基于Helmholtz共振原理的声学瓦斯传感器设计研究*

2021-10-15潘红宇张志祥张天军庞明坤

传感器与微系统 2021年10期

潘红宇,张志祥，张天军，张磊，纪翔，庞明坤

(西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安 710054)

0 引言

目前，国内煤矿常用催化燃烧式瓦斯传感器[1～3]的检测原理为电极化学反应。此类传感器具有成本低廉、易于携带等优势[4,5]。但随着反复检测，传感器电极损耗加剧，导致其使用寿命逐渐缩短，精度显著下降，难以满足精确测量的需要[6,7]。因此，迫切需要从原理上研制一种高精度、大量程、长寿命的新型瓦斯气体传感器，以满足煤矿井下长期使用的需求。

本文提出了一种基于Helmholtz共振原理的声学瓦斯传感器。该传感器在原理上与电极化学反应不同，而是应用声波技术实现瓦斯气体检测。利用不同体积分数瓦斯气体的声学不同[8]，根据共振频率影响机制，推导共振频率与瓦斯气体体积分数之间的声学模型，通过测量共振频率间接测得瓦斯气体体积分数。从原理上克服了催化燃烧式瓦斯传感器的缺陷，避免了化学反应方式对电极的腐蚀，具有高灵敏度，高精度、全量程的优势。

1 测量原理与结构

传感器结构由圆柱形波导管和双孔空心采样球组成。双孔空心采样球是Helmholtz共振腔的一种，包括球形腔和分裂孔形成的短管(采样通孔)[9]。如图1所示，圆柱形波导管的左端由声源驱动，右端由海绵吸声。波导管的长度和截面半径分别为l和R，位于波导管内双孔空心球为球形腔体，其内半径为Ri，外半径为Ro，采样通孔半径为a。