于春雨，潘春鶴，于曉霞，張光臻

（哈爾濱理工大學測控技術與儀器省高校重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150080）

0 引言

在煤炭開采過程中，事故時有發(fā)生。這些事故中，尤以瓦斯爆炸造成的損失最大，每年的事故統(tǒng)計結(jié)果表明，有70%左右的特大事故源于瓦斯爆炸，瓦斯已成為煤礦危害之王［1］。為此，國家把“重特大事故大幅度減少”作為煤礦安全生產(chǎn)“十二五”規(guī)劃目標，并且一直堅持“安全第一、預防為主”的原則。瓦斯探測器用于煤礦井下、地下管道、隧道等地下工程周圍空氣環(huán)境中的瓦斯?jié)舛葯z測和超限報警，從而預防此類事故的發(fā)生。為此，瓦斯探測器的研究重點是如何克服零點漂移、提高穩(wěn)定性［2］。目前廣泛使用的瓦斯探測器所采用的零點校正技術主要有2種，一種是基于軟件的零點校正技術;另一種是軟件與硬件相結(jié)合的零點校正技術［3］。以上2種方法的缺點是軟件成本的增加。針對以上問題，本文提出了基于恒溫控制電路的零點漂移自動校正技術，該方法以較低的成本實現(xiàn)了瓦斯探測器的定時自動調(diào)零點。

1 催化燃燒傳感器的零點漂移

催化燃燒法是檢測瓦斯氣體的一種重要的方法［4，5］。催化傳感器長期以來一直采用的檢測方法為電橋檢測。即催化敏感元件r1，補償元件r2，電阻R1，R2組成惠斯頓電橋。如圖1所示。其基本原理是，電流流過催化敏感元件r1時，使其溫度為500℃左右，瓦斯接觸催化元件表面會發(fā)生氧化反應，使催化敏感元件r1溫度升高，阻值增大，電橋輸出的不平衡電壓即反映被測瓦斯的濃度。但是這種傳統(tǒng)檢測方法存在檢測范圍小、響應速度慢、傳感器使用壽命短等問題［6，7］。

圖1 催化傳感器惠斯頓電橋示意圖Fig 1 Wheatstone bridge diagram of catalytic sensor

催化傳感器的以上問題，靠傳感器本身的制作工藝是無法解決的，而采用新的檢測方法，使催化傳感器在檢測可燃氣體時始終工作在恒溫狀態(tài)，敏感元件的物理特性保持不變，從而從根本上解決上述問題。

影響瓦斯探測器精度的另外一個重要因素是零點漂移。催化傳感器零點漂移是指:在正常大氣條件下，催化傳感器的零點輸出值隨時間的緩慢變化［8］。零漂與正常信號發(fā)生疊加，不僅影響測量精度，而且可能導致瓦斯探測器的誤報和漏報。因此，減小或消除零漂對提高催化傳感器的檢測可靠性有非常重要的意義。

產(chǎn)生零漂的主要因素是工作環(huán)境干擾，其主要是溫度的影響;其次由于催化傳感器在高溫的條件下載體顆粒、鉑絲等物理特性發(fā)生了變化［9，10］，催化傳感器基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。零漂是隨機誤差是不可避免的［11］。

圖2 催化傳感器基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2 Basic structure diagram of catalytic sensor

2 自動零點校正方案

在純凈大氣條件下，催化傳感器輸出信號應為零，此時如果發(fā)生零點漂移，完全可以進行簡單的信號處理，即輸出信號減去零漂值即可。但是在有可燃氣體環(huán)境中，零漂信號與檢測信號混為一體難以區(qū)別。

本文提出的零點校正的基本思想是通過恒溫控制電路使催化燃燒式傳感器工作在較低溫狀態(tài)，使之不與氣體發(fā)生反應，這時的輸出電壓可以認為是低溫時傳感器的零點漂移，然后根據(jù)一定的比例關系算出正常工作溫度下的零點漂移。綜合上述思路以及實驗結(jié)果得到如下關系式

式中VL為零點漂移，VC為參比元件上的電壓，VL'為低溫時傳感器的零點漂移，VC'為低溫時參比元件上的電壓。所以，零點漂移為

3 電路設計

依據(jù)上述分析設計的瓦斯探測器硬件框圖如圖3所示。

圖3 硬件設計框圖Fig 3 Block diagram of hardware design

測試電路主要由參考電壓電路、恒溫控制電路、氣敏元件、放大電路、調(diào)零電路以及單片機系統(tǒng)等部分組成。

首先通過控制電路對氣體傳感器進行調(diào)零和恒溫控制。控制電路由單片機提供信號。氣體傳感器的信號經(jīng)過放大處理和脈寬調(diào)制處理送入單片機。根據(jù)標準氣體標定時的模擬電路輸出電壓，可以得到氣體濃度和輸出電壓的關系，由此就可以準確的探測出瓦斯氣體在每一個濃度變化下的測量值。

本文主要闡述傳感器恒溫控制電路、調(diào)零電路及放大電路的設計。

3.1 恒溫控制電路

恒溫控制電路原理框圖如圖4所示。其基本原理是:當外部條件改變使傳感器上的溫度高于（低于）預設溫度時，通過反饋環(huán)節(jié)降低傳感器上的電壓使傳感器溫度降低（升高）。即當瓦斯在敏感元件表面發(fā)生氧化放熱反應，使催化傳感元件的溫度升高，阻值增大，電橋輸出不平衡，這種不平衡經(jīng)由反饋電路反饋至恒溫控制電路，恒溫控制電路控制流經(jīng)電橋的電流下降，使敏感元件溫度下降，阻值減小，直到電橋重新恢復平衡狀態(tài)。

這種負反饋由一個運放組成的比較器來實現(xiàn)，由于運放的輸出能力較小，所以，在運放的輸出端用了一個達林頓管來增強電流輸出能力。

圖4 檢測電路組成框圖Fig 4 Block diagram of composition of detecting circuit

3.2 調(diào)零電路

零點設置不當會使測量電路的輸出在A/D的轉(zhuǎn)換范圍之外，因此，調(diào)零電路是不可或缺的。目前，調(diào)零電路多采用專用芯片的數(shù)字電位器，這種芯片與MCU的接口一般為I2C或SPI，位數(shù)在5位到10位之間。使用這種芯片的優(yōu)點是調(diào)節(jié)精確。缺點是價格較高，需要占用通信接口，軟件開銷增加。本文采用模擬開關芯片CD4051配合電阻網(wǎng)絡設計了數(shù)字電位器，使得探測器成本降低，如圖5所示。圖5中MCU的 P15，P16，P17接到4051芯片A，B，C端，在MCU的控制下芯片會自動使不同通道導通。4051的COM口與電橋電路B點相連，這樣就使電阻R1～R9中的1個電阻或多個電阻串聯(lián)后與R11并聯(lián)。從而控制B點電位。這樣就能通過P15，P16，P17電平的變化控制B點電位。當瓦斯通過氣敏元件時，會使R10阻值發(fā)生變化，A點電位也隨之變化。

圖5 調(diào)零電路設計圖Fig 5 Design diagram of zero-adjusting circuit

調(diào)零時不需要調(diào)到絕對零電位，只需根據(jù)實際使用的敏感元件和參比元件可能出現(xiàn)的最大差值，選擇合適的R1～R9阻值，即可以完成所需的調(diào)零工作。

4 測試與結(jié)果分析

催化傳感器零點漂移隨時間增加，要觀察到非常明顯的零點漂移現(xiàn)象需要很長時間。本實驗通過人為較大預置零漂，再采用上述方法進行零點校準，減少了實驗周期。表1是5只傳感器的實驗數(shù)據(jù)，從中可以看出:1號傳感器的校準后的零點殘留偏差為校準前的1.5%，2號傳感器的校準后的零點殘留偏差為校準前的2.1%，3號傳感器的校準后的零點殘留偏差為校準前的1.9%，4號傳感器的校準后的零點殘留偏差為校準前的10.8%，5號傳感器的校準后的零點殘留偏差為校準前的19.4%。據(jù)實驗結(jié)果分析證明式（2）得到的結(jié)果與測量結(jié)果接近，校準后的殘留偏差與未經(jīng)校準的輸出值相比減少了近1個數(shù)量級。

表1 傳感器校準實驗數(shù)據(jù)Tab 1 Calibration experiment data of sensor

5 結(jié)論

通過自動零點校正的理論分析和樣機的驗證，基于恒溫檢測電路的定時自動零點校正技術很好地解決了催化傳感器工作壽命和穩(wěn)定性的問題。該技術采用比較簡單的原理實現(xiàn)了提高測量精度的目的。采用模擬開關配合電阻網(wǎng)絡代替數(shù)字電位器，降低了成本。同時免除了手動校準，減少了維護成本。

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