基于氧化鋅氣敏傳感器的礦井氣體無線監測系統

高鐵山 ， 吳 卿

（1.太原理工大學，山西 太原 030000；2.山西省新聞出版廣電局呂梁中波轉播臺,山西 呂梁 033000；3.國家知識產權局專利審查協作北京中心，北京 100000）

0 引 言

煤炭作為我國最主要的能源之一，推動了我國經濟的發展，我國的煤炭開采規模也一直維持在較高的水平。在煤礦開采過程中，會產生大量易燃易爆的瓦斯，其中甲烷氣體是瓦斯最主要的成分。高濃度的甲烷不但危害礦井工人的身體健康，更易引起煤礦井下的爆炸事故。目前，瓦斯事故已經成為影響煤礦安全生產最主要的因素之一，因此，對煤礦甲烷氣體實現有效且準確的實時監測很重要。

目前，用于煤礦易燃易爆氣體檢測的傳感器原理可以分為載體催化燃燒式、熱導式、光干涉式和半導體式等。載體催化燃燒式傳感器的壽命短，穩定性差，往往需要頻繁校正；熱導式傳感器的測量信號很小，只適用于高瓦斯濃度的監測；光干涉式氣體傳感器的系統復雜，維護成本高，受環境影響大；半導體式氣體傳感器利用半導體材料的氧化還原特性，通過測量電阻值的變化實現對氣體含量和種類的檢測，具有靈敏度高，響應快等優點。利用ZnO納米材料對甲烷氣體敏感特性的研究相對較少，且存在靈敏度低，響應-恢復時間慢等諸多問題，因此，開發具有靈敏度高、響應速度快的甲烷氣體傳感器是非常必要的。

在實際應用中，煤礦企業在礦井中較多采用的甲烷傳感器只對濃度超過1.5%甲烷氣體進行監測，傳感器本身體積較大，報警方式多為蜂鳴、LED閃爍燈，無法實現無人監測，且需要工作人員經常維護和矯正，工作量較大。本文利用氧化鋅半導體材料制作了氣體傳感器，同時設計了適用于礦井氣體檢測的小型傳感器系統，實現了實時的氣體濃度檢測，通過采用ZigBee技術，實現了傳感器系統數據的遠程無線傳輸。

1 氧化鋅氣體傳感器

在眾多半導體氧化物材料中，氧化鋅為六方晶系，具有半導體性、壓電性、光電效應等特性，是應用較為廣泛的氣敏材料。由于氧化鋅具有電子遷移率高、化學穩定性好等特點，同時，對多數氧化性和還原性氣體均體現出較好的氣敏特性，基于氧化鋅納米材料的氣體傳感器的研究已經成為熱點[1-2]。

氧化鋅氣體傳感器基于氧化鋅材料與特殊氣體發生接觸時會發生氧化還原反應，從而改變氧化鋅材料電阻值的原理制作。氣體濃度的變化會導致傳感器電阻值發生變化，通過設計電路，將阻值的變化轉換為電壓信號，從而通過電壓信號的測量最終實現對礦井危險環境中甲烷濃度的監測。

如圖1所示，氣敏傳感器主要由陶瓷管及四腳基座構成。將制備好的氧化鋅材料涂抹在陶瓷管上形成薄膜，兩端引出引腳焊接在底座上，用于測量薄膜電阻的變化。加熱絲穿過陶瓷管，連接在底座上的兩腳，用于給陶瓷管加熱，最后封裝制作成小型的氣體傳感器。

2 系統硬件設計

本文所設計的氣體檢測裝置以msp430f149為核心處理芯片，主要由傳感器、信號調理電路、數據采集電路、液晶顯示模塊、電源模塊以及無線通信模塊組成（見圖2）。系統可以通過實時顯示以及無線監測的方式，實現對煤礦井下甲烷氣體的監測[3]。

2.1 傳感器信號調理電路

圖1 氧化鋅氣體傳感器

圖2 氣體監測系統硬件構成圖

傳感器輸出的電壓信號一般都較為微弱，為了能夠達到ad芯片采集信號電壓強度的要求，通常在傳感器和數據采集電路之間需要添加信號調理電路，實現對傳感器微弱信號的放大、共模抑制、阻抗轉換等功能。本文所介紹的信號調理電路采用高準確度低失調電壓運算放大器OP07C，該運算放大器對微弱電壓具有極佳的低噪聲、高準確度放大功效，實現了對傳感器信號的后續幅度放大和隔離。調理電路的電壓放大倍數A=1+RF/R1，在本文設計的電路中（見圖 3），RF為可變電阻，R1阻值為 1kΩ，通過調節可調電阻實現對放大倍數的改變。電路中添加了濾波電路，實現了對噪聲信號的剔除，提高了輸出信號的信噪比[4]。

VCC為傳感器的工作電壓，用來對傳感器的陶瓷管進行加熱，提高氧化鋅薄膜的溫度，且工作電壓與薄膜的溫度成正相關。由于氧化鋅納米材料只有在一定的溫度條件下，才會表現出最佳的氣敏特性，因此需要選擇合適的電壓，從而使氧化鋅材料達到最佳氣敏特性[5]。

圖3 傳感器調理電路圖

2.2 數據采集電路

本文所設計的數據采集電路的核心芯片采用ADS8320，該芯片是德州儀器出品的一款逐次逼近式串行16位微功耗、高準確度的數模轉換芯片。它的線性度為±0.05%，工作電源在2.7～5.25V范圍內，采樣頻率最高可達100 kHz；其差動輸入信號范圍為500mV～VCC（工作電源）；采用8引腳MSOP小體積封裝，使用起來非常方便，以上特點使ADS8320非常適用于便攜式電池供電系統中。在本文所設計的電路中（見圖4），通過430單片機的P1.2口為ADS8320提供了50kHz的時鐘頻率，P1.0口為其提供了片選信號，為芯片提供了3.3V的的供電電壓。

圖4 采集電路圖

2.3 顯示模塊

如圖5所示，本文設計的系統選擇了12864液晶模塊作為顯示器件，這是一種圖形點陣液晶顯示器，主要由行驅動器/列驅動器及128×64全點陣液晶顯示器組成，可完成圖形顯示，也可以完成8×4漢字的顯示。顯示器的電壓采用5V電源，內置-10V電壓作為LCD的驅動電壓，自帶完整的漢字字庫和指令集，操作簡單，可顯示豐富的內容。

圖5 12864液晶顯示模塊電路圖

2.4 電源模塊

考慮到系統的便攜性，本文所設計的系統采用9V的堿性電池為系統供電，由于系統內的各個模塊的工作電壓為5V和3.3V，需要設計電源模塊對9V的電壓進行轉換。常用的電源管理模塊可以分為開關式電源轉換電路、電荷泵以及低壓差線性穩壓器。考慮到效率、噪聲以及便于集成化設計等因素，本文采用了AD公司的ADP3303電源轉換芯片作為電源模塊的主芯片（見圖6）。該芯片具有低電壓監測功能，穩定的輸出能力以及較小的體積，便于減小電路的復雜程度，大大提高系統的集成度。

2.5 無線模塊

圖6 電源模塊電路圖

隨著物聯網技術的發展，無線傳感網絡日益成熟，尤其是ZigBee技術更廣泛的應用于大型的傳感網絡，實現數據遠距離、實時的收發，大大方便了環境監測與系統控制的應用。尤其是煤礦井下危險的環境中，對甲烷這樣對人體有害的氣體進行環境監測，使用無線傳感技術，不但可以更準確實時了解井下各個區域的氣體濃度值，實現全天候、無人值守的監管，而且對煤礦工人的身體安全提供了有力的保障。

ZigBee無線通信協議是近幾年隨著物聯網技術不斷發展和成熟的無線通信方式，其數據傳輸距離可以達到150m，功耗低，且數據傳輸速率完全可以滿足傳感網絡的要求。ZigBee協議物理層兼容IEEE802.15.4協議，可以工作在2.4GHz頻段和896/915MHz頻帶。采用星型網絡拓撲，通過一個主控端實現對多個傳感節點的監控[6]。

如圖7所示，本文所設計的氣體無線監測單元采用了CC2430模塊作為ZigBee節點的硬件電路，該模塊提供了目前國際領先的ZigBee解決方案，內部集成了RF發射機，RF接收機以及一個8051的CPU核心。通過采用CC2430的氣體無線監測單元構成了傳感系統無線節點，通過鏈接天線將數據采集模塊得到的數據發送給主機[7]。

圖7 基于ZigBee的通信模塊

3 試驗測試

本文首先對電路的運行進行了測試，電路采用9V的電池供電，增加了系統的可攜帶性，通電后液晶屏顯示溫度、甲烷濃度等信息，系統電路調試運行正常。

ZnO氣敏材料必須在本身達到一定的溫度時，才會表現出氣敏特性，因此，傳感器在進行氣體測試前，需要先進行一定時間的預熱。當氧化鋅材料的溫度過低，其氧化特性減弱，與待測氣體的反應不充分；而當溫度過高時，氧脫附運動加劇，也會導致傳感器靈敏度的降低。

本文所設計的氣體檢測系統，通過在調理電路中對陶瓷管進行加熱，使得表面的氧化鋅材料達到一定的溫度，進而表現出最佳的氣敏性。因此，在調理電路中，為傳感器設置了工作電壓，用來提高傳感器表面的溫度。

本文采用靜態配氣法，首先選用一個500mL的氣瓶，一個木塞，一個氣體注射器（見圖8）。計算需要配置的氣體濃度，選用2%的標準甲烷氣體進行配置。配置時，首先將ZnO氣體傳感器置于氣瓶內，通過導線引出電壓測量引腳，從瓶中抽取一定體積的氣體，然后通過氣體注射器將等量的2%甲烷氣體注入氣瓶。

圖8 配氣裝置示意圖

本文通過設計實驗，研究了工作電壓與氣敏特性之間的關系。在試驗中，將氣體監測系統中的傳感器部分放置于1%的甲烷氣體環境中，工作電壓分別設置為 2，3，4，5，6V，試驗結果如圖 9 所示。 從試驗結果可以看出來，當工作電壓取5V時，氧化鋅表面的溫度可以使傳感器發揮最大的氣敏特性，可以得到最大的輸出。在后面的實驗中，也將在5V的條件下對不同濃度的甲烷氣體進行測試。

圖9 工作電壓測試圖

為了測試氣體監測系統的準確性、穩定性，將使用該氣體監測系統對體積分數分別為0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%的甲烷氣體進行了測試，圖10為測試傳感器的響應恢復曲線，可以看到，當傳感器接觸到甲烷氣體時，系統的輸出迅速上升，并逐漸達到平衡狀態。當脫去氣體時，系統的輸出恢復到0，說明傳感器系統有很好的重復性。將最高點連接，當甲烷氣體濃度在0.2%～1.0%的范圍內，系統輸出與氣體體積分數之間呈現出很好的線性關系（見圖11）。其擬合曲線為Y=0.54+1.95X，其中X為氣體體積分數，Y為系統輸出電壓。

圖10 傳感器響應恢復曲線

圖11 傳感器響應與氣體濃度線性擬合圖

4 結束語

本文設計了一種基于氧化鋅新型微納傳感器的氣體監測系統，介紹了氧化鋅傳感器，作為氣敏傳感器氧化鋅傳感器具有廣闊應用前景，同時，本文對系統的傳感器調理電路，數據采集電路，顯示模塊電路，電源模塊，無線模塊等電路進行了闡述，通過試驗驗證了氣體監測系統對甲烷氣體濃度的監測效果。結果表明，本系統能對低濃度的甲烷氣體進行監測，對甲烷濃度超標的區域進行預警，實現無人值守的甲烷濃度監測。本系統在未來的應用中可接入煤礦物聯網，對實現煤礦安全生產的綜合監測提供幫助。

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