瓦斯和一氧化碳等可燃危險(xiǎn)氣體的濃度檢測一直是煤礦安全生產(chǎn)重要前提。甲烷是瓦斯的主要成分，也是引起煤礦瓦斯爆炸的主要原因。為了盡可能的減免這一危害，就要求我們能對(duì)這些氣體進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的檢測，從而進(jìn)行有效的控制，這對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有重要的意義。本實(shí)驗(yàn)致力于運(yùn)用電容式傳感器對(duì)氣體濃度測量，并且將電容式電橋用于測量電容的變化，并由此建立數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用此套裝置完成對(duì)甲烷氣體的濃度測量。

瓦斯和一氧化碳等可燃危險(xiǎn)氣體的濃度檢測一直是煤礦安全生產(chǎn)重要前提。甲烷是瓦斯的主要成分，也是引起煤礦瓦斯爆炸的主要原因。近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速的發(fā)展，對(duì)煤炭能源的需求量與日劇增，這就造成了對(duì)煤炭的加大開采，煤礦事故也越來越頻繁，而瓦斯爆炸事故發(fā)生的最多，造成的傷亡也最大。為了能更好的避免礦難事故的發(fā)生，保證國家和礦工的人身安全，礦井中甲烷氣體的檢測就顯的尤為重要[1]。

通常瓦斯爆炸的條件極為苛刻，其必須滿足的基本條件有：1）瓦斯?jié)舛龋和咚沟谋O限是4.9%-15.4%。當(dāng)濃度低于5%時(shí)，遇火不爆炸，但能形成燃燒層。當(dāng)濃度為9.5%是爆炸威力最大。當(dāng)大于16%時(shí)，其失去爆炸性，但是會(huì)在空氣中燃燒;2）瓦斯引火溫度：通常情況下引火溫度在650～750 ℃，但是引火溫度受大氣壓等外界環(huán)境的影響。3）充足的氧氣：當(dāng)空氣中氧氣的濃度低于12%時(shí)，瓦斯即失去爆炸性[2]。但是由于礦井下的生存條件限制，礦井中氧氣的濃度都大于12%。由以上條件我們可以得知，如果我們能很好的檢測瓦斯?jié)舛染湍芗皶r(shí)避免瓦斯爆炸，而瓦斯的主要成分又是甲烷，約占83%- 89% ，所以如果我們可以及時(shí)的檢測到甲烷氣體的濃度，那么我們就可以實(shí)時(shí)的有效控制礦井中環(huán)境條件，同時(shí)也能夠有充足的時(shí)間讓礦工安全撤離，從而將危害降至最低。

而另一種氣體一氧化碳是一種對(duì)人體健康十分有害的空氣污染物?？諝庵械腃O可以來源于家用煤氣不完全燃燒。CO無色無味，并且有劇毒當(dāng)人吸人以后，將與人體血液中的血紅蛋白結(jié)合形成穩(wěn)定的配合物，使血紅蛋白失去輸送氧氣的功能。因此，如何準(zhǔn)確而快速地測定出某一區(qū)域的空氣中的一氧化碳濃度并采取有效的措施已成為當(dāng)務(wù)之急。

目前國內(nèi)外公認(rèn)的測量甲烷濃度的方法，筆者總結(jié)了大約七種。

1.熱催化測量法。

2.氣敏傳感測量法。

3.熱導(dǎo)型測量法。

4.超聲測量法。

5.熒光檢測法。

6.光十涉測法。

7.紅外光譜吸收測量法。

通過分析，我們不難發(fā)現(xiàn)：對(duì)于甲烷、一氧化碳等氣體的測量很難貼近于生活，即我們很難運(yùn)用簡易而有效地方法對(duì)其進(jìn)行定量的測量。本實(shí)驗(yàn)致力于運(yùn)用電容式傳感器對(duì)氣體濃度測量，并且將電容式電橋用于測量電容的變化，并由此建立數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用此套裝置完成對(duì)甲烷氣體的濃度測量。

一、研究內(nèi)容

本次實(shí)驗(yàn)主要是根據(jù)電容式氣敏傳感器對(duì)甲烷、一氧化碳等氣體濃度的敏感性，運(yùn)用電容式電橋電路對(duì)電容值進(jìn)行測量，最終建立濃度與電容值相匹配的數(shù)據(jù)庫。并根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)庫，形成一套成形的系統(tǒng)，運(yùn)用電學(xué)器件對(duì)已知電學(xué)量進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)外界的氣體濃度達(dá)到所欲設(shè)置的臨界值時(shí)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)庫的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將所測得的電容值與該氣體的濃度值進(jìn)行匹配。最終通過預(yù)設(shè)程序，起到報(bào)警的作用。

整套裝置示意圖如下：（圖略）

二、操作方法

如上圖所示：當(dāng)我們?cè)谶M(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將進(jìn)氣孔的氣閥打開（預(yù)沒該玻璃槽的體積為1500ml左右），關(guān)閉出氣孔 的氣閥。當(dāng)我們需要對(duì)具體濃度的氣體進(jìn)行測驗(yàn)時(shí)，只需先計(jì)算他們與空氣混合的濃度比，充人相適應(yīng)量的氣體后，打開小風(fēng)扇，將其盡快混合均勻，然后根據(jù)電容式電橋的各項(xiàng)電學(xué)量值，并記下相應(yīng)的溫度與濕度。最后打開出氣孔的氣閥，使其與外界平衡后再進(jìn)行下一步測量。不斷選取適當(dāng)濃度差的濃度值，最后得卅數(shù)據(jù)表。當(dāng)我們需要查找數(shù)據(jù)時(shí)，可根據(jù)分段插值的方法進(jìn)行求解。所謂的分段差值法就是利用函數(shù)f（x）在某區(qū)間中插入若十點(diǎn)的函數(shù)值，作出適當(dāng)?shù)奶囟ê瘮?shù)，在這些點(diǎn)上取已知值，在區(qū)間的其他點(diǎn)上用這特定函數(shù)的值作為函數(shù)f（x）的近似值。

當(dāng)我們得到數(shù)據(jù)庫后，即可在上述裝置的電橋裝置上加上外界信號(hào)處理裝置，利用已知的礦井中甲烷的臨界濃度為我們的臨界濃度時(shí)（或生活中煤氣泄漏的臨界濃度值），編輯報(bào)警程序，最后安裝即可。

三、技術(shù)路線

1）電路設(shè)計(jì)方面：采用電容式電橋電路。

圖4、電容電橋示意圖（略）

由此可知，要使電橋達(dá)到平衡，必須同時(shí)滿足上面兩個(gè)條件，因此至少調(diào)節(jié)兩個(gè)參數(shù)。如果改變Rn和Cn，便可以單獨(dú)調(diào)節(jié)互不影響地使電容電橋達(dá)到平衡。本次試驗(yàn)中Cn是固定的，因此Cn不能連接可變，這時(shí)我們可以調(diào)節(jié)Ra/Rb比值使式（4）得到滿足，但調(diào)節(jié)Ra/Rb的比值時(shí)又影響到式（3）的平衡。因此要使電橋同時(shí)滿足兩個(gè)平衡條件，必須對(duì)Rn和Ra/Rb等參數(shù)反復(fù)調(diào)節(jié)才能實(shí)現(xiàn)，因此使用交流電橋時(shí)，必須通過實(shí)際操作取得經(jīng)驗(yàn)，才能迅速獲得電橋的平衡。通過已知的精確電容值來測量未知電容值，保護(hù)了工作電路，減小了直接測試被測電容時(shí)導(dǎo)致的誤差。

2）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面：整套實(shí)驗(yàn)裝置中運(yùn)用平行板電容器的計(jì)算公長方形極板面積，D為為兩極板間距離。因此在設(shè)計(jì)平行板電容器時(shí)，可以根據(jù)電容式電橋測量的靈敏度而設(shè)計(jì)長方形極板的面積以及兩極板對(duì)應(yīng)間距D，力求做到理論與實(shí)際相符。在操作過程中，采用將氣體混合的方式，減少了被測氣體因與外界接觸而使?jié)舛冉档蛶淼恼`差。在建立數(shù)據(jù)庫的過程中，采用分項(xiàng)列表的方法，選取適當(dāng)?shù)拈g距，這樣為后面采用分段插值的方法求得未知濃度對(duì)應(yīng)電學(xué)量值提供了方便。

3）報(bào)警設(shè)計(jì)方面：本次實(shí)驗(yàn)報(bào)警裝置主要根據(jù)上述過程中所測得的數(shù)據(jù)庫，利用已知的礦井中甲烷的臨界濃度為我們的臨界濃度時(shí)（或生活中煤氣泄漏的臨界濃度值），設(shè)計(jì)報(bào)警的程序，當(dāng)輸入臨界濃度后，報(bào)警器可以根據(jù)外部測得的數(shù)據(jù)而進(jìn)行預(yù)警作用。