應(yīng)用簡(jiǎn)易，兩年壽命。常用安全環(huán)境氧濃度檢測(cè)報(bào)警。氧氣傳感器（O2-A2）主要用于測(cè)量環(huán)境中氧氣氣體濃度，根據(jù)測(cè)量范圍的不同和工作壽命的長(zhǎng)短，氧氣傳感器有多個(gè)型號(hào)，比如：長(zhǎng)壽命氧氣傳感器（O2-A3）?、氧氣傳感器（O2-A2）?、氧氣傳感器O2-A1(1年壽命)?、氧氣傳感器O2-G2（小尺寸）?、?氧氣傳感器O2-C2?、氧氣傳感器O2-C3?等。
2.?瓦斯氣體(CH4)甲烷檢測(cè)
煤礦領(lǐng)域主要采用催化元件檢測(cè)瓦斯爆炸下限，目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)品占主流市場(chǎng)，主要測(cè)100%LEL，也有采用熱導(dǎo)元件或紅外原理測(cè)100VOL%。
催化燃燒式甲烷傳感器 (CH4傳感器)CH-A3：0-100LEL%，抗中毒性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、IEC/EX防爆認(rèn)證。常用于石化，礦井下等惡劣場(chǎng)合的可燃?xì)怏w檢測(cè)。
總之電化學(xué)氣體傳感器是一項(xiàng)已使用了多年的成熟技術(shù)，并且將繼續(xù)是氣體檢測(cè)傳感器的基石。英國(guó)Alphasense是一家專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)氣體傳感器的公司，對(duì)每一只傳感器都能提供給100%的追溯數(shù)據(jù)。作為一家完全獨(dú)立的氣體傳感器開(kāi)發(fā)和制造公司，Alphasense已經(jīng)掌握了全面權(quán)威的氣體傳感器技術(shù)。尤其對(duì)于電化學(xué)原理氣體傳感器來(lái)說(shuō)，公司已經(jīng)向諸多知名OEM廠商提供優(yōu)質(zhì)的氧氣及有毒有害氣體電化學(xué)傳感器。傳感器型號(hào)選擇非常豐富。
氣體傳感器的工作原理和分類(lèi)
瓦斯的主要成分是甲烷（CH4），是無(wú)色無(wú)味可燃的氣體，由于當(dāng)中混有一定量的硫氧化物等其他成分，使其具有一定刺激性氣味。自60年代我國(guó)利用氣體在電極上氧化還原反應(yīng)研制出的第一個(gè)氣敏傳感器問(wèn)世，自此后氣體傳感器飛速發(fā)展，安全應(yīng)用于有毒有害氣體和可燃燒氣體泄漏檢測(cè)，環(huán)境檢測(cè)等。
我國(guó)從80年代初開(kāi)始深入研究氣體傳感器，當(dāng)前各國(guó)研究的主要方向是提高氣體傳感器的敏感程度和在惡劣環(huán)境中的工作時(shí)間以及智能化等。
所謂氣體傳感器是將被測(cè)氣體的濃度轉(zhuǎn)換為與其成一定關(guān)系量輸出的裝置或器件。氣體傳感器是化學(xué)傳感器的一大分類(lèi)，氣體傳感器從結(jié)構(gòu)上可分為干式和濕式兩種。干式氣體傳感器是指構(gòu)成氣體傳感器的材料為固體；而利用水溶液或電解液感知待測(cè)氣體的傳感器稱(chēng)為濕式傳感器。氣體傳感器按氣敏特性細(xì)分又可分為半導(dǎo)體氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器、紅外吸收型氣體傳感器、聲波氣體傳感器、高分子氣體傳感器等等。
紅外甲烷傳感器工作原理
紅外甲烷傳感器是利用甲烷3.33μm波長(zhǎng)的紅外光有一極強(qiáng)的吸收峰，而雜質(zhì)氣體中影響較大的水蒸氣和二氧化碳則并無(wú)明顯吸收這個(gè)光譜特性，來(lái)實(shí)現(xiàn)甲烷氣體檢測(cè)。測(cè)量氣體分子的光吸收譜是氣體種類(lèi)辨別和氣體氣分子濃度測(cè)定的有效手段。煤礦紅外甲烷傳感器所采用的光譜氣體傳感器技術(shù)，正是基于甲烷（CH4）分子振動(dòng)/轉(zhuǎn)動(dòng)吸收特征譜或復(fù)合吸收譜線(xiàn)與發(fā)光點(diǎn)源發(fā)射譜間的光譜一致性。當(dāng)紅外光通過(guò)待測(cè)氣體時(shí)，甲烷對(duì)3.33μm波長(zhǎng)的紅外光有一極強(qiáng)的吸收峰，正是這個(gè)光譜特性，實(shí)現(xiàn)了甲烷氣體的檢測(cè)。
紅外甲烷傳感器的技術(shù)創(chuàng)新
紅外甲烷傳感器技術(shù)上的創(chuàng)新，表現(xiàn)在一下幾個(gè)方面。
采用了雙敏感元件， 補(bǔ)償信號(hào)處理， 實(shí)現(xiàn)了0-100全量程甲烷濃度測(cè)試。
以丙綸微孔通氣濾膜作為煤礦紅外甲烷傳感器防塵、防潮保護(hù)膜，很好的解決了煤礦氣體傳感器呼吸防塵防水問(wèn)題。丙綸微孔薄膜是一種特殊的新材料，膜表面0.456cm2有90多億個(gè)微孔，微孔直徑0.2-3μm，即使zui小的粉塵顆粒也難以通過(guò)薄膜。這種材料采用特殊工藝復(fù)合而成，具有極強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性，表面及其光滑，極易清理灰塵，不易老化，透氣性能好，拒油拒水。適用于煤礦高濃度、高濕度的含塵氣體以及高附著性的粉塵環(huán)境。由于多層微孔通氣膜可實(shí)現(xiàn)表面過(guò)濾，粉塵不會(huì)滲透到內(nèi)部，濾網(wǎng)由此還杜絕了堵死現(xiàn)象。
采用了程序升壓方法抑制激勵(lì)光源啟動(dòng)電流時(shí)紅外甲烷傳感器啟動(dòng)電流控制在150mA內(nèi)。將紅外光譜吸收法測(cè)量甲烷濃度，由于電路復(fù)雜，元器件多，主要是發(fā)光器件功耗大，上電時(shí)光源會(huì)呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，系統(tǒng)啟動(dòng)電流大，國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品的啟動(dòng)電流一般不小于250mA，這對(duì)于設(shè)備供電能力提出了更大的要求。我們選擇恒流電源供電方式，來(lái)解決啟動(dòng)電流大問(wèn)題。在上電之前，電源輸出一個(gè)低電壓給發(fā)光元件，使發(fā)光元件的初始電流保持恒定，之后順序升高供電電壓，直到正常供電。實(shí)踐證明，這種方法可有效抑制設(shè)備的啟動(dòng)電流。
采用了自吸氣體交換方法，提高了氣體快速交換速度。白光電源在實(shí)現(xiàn)調(diào)制過(guò)程中，由于電源發(fā)光產(chǎn)生熱量，在周期性開(kāi)關(guān)時(shí)形成氣室內(nèi)氣流的微小震蕩，提高了氣室氣體交互能力。
采用了小型氣室溫度補(bǔ)償方法，提高了設(shè)備溫度使用范圍。溫度對(duì)紅外氣體分析有較大影響，且是復(fù)雜的非線(xiàn)性關(guān)系，必須對(duì)紅外氣體傳感器因溫度變化引起的測(cè)量誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)核正。由于溫度對(duì)紅外氣體分析的影響很難建立機(jī)理模型，必須通過(guò)試驗(yàn)來(lái)取得數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，首先建立特定溫度下甲烷濃度值與紅外甲烷傳感器輸出的濃度電壓之間的數(shù)值關(guān)系，然后再建立溫度與紅外甲烷傳感器輸出的濃度電壓之間的關(guān)系。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)，確定溫度補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型；可有效保證傳感器的測(cè)量精度。
紅外甲烷傳感器采用雙CP控制方式，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，為了提高測(cè)量的精度，必須對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行非線(xiàn)性補(bǔ)償，同時(shí)還要根據(jù)測(cè)量傳感器的溫度環(huán)境進(jìn)行溫度補(bǔ)償。我們采用一個(gè)專(zhuān)門(mén)的DSP進(jìn)行前級(jí)信號(hào)處理，同時(shí)使用一個(gè)獨(dú)立的CP完成報(bào)警、設(shè)定、遙控、輸出等功能，這樣即解決了運(yùn)算量大的問(wèn)題，同時(shí)也使前級(jí)的模擬信號(hào)傳輸距離縮短，避免了模擬信號(hào)傳輸過(guò)程帶來(lái)的干擾。
紅外甲烷傳感器適用于高硫煤礦及其他復(fù)雜氣體含量的煤礦，很好的解決了這些煤礦一直以來(lái)存在的難題。傳統(tǒng)煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)設(shè)備由于其測(cè)量原理的限制，在高硫煤礦幾乎無(wú)法使用，一些高硫煤礦因此不安裝煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)安全生產(chǎn)造成了極大的隱患。紅外甲烷傳感器不受任何氣體的影響，不僅可以在高硫含量的煤礦中使用，也可以在其他更加復(fù)雜的氣體環(huán)境中穩(wěn)定可靠的工作，從根本上解決了復(fù)雜氣體環(huán)境下瓦斯監(jiān)測(cè)的難題。
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