矿用二氧化氮传感器研究与设计

【摘要】分析了电化学二氧化氮传感元件的反应机理，提出了一种矿用二氧化氮传感器的设计方案。该传感器以C8051F021单片机为核心，将二氧化氮传感元件输出的信号进行采集、补偿处理后通过LED数码管显示，并通过RS485或频率的方式实时传输到煤矿井下监控分站。该传感器目前已广泛应用于煤矿安全监测监控系统中。现场应用证明，该传感器测量精度高、稳定可靠、抗干扰能力强。

【关键词】二氧化氮传感器；信号处理；温度补偿

1.引言

随着矿井安全以人为本思想的不断深化，工人的健康问题、安全问题逐渐引起人们的关注。近年来矿井生产过程中对有毒气体的监测越来越引起矿方的重视。矿井下二氧化氮（NO2）是有毒气体之一，红棕色顺磁性有刺激性气味，易溶于水。低浓度（4ppm）的二氧化氮会使鼻子麻痹，从而可能导致过量吸收，长期暴露在NO2浓度为40到100毫克/立方米的环境中会导致不利的健康影响[1]。因此，二氧化氮气体严重危害井下人员的身体健康，而且影响矿井生产安全，对井下二氧化氮气体的实时监测具有必要性。为此，本文采用电化学原理检测技术，提出了一种矿用二氧化氮传感器设计方案。

2.电化学二氧化氮传感元件原理分析

图1为三电极电化学二氧化氮传感元件示意图，该传感元件由参考电极、感应电极和负电极组成。工作时，在感应电极上保持一个恒定的偏压，当二氧化氮气体通过扩散栅栏进入传感元件时，二氧化氮的总反应方程为：

通过以上反应可以看出，在感应电极与负电极上分别产生了正负电子，正负电子在电场的作用下会形成电流，根据菲克扩散定律，感应电极与负电极之间电流I的大小为：

式（2）中的n（转移电子数）、F（法拉第常数）、A（扩散面的面积）、D（扩散系数）及δ（扩散层厚度）均为常数，所以电解电流I与二氧化氮的浓度C成正比，因此只要检测出电流I的大小即可反推出二氧化氮的实际浓度C。

3.系统硬件设计

本传感器以C8051F021单片机为核心，由二氧化氮传感元件取样信号放大电路、红外接收电路、LED数码管显示电路、RS485/频率通信电路、声光报警电路等部分组成，系统原理框图如图2所示。

3.1 二氧化氮传感元件信号处理模块

二氧化氮探头采用英国City公司生产的4系列三电极传感元件。由于二氧化氮传感元件输出的是nA级别的电流信号，在检测时首先需对电流信号取样，再将电流信号转换为电压信号，最后通过运算放大电路对微弱的电压信号放大，供单片机C8051F021模拟ADC采集，得到感应电极与负电极之间电流信号大小[2]。图3为二氧化氮传感元件信号处理电路，IC1运放为负电极提供一个参考电平，IC2运放将电流信号转换成电压信号并放大。由于电流信号小，需选择偏置电流小的运放，如OP-77系列运放。为了延长探头使用寿命，没有上电时参考电极和感应电极需要短接。用一个场效应管将感应电极和参考电极相连，探头上电工作时场效应管再断开。

3.2 RS485通信模块设计

RS485通信模块采用Maxim（美信）公司的MAX3072接口芯片，MAX3072采用平衡驱动器和差分接收器组合方式，抗共模干扰能力增强。RS485通讯采用半双工工作模式。图4为选用的RS485通信电路，当W/R为逻辑低电平时，传感器处于接收状态，出现在差分传输线上的信号将经过MAX3072转化为逻辑电平，输出至单片机C8051F021的接收脚RX0，当W/R为逻辑高时，传感器RS485通讯处于发送状态。在本电路中，对RS485电路进行了多级保护处理，包括使用限流电路、TVS管及共模线圈等措施，能有效预防雷电毁坏和静电干扰。

3.3 频率输出模块

本传感器和监控分站之间除了采用RS485通讯方式，也运用了频率传输的方式实现通讯。图5为频率输出电路。为了增加传输距离，减小频率信号的衰减，保证信号在负载电阻为1.5kΩ时，高电平大于3V，低电平小于0.5V，供电电源选择传感器输入电源供电，供电范围为9～24.5V，而不选择单片机供电电压5V或3.3V。频率输出为三极管集电极开漏输出，这样频率信号对线间电容冲放电时间更短、传输得更远。图5中电阻R1、三极管V1构成限流回路，保护三极管V2不被损坏。

3.4 显示模块

为了较好的实现人机界面，本传感器采用4位LED数码管进行显示。LED数码管显示器是嵌入式系统常用的人机交互设备，本传感器显示主要采用软件译码、动态扫描的控制方式。

3.5 接收配置模块

本传感器采用红外遥控方法完成传感器配置，所采用的红外接收管为HS003 8B3V，其特点为体积小、抗光和电的干扰性强，输出信号没有突变，上电初始化时间短（约200μs）等。HS0038B3V可接收来自任何38kHz调制遥控器的信号，周期约26μs，同时能对信号进行放大、检波、整形，得到TTL电平的编码信号送入C8051F021单片机进行解码。

4.二氧化氮传感器软件设计

4.1 系统软件设计

二氧化氮传感器软件采用C语言模块化设计，主要包括二氧化氮传感元件信号处理、温度采集、温度补偿处理、调零和调精度等参数设置、显示输出等，软件运行流程如图6所示。为了使操作简单，该传感器调零点、调线性、报警点等参数均采用红外遥控控制。软件调整具体思路：在新鲜空气中，C8051F021单片机将当前的A/D采样值作为零点偏移存入内部FLASH，再通入标准二氧化氮气体，调整遥控器使其显示为标称气体值，C8051F021单片机求出调校斜率，此后再按退出键退出，系统即完成标校。

4.2 温度补偿

电化学传感元件的输出会随温度变化而微弱变化[3]，因此对电化学二氧化氮传感器进行温度补偿关键是得出不同温度下输出信号变化关系。图7为通过实验得出的二氧化氮传感元件输出信号量随温度的变化情况。设传感器在20oC时每10-6二氧化氮气体输出的反应信号为100%，则温度在-20～50oC的每10-6二氧化氮气体输出的反应信号变化范围为90%～104.4%。

在煤矿应用中如果不增加温度补偿，误差会比较大，将采集的当前温度与标校温度（20℃）相除作为温度补偿系数来矫正传感器信号值，从而实现对二氧化氮传感器进行补偿。具体的补偿过程为：通过标校线性时温度计算出标校温度时的信号量系数K_T_Save；通过采集当前温度计算出当前温度下信号量系数K_T_m；由公式k_temp=K_T_Save/K_T_m求出温度补偿系数k_temp；最后通过K（comp）=K*K_temp修正线性值。温度补偿流程图如图8所示。

5.测试分析

为了验证该二氧化氮传感器的测量精度，对4台传感器进行了常态基本误差实验。采用纯氮气进行调零点，采用15×10-6二氧化氮进行标校，标校后在零点、5×10-6、10×10-6、15×10-6、20×10-6等测点进行测试[4]。表1为传感器在各个测试点的数据。

6.结语

本文设计的二氧化氮传感器已通过国家检测中心各项检验，并取得安标证，由于该传感器具有测量精度高、稳定可靠，抗干扰能力强等特点，目前已经在煤矿安全监测监控系统和非煤矿山安全监测监控系统中得到大量应用。

参考文献

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

[2]袁友祥，刘佳，要建东.基于C8051F021单片机的多通道气体监测仪设计[J].石油机械，2011，39（9）：41-43，49.

[3]刘炎，张立斌，蒋泽.具有温度及压力补偿的矿用红外甲烷传感器设计[J].工矿自动化，2012，38（6）：7-10.

[4]陈新汧.对二氧化氮气体快速检测方法的研究[J].广州化工，2007.

作者简介：杨嘉如（1985—），男，江苏常州人，助理工程师，主要从事矿用通信监控产品的检测检验工作。