礦用一氧化氮傳感器研究與設計

【摘要】分析了電化學一氧化氮傳感元件的反應機理，提出了一種礦用一氧化氮傳感器的設計方案。該傳感器以C8051F021單片機為核心，將一氧化氮傳感元件輸出的信號進行采集、補償處理后通過LED數碼管顯示，并通過RS485或頻率的方式實時傳輸到煤礦井下監控分站。該傳感器目前已廣泛應用于非煤礦安全監測監控系統中。現場應用證明，該傳感器測量精度高、穩定可靠、抗干擾能力強。

【關鍵詞】一氧化氮傳感器；信號處理；溫度補償

1.引言

隨著礦井安全以人為本思想的不斷深化，工人的健康問題、安全問題逐漸引起人們的關注。近年來礦井生產過程中對有毒氣體的監測越來越引起礦方的重視。礦井下一氧化氮（NO）是有毒氣體之一，主要損害呼吸道。吸入初期僅有輕微的眼及呼吸道刺激癥狀，如咽部不適、干咳等。常經數小時至十幾小時或更長時間潛伏期后發生遲發性肺水腫、成人呼吸窘迫綜合征，出現胸悶、呼吸窘迫、咳嗽、咯泡沫痰、紫紺等，可并發氣胸及縱隔氣腫。肺水腫消退后兩周左右可出現遲發性阻塞性細支氣管炎。一氧化氮濃度高可致高鐵血紅蛋白血癥[1]。因此，一氧化氮氣體嚴重危害井下人員的身體健康，而且影響礦井生產安全，對井下一氧化氮氣體的實時監測具有必要性。為此，本文采用電化學原理檢測技術，提出了一種礦用一氧化氮傳感器設計方案。

2.電化學一氧化氮傳感元件原理分析

圖1為三電極電化學一氧化氮傳感元件示意圖，該傳感元件由參考電極、感應電極和負電極組成。工作時，在感應電極上保持一個恒定的偏壓，當一氧化氮氣體通過擴散柵欄進入傳感元件時，一氧化氮的總反應方程為：

（1）

通過以上反應可以看出，在感應電極與負電極上分別產生了正負電子，正負電子在電場的作用下會形成電流，根據菲克擴散定律，感應電極與負電極之間電流I的大小為：

（2）

式（2）中的n（轉移電子數）、F（法拉第常數）、A（擴散面的面積）、D（擴散系數）及δ（擴散層厚度）均為常數，所以電解電流I與一氧化氮的濃度C成正比，因此只要檢測出電流I的大小即可反推出一氧化氮的實際濃度C。

3.系統硬件設計

本傳感器以C8051F021單片機為核心，由一氧化氮傳感元件取樣信號放大電路、紅外接收電路、LED數碼管顯示電路、RS485/頻率通信電路、聲光報警電路等部分組成，系統原理框圖如圖2所示。

3.1 一氧化氮傳感元件信號處理模塊

一氧化氮探頭采用英國City公司生產的4系列三電極傳感元件。由于一氧化氮傳感元件輸出的是nA級別的電流信號，在檢測時首先需對電流信號取樣，再將電流信號轉換為電壓信號，最后通過運算放大電路對微弱的電壓信號放大，供單片機C8051F021模擬ADC采集，得到感應電極與負電極之間電流信號大小[2]。圖3為一氧化氮傳感元件信號處理電路，通過IC1提供偏壓，保證了參考電極上無電流通過，IC2運放將電流信號轉換成電壓信號并放大。由于電流信號小，需選擇偏置電流小的運放，如OP-77系列運放。為了延長探頭使用壽命，沒有上電時參考電極和感應電極需要短接。用一個場效應管將感應電極和參考電極相連，探頭上電工作時場效應管再斷開。為了避免傳感器上電很長的一個穩定時間，可以通過電池對傳感器提供一個偏壓。

3.2 RS485通信模塊設計

RS485通信模塊采用Maxim（美信）公司的MAX3072接口芯片，MAX3072采用平衡驅動器和差分接收器組合方式，抗共模干擾能力增強。RS485通訊采用半雙工工作模式。圖4為選用的RS485通信電路，當W/R為邏輯低電平時，傳感器處于接收狀態，出現在差分傳輸線上的信號將經過MAX3072轉化為邏輯電平，輸出至單片機C8051F021的接收腳RX0，當W/R為邏輯高時，傳感器RS485通訊處于發送狀態。在本電路中，對RS485電路進行了多級保護處理，包括使用限流電路、TVS管及共模線圈等措施，能有效預防雷電毀壞和靜電干擾。

3.3 頻率輸出模塊

本傳感器和監控分站之間除了采用RS485通訊方式，也運用了頻率傳輸的方式實現通訊。圖5為頻率輸出電路。為了增加傳輸距離，減小頻率信號的衰減，保證信號在負載電阻為1.5kΩ時，高電平大于3V，低電平小于0.5V，供電電源選擇傳感器輸入電源供電，供電范圍為9～24.5V，而不選擇單片機供電電壓5V或3.3V。頻率輸出為三極管集電極開漏輸出，這樣頻率信號對線間電容沖放電時間更短、傳輸得更遠。圖5中電阻R1、三極管V1構成限流回路，保護三極管V2不被損壞。

3.4 顯示模塊

為了較好的實現人機界面，本傳感器采用4位LED數碼管進行顯示。LED數碼管顯示器是嵌入式系統常用的人機交互設備，本傳感器顯示主要采用軟件譯碼、動態掃描的控制方式。

3.5 接收配置模塊

本傳感器采用紅外遙控方法完成傳感器配置，所采用的紅外接收管為HS0038B3V，其特點為體積小、抗光和電的干擾性強，輸出信號沒有突變，上電初始化時間短（約200μs）等。HS0038B3V可接收來自任何38kHz調制遙控器的信號，周期約26μs，同時能對信號進行放大、檢波、整形，得到TTL電平的編碼信號送入C8051F021單片機進行解碼。

4.一氧化氮傳感器軟件設計

4.1 軟件設計

一氧化氮傳感器軟件采用C語言模塊化設計，主要包括一氧化氮傳感元件信號處理、溫度采集、溫度補償處理、調零和調精度等參數設置、顯示輸出等，軟件運行流程如圖6所示。為了使操作簡單，該傳感器調零點、調線性、報警點等參數均采用紅外遙控控制。軟件調整具體思路：在新鮮空氣中，C8051F021單片機將當前的A/D采樣值作為零點偏移存入內部FLASH，再通入標準一氧化氮氣體，調整遙控器使其顯示為標稱氣體值，C8051F021單片機求出調校斜率，此后再按退出鍵退出，系統即完成標校。

4.2 溫度補償

電化學傳感元件的輸出會隨溫度變化而微弱變化[3]，因此對電化學一氧化氮傳感器進行溫度補償關鍵是得出不同溫度下輸出信號變化關系。圖7為通過實驗得出的一氧化氮傳感元件輸出信號量隨溫度的變化情況。設傳感器在20oC時每10-6一氧化氮氣體輸出的反應信號為100%，則溫度在-20～50oC的每10-6一氧化氮氣體輸出的反應信號變化范圍為90%～104.4%。

在煤礦應用中如果不增加溫度補償，誤差會比較大，將采集的當前溫度與標校溫度（20℃）相除作為溫度補償系數來矯正傳感器信號值，從而實現對一氧化氮傳感器進行補償。具體的補償過程為：通過標校線性時溫度計算出標校溫度時的信號量系數K_T_Save；通過采集當前溫度計算出當前溫度下信號量系數K_T_m；由公式k_temp=K_T_Save/K_T_m求出溫度補償系數k_temp；最后通過K（comp）=K*K_temp修正線性值。溫度補償流程圖如圖8所示。

5.測試分析

為了驗證該一氧化氮傳感器的測量精度，對4臺傳感器進行了常態基本誤差實驗。采用純氮氣進行調零點，采用100×10-6一氧化氮進行標校，標校后在零點、50×10-6、100×10-6、150×10-6、200×10-6等測點進行測試[4]。表1為傳感器在各個測試點的數據。

6.結語

本文設計的一氧化氮傳感器已通過國家檢測中心各項檢驗，并取得安標證，由于該傳感器具有測量精度高、穩定可靠，抗干擾能力強等特點，目前已經在煤礦安全監測監控系統和非煤礦山安全監測監控系統中得到大量應用。

參考文獻

[1]Bonn.Health Aspects of Air Pollution with Particulate Matter，Ozone and Nitrogen Dioxide.2008.

[2]袁友祥，劉佳，要建東.基于C8051F021單片機的多通道氣體監測儀設計[J].石油機械，2011，39（9）：41-43，49.

[3]劉炎，張立斌，蔣澤.具有溫度及壓力補償的礦用紅外甲烷傳感器設計[J].工礦自動化，2012，38（6）：7-10.

[4]陳曉霞.一氧化氮電化學傳感器及其在生物醫學中的應用[J].現代科學儀器，2006（06）.

項目來源：天地（常州）自動化股份有限公司科研基金項目（項目編號：13SY001）。

作者簡介：劉炎，男，湖南衡陽人，工程師，主要從事煤礦自動化技術研究工作。