摘  要： 近年來受到國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的推動(dòng),，煤礦的開采量和消費(fèi)量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭,，同時(shí)很多煤礦企業(yè)存在著安全監(jiān)測(cè)不完善等煤礦安全問題，嚴(yán)重影響了煤礦的開采和人員的安全,，其中瓦斯監(jiān)控是煤礦安全中的重要組成部分,。介紹了一種基于非分光紅外原理的瓦斯傳感器的工作原理，同時(shí)闡述了壓力補(bǔ)償的必要性,然后基于最新的單光源雙通道甲烷傳感器進(jìn)行分析,，介紹了一種壓力補(bǔ)償方法,，基本克服了壓力的漂移問題，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性,。
關(guān)鍵詞： 非分光紅外,；瓦斯；氣體傳感器,；壓力補(bǔ)償

    煤炭是我國(guó)的主要能源之一,，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有重大的意義，目前煤礦生產(chǎn)中,，很多企業(yè)都存在安全監(jiān)測(cè)不完善,、管理落后等問題，導(dǎo)致安全生產(chǎn)形勢(shì)不容樂觀,。監(jiān)測(cè)礦井現(xiàn)場(chǎng)各種氣體濃度,、風(fēng)速和設(shè)備的狀態(tài)可以有效地保障生命財(cái)產(chǎn)安全，降低事故的發(fā)生率,。煤礦事故中由瓦斯造成的傷亡比例超過50%,，可見瓦斯監(jiān)控的重要性。瓦斯主要來自礦井中的煤氣,，主要成分是甲烷,，爆炸通常發(fā)生在瓦斯占空氣濃度5%～16%。因此監(jiān)測(cè)到瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí)應(yīng)該立刻停止工作，撤出人員,，查明原因,，采取措施。
    現(xiàn)有的瓦斯監(jiān)測(cè)手段主要有電化學(xué)式,、光干涉式,、載體催化式和非分光紅外型幾種。
    光干涉型傳感器存在著體積大,、調(diào)校頻率高,、空氣成分復(fù)雜時(shí)測(cè)量不準(zhǔn)確、容易發(fā)生誤報(bào)等問題,，干涉信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)變困難也限制了它的發(fā)展,。
    載體催化型又稱“黑白元件型”，比光干涉型整體性能有所提升,，但是存在著“高濃度沖擊損壞”,、“催化劑中毒”等現(xiàn)象，限制了它的量程和使用的環(huán)境,，需要經(jīng)常維護(hù)和更新設(shè)備,，無形中提高了成本。
    最新的基于非分光紅外原理的瓦斯傳感器具有靈敏度高,、調(diào)校周期長(zhǎng),、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn),，而且不存在中毒現(xiàn)象,，可以測(cè)量100%的濃度。目前國(guó)外用于精密氣體測(cè)量的傳感器使用的都是非分光紅外原理,，國(guó)內(nèi)雖然也在研究但是還沒有到達(dá)實(shí)用化的階段,在應(yīng)用方面存在很多問題,。總體來說紅外原理的傳感器性能要優(yōu)于使用其他幾種原理的傳感器[1],。
    溫度補(bǔ)償方法很多,，而壓力補(bǔ)償?shù)姆椒▍s寥寥無幾，本文重點(diǎn)介紹一種非分光紅外原理的瓦斯傳感器的工作原理及其壓力補(bǔ)償方法,。
1 非分光紅外檢測(cè)原理
    非分光紅外原理主要根據(jù)不同的氣體對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外光吸收率不同,，一般來說多原子分子和非對(duì)稱的雙原子分子都對(duì)某一波長(zhǎng)的紅外光具有強(qiáng)吸收，如表1所示[2],。

     式中ACT,、REF是工作通道和參考通道的峰峰值，ZERO是之前在氮?dú)?空氣也可以)中計(jì)算出來的零點(diǎn),，a,、n是固定的線性化參數(shù)，C是此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度?？梢钥闯鏊鞘?6)的一個(gè)變形,，用來標(biāo)定整個(gè)量程。ZERO和SPAN應(yīng)該存儲(chǔ)在非易失存儲(chǔ)器中,，例如EEPROM或者Flash,，每次上電都應(yīng)讀取這些參數(shù)進(jìn)行濃度計(jì)算。
2.3 濃度計(jì)算
    經(jīng)過上面的分析,，由式(6)可以得到目標(biāo)氣體的計(jì)算公式：
    C=(-ln[1-(NA/SPAN]/a)(1/n)          (9)
    可見,，瓦斯?jié)舛扰c熱電傳感器輸出電壓比呈非線性關(guān)系。
    以上數(shù)據(jù)都要經(jīng)過濾波處理,，采用單次測(cè)量誤差會(huì)非常大,，一般采用滑動(dòng)均值濾波和限幅濾波相結(jié)合的方法[4]。
3 壓力補(bǔ)償
    甲烷傳感器分為3類,，A,、B類的工作環(huán)境壓強(qiáng)為80 kPa～116 kPa，而C類的是50 kPa～130 kPa,，C類通常在管道中使用,，被測(cè)氣體濃度和壓力的變化較大，為了進(jìn)行精確測(cè)量需要進(jìn)行相應(yīng)的溫度和壓力補(bǔ)償,。目前溫度補(bǔ)償已經(jīng)有比較完善的方法,，例如利用查表線性差值等方法可以很好地進(jìn)行溫度補(bǔ)償[5]，而壓力補(bǔ)償方面并沒有通用的方法,。下面介紹一種瓦斯傳感器壓力補(bǔ)償方法,，假設(shè)實(shí)驗(yàn)在溫度不變的環(huán)境下進(jìn)行。
    在實(shí)驗(yàn)室25 ℃的環(huán)境下,，以空氣作為零點(diǎn)標(biāo)定的背景氣,，用高精度的直流穩(wěn)壓電源給探頭供電，并提供驅(qū)動(dòng)信號(hào),，輸出信號(hào)經(jīng)過濾波放大用電壓表進(jìn)行測(cè)量,，標(biāo)定的數(shù)據(jù)也事先經(jīng)過多組測(cè)量取均值得到。表2,、表3分別是在不同濃度,、不同壓力下5個(gè)甲烷傳感器進(jìn)行10組測(cè)量得到NA和SPAN的均值，NA是與濃度非線性關(guān)系的參數(shù),，SPAN則是校正值,。
    由表2、表3可以看出,，兩個(gè)參數(shù)都隨著壓力的變化發(fā)生了漂移,，當(dāng)濃度一定時(shí)NA隨著壓力近似線性增長(zhǎng),，最終反映到測(cè)量結(jié)果上會(huì)使計(jì)算出的濃度偏大，SPAN值是標(biāo)定的固定值,，它不隨著濃度的變化而變化,，與壓力也呈現(xiàn)近似的線性關(guān)系。

    圖2是未進(jìn)行壓力補(bǔ)償時(shí)的計(jì)算濃度,。不同的線代表通入不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體,，可見低濃度測(cè)量時(shí)壓力影響較小，當(dāng)進(jìn)行高濃度測(cè)量時(shí)濃度漂移十分嚴(yán)重,，會(huì)超過100%,，需要進(jìn)行相應(yīng)的壓力補(bǔ)償。

3.3 壓力補(bǔ)償
    由式(11)進(jìn)行壓力補(bǔ)償,，最后可以得到進(jìn)行壓力補(bǔ)償和未進(jìn)行壓力補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù),。圖4與圖2相似，是0～100不同標(biāo)準(zhǔn)濃度在60 kPa～140 kPa的壓力下測(cè)得的數(shù)據(jù),，相比于圖2,，曲線趨于平緩，基本上達(dá)到了壓力補(bǔ)償?shù)哪康摹?br />     本文主要介紹了基于非分光紅外原理的瓦斯傳感器的工作原理,，同時(shí)闡述了溫度及壓力補(bǔ)償對(duì)于大范圍高濃度測(cè)量的必要性,，并且在數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，使用統(tǒng)計(jì)的方法總結(jié)出一種通用的壓力補(bǔ)償方法,，基本克服了高濃度測(cè)量時(shí)漂移嚴(yán)重的問題,，可以滿足在壓力變化較大的環(huán)境中使用的要求。目前紅外原理的氣體傳感器并沒有統(tǒng)一的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),，不同的結(jié)構(gòu)要求使用不同的方法來進(jìn)行溫度和壓力補(bǔ)償,。本文的補(bǔ)償方法針對(duì)單光源雙通道的傳感器進(jìn)行分析，若要在其他結(jié)構(gòu)的傳感器上使用需要進(jìn)行相應(yīng)的修改,。
參考文獻(xiàn)
[1] 卓邦遠(yuǎn),，呂賢帝,，劉海波.紅外甲烷傳感器與催化甲烷傳感器性能比較研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),，2010(17)：10-12.
[2] 李秀華.紅外氣體分析儀研究[D].武漢：武漢工程大學(xué)，2007.
[3] 羅勇,，毛曉波,，黃俊杰.紅外檢測(cè)瓦斯傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007(8)：4-6.
[4] 王汝琳.紅外檢測(cè)技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,，2006.
[5] 潘中橋,，馬世偉，孫波,，等.紅外甲烷氣體傳感器算法研究[J].電子測(cè)量技術(shù),，2008,，31(12)：113-115.