李花,姜維,劉曉東，費繼友，曲春蕾

(大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

在煤礦開采過程中，煤層爆破、礦井火災(zāi)、煤塵瓦斯爆炸等事故會釋放出大量CO氣體.CO作為一種有毒氣體，與人體內(nèi)血紅蛋白結(jié)合，會造成中毒，對煤礦工人生命健康造成威脅.國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，礦井下CO最高允許濃度不超過0.0024%.因此對CO氣體進(jìn)行監(jiān)測非常必要.用于CO氣體濃度檢測的半導(dǎo)體傳感器MQ7，隨著環(huán)境溫濕度變化以及環(huán)境中H2濃度變化，其測量結(jié)果會產(chǎn)生偏差[2]，基于MQ7敏感材料特性，H2會對MQ7傳感器測量結(jié)果產(chǎn)生正交叉干擾[3]，干擾系數(shù)達(dá)到60%[4].故必須對MQ7測量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，才能夠保證在各種環(huán)境條件下正常測量.

1 檢測CO氣體濃度原理

MQ7所使用的敏感材料是在潔凈空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)，隨著環(huán)境中被測氣體濃度增加，敏感體電阻減小，導(dǎo)致輸出電壓增大，通過檢測輸出電壓信號，計算環(huán)境中CO濃度值[5].

由于SnO2對多種可燃性氣體敏感并且易受環(huán)境溫濕度變化影響，其測量結(jié)果會隨著環(huán)境中可燃性氣體濃度變化以及溫濕度變化而造成誤差[6-7].大分子可燃性氣體可通過物理方法篩除從而減少對MQ7傳感器測量結(jié)果的影響.H2分子體積小，很難用這種方法消除H2對MQ7傳感器測量結(jié)果的干擾[8]，故提出一種基于最小二乘法的補(bǔ)償算法，消除環(huán)境中氫氣濃度變化與溫濕度變化帶來的測量誤差，提高M(jìn)Q7傳感器的測量準(zhǔn)確度及泛用性.

1.1 MQ7傳感器測量結(jié)果溫濕度補(bǔ)償

補(bǔ)償?shù)幕舅悸肥牵悍治霾⒄页鰷y量系統(tǒng)靜態(tài)輸入輸出特性隨溫濕度及H2濃度變化的規(guī)律，當(dāng)檢測出測量系統(tǒng)當(dāng)前的工作溫濕度以及環(huán)境中H2濃度時，即可確定當(dāng)前的輸入輸出特性，并且按照該特性進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而可以避免溫濕度及H2濃度變化的影響[9].

1.1.1 MQ7傳感器初始標(biāo)定

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境下(20℃，55%RH)MQ7的CO濃度與輸出電壓特性曲線，選取標(biāo)定采樣點，采樣點的選擇參照國家標(biāo)準(zhǔn).采用最小二乘算法對采樣點進(jìn)行擬合，得到CO濃度與輸出電壓三次多項式函數(shù)，如式(1)：

C(CO)=207.3U3-2 095U2+7 068U-7 085

(1)

式中,U為MQ7輸出電壓值，C(CO)為未補(bǔ)償CO濃度值.

標(biāo)定結(jié)果如圖1，相關(guān)系數(shù)R為0.986 8.

圖1 CO氣體濃度與電壓關(guān)系曲線

1.1.2 溫濕度補(bǔ)償

MQ7的材料特性導(dǎo)致其在不同溫濕度的環(huán)境下，輸出結(jié)果受到影響，需要對其測量結(jié)果進(jìn)行溫濕度補(bǔ)償，使傳感器在非標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境下也能得到準(zhǔn)確結(jié)果.

MQ7溫濕度特征曲線反映傳感器電阻比與環(huán)境溫濕度之間的關(guān)系，RS表示在含150×10-6mol/L CO，不同溫濕度下傳感器電阻值，RS0表示在含150×10-6mol/L CO，20℃，55%RH標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下傳感器電阻值.MQ7溫濕度特征曲線如圖2所示.

圖2 MQ-7溫濕度特征曲線

根據(jù)MQ7溫濕度特征曲線，選取標(biāo)準(zhǔn)濕度(55%RH)條件下的采樣點，采用最小二乘算法擬合出溫度與電阻比RS/RS0之間的函數(shù)關(guān)系，如公式(2)：

(2)

式中,T為環(huán)境溫度，f(T)為溫度補(bǔ)償系數(shù).

擬合結(jié)果如圖3，相關(guān)系數(shù)R為0.9996.

圖3 MQ7溫度與電阻比關(guān)系曲線

根據(jù)MQ7溫濕度特征曲線，選取標(biāo)準(zhǔn)溫度(20℃)條件下的采樣點，采用最小二乘算法擬合出濕度與標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下電阻比RS/RS0之間的函數(shù)關(guān)系，如式(3)

(3)

式中,H為環(huán)境濕度，f(H)為濕度補(bǔ)償系數(shù).

擬合結(jié)果如圖4，相關(guān)系數(shù)R為0.983 3.

圖4 MQ-7濕度與電阻比關(guān)系曲線

通過溫濕度補(bǔ)償系數(shù)對CO濃度進(jìn)行補(bǔ)償，得到溫濕度補(bǔ)償后的CO濃度值：

C1=C(CO)×f(T)×f(H)

(4)

式中,C1為溫濕度補(bǔ)償后的CO濃度值.

1.2 MQ7傳感器H2補(bǔ)償

MQ7所使用的敏感材料SnO2對H2也會產(chǎn)生響應(yīng)，使用MQ7檢測CO濃度時，若混有H2，其檢測無法反映CO真實濃度，需要檢測H2濃度，并對MQ7傳感器測量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償.

H2補(bǔ)償?shù)幕驹硎牵焊鶕?jù)MQ7典型氣體敏感特性曲線計算H2干擾程度，從而對由H2造成干擾部分的測量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，采用型號為MQ8的半導(dǎo)體傳感器檢測環(huán)境中H2濃度，MQ8裝有致密分子篩，對H2有高選擇性[10].

1.2.1 MQ8傳感器初始標(biāo)定

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境下為(20℃，55%RH)MQ8的H2濃度與輸出電壓關(guān)系曲線，可由MQ8輸出電壓計算出環(huán)境中H2濃度.

根據(jù)MQ8的H2濃度與輸出電壓關(guān)系曲線選取采樣點擬合出環(huán)境中H2濃度與MQ8輸出電壓關(guān)系，由于空氣中H2濃度超過4%會有爆炸危險，故采樣點的選取也應(yīng)遵循規(guī)程.MQ8的H2濃度與輸出電壓三次多項式函數(shù)如式(5)

(5)

式中,U為MQ8輸出電壓值，C(H2)為H2濃度值.

擬合結(jié)果如圖5，相關(guān)系數(shù)R為0.9828.

圖5 MQ-8 H2濃度與輸出電壓關(guān)系曲線

1.2.2 H2補(bǔ)償

由于MQ7同時對CO以及H2產(chǎn)生輸出響應(yīng)，故需要計算H2對MQ7干擾程度，找到H2濃度與MQ7輸出特性的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而對MQ7進(jìn)行H2補(bǔ)償.圖6為MQ7敏感氣體特性曲線.

圖6 MQ-7 敏感氣體特性曲線

由圖6可知，H2濃度在100×10-6mol/L以下時對MQ7輸出不造成干擾，故H2濃度在100×10-6mol/L以下時不進(jìn)行H2補(bǔ)償.

根據(jù)MQ7敏感氣體特性曲線，可以得出H2濃度與電阻比RS/RS0之間的函數(shù)關(guān)系，其函數(shù)關(guān)系為冪函數(shù)，擬合結(jié)果如下：

(12)

式中C(H2)為環(huán)境中H2濃度，f(H2)為H2補(bǔ)償系數(shù).

擬合結(jié)果如圖7，相關(guān)系數(shù)R為0.998 2.

圖7 MQ-8 H2濃度與電阻比關(guān)系曲線

對溫濕度補(bǔ)償后的CO濃度值進(jìn)行補(bǔ)償，得到H2補(bǔ)償后的CO濃度值：

C2=C1×f(H2)

(6)

式中,C2為H2補(bǔ)償后的CO濃度值.

2 檢測系統(tǒng)與實驗設(shè)計

2.1 檢測系統(tǒng)

為驗證算法的可靠性，設(shè)計檢測系統(tǒng)，以STM32為主控芯片，對氣體進(jìn)行采集檢測，同時進(jìn)行算法補(bǔ)償，以得到準(zhǔn)確的氣體濃度值，系統(tǒng)框圖如圖8.

圖8 MQ7補(bǔ)償實驗系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)基本工作原理：采用MQ7與MQ8檢測CO和H2濃度，溫濕度傳感器檢測環(huán)境溫濕度，對測試結(jié)果進(jìn)行算法補(bǔ)償，將補(bǔ)償后的結(jié)果通過LCD屏顯示，同時具備聲光報警以及WIFI通信功能，可在移動平臺顯示結(jié)果.

2.2 程序設(shè)計

軟件編程協(xié)調(diào)各模塊硬件電路正常運作，包括讀取傳感器輸出電壓，A/D轉(zhuǎn)換，溫濕度采集，算法補(bǔ)償，無線通信與LCD顯示等功能.

主控芯片根據(jù)采集到的H2濃度判斷是否進(jìn)行H2補(bǔ)償.程序流程圖如圖9所示.

圖9 程序流程圖

3 系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析

3.1 系統(tǒng)測試

本實驗采用亞克力材料定制的20×20×10密閉箱子作為氣室，其密封性能良好，氣室通透便于觀察.硬件部分包括MQ7，MQ8傳感器，A/D轉(zhuǎn)換芯片PCF8591，溫濕度傳感器DHT11，以及LCD顯示屏和ESP8266WIFI模塊.圖10為實驗平臺實物圖.

圖10 MQ7補(bǔ)償算法驗證實驗平臺

實驗平臺的上位機(jī)界面采用app進(jìn)行顯示.根據(jù)Airlink原理將設(shè)備與路由器握手，由app發(fā)送包含有wifi信息的UDP配置包，設(shè)備收到指令后主動與路由器連接，聯(lián)網(wǎng)后設(shè)備可通過WIFI模塊將測量結(jié)果實時傳輸至云端，app從云端下載數(shù)據(jù)并同步顯示.app具有設(shè)備綁定功能，一次握手之后只需設(shè)備開機(jī)就可聯(lián)網(wǎng)，同時云端會記錄設(shè)備運行情況和歷史數(shù)據(jù)，方便查詢.設(shè)計動態(tài)交互界面，可實時顯示一段時間內(nèi)的氣體濃度與環(huán)境溫濕度變化情況.

測試方法如下：

在實驗開始前，先向氣室內(nèi)通入400×10-6mol/L標(biāo)準(zhǔn)CO氣體一段時間，使氣室內(nèi)充滿CO氣體，并且將檢測系統(tǒng)開機(jī)，使傳感器預(yù)熱1～2min，以達(dá)到傳感器正常使用狀態(tài).在保持CO氣體濃度不變的狀態(tài)下，向氣室中不斷通入H2以增大H2濃度(H2濃度不能超過4%)，同時調(diào)節(jié)環(huán)境溫濕度，記錄在不同溫濕度以及不同H2濃度環(huán)境條件下MQ7未補(bǔ)償顯示值與補(bǔ)償后顯示值.實驗結(jié)果如表1所示.

表1 MQ7算法補(bǔ)償實驗數(shù)據(jù)

3.2 結(jié)果分析

圖11為補(bǔ)償實驗數(shù)據(jù)折線圖，由圖可知，MQ7傳感器在未補(bǔ)償情況下，其測量結(jié)果會發(fā)生較大偏移，無法準(zhǔn)確測量環(huán)境中CO濃度.補(bǔ)償后的CO濃度顯示值與400×10-6mol/L標(biāo)準(zhǔn)CO氣體最大誤差不超過12×10-6mol/L，其測量誤差不超過3%，能夠滿足測量精度要求.

圖11 MQ7算法補(bǔ)償實驗結(jié)果

由于實驗過程中并未改變測試環(huán)境中CO濃度，未經(jīng)補(bǔ)償?shù)腃O濃度顯示值卻有較大變化，主要是由于溫濕度以及H2濃度改變造成的.傳感器的使用對環(huán)境有嚴(yán)格的要求，通過這種方法，消除環(huán)境因素對傳感器帶來的干擾，使MQ7傳感器能夠在各種環(huán)境條件下準(zhǔn)確的測量出CO濃度值.

實驗結(jié)果表明，通過算法補(bǔ)償后的CO測量結(jié)果不隨環(huán)境溫濕度以及H2濃度的變化而改變，消除了環(huán)境因素對MQ7測量結(jié)果造成的干擾，使MQ7在溫濕度變化較大以及含有H2的場合也能準(zhǔn)確測量CO濃度.

4 結(jié)論

(1)通過改變環(huán)境溫濕度并采用最小二乘算法對MQ7傳感器測量結(jié)果進(jìn)行修正，使傳感器在較大溫濕度變化范圍內(nèi)能夠準(zhǔn)確測量，滿足煤礦開采過程中復(fù)雜多變的環(huán)境因素;

(2)通過算法消除H2對MQ7傳感器測量結(jié)果的影響，使MQ7傳感器在富含H2的礦井下也能準(zhǔn)確測量.補(bǔ)償后的測量結(jié)果最大變化范圍不超過23×10-6mol/L，滿足《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的精度要求;

(3)MQ7傳感器標(biāo)定與補(bǔ)償系數(shù)計算均按照國家標(biāo)準(zhǔn)選取采樣點，采用最小二乘算法進(jìn)行擬合，經(jīng)補(bǔ)償后MQ7傳感器測量結(jié)果最大誤差不超過12×10-6mol/L，測量準(zhǔn)確度達(dá)到97%以上.