钱丽勋 邹志辉 李丰

（中国电子科技集团公司第十三研究所 河北省石家庄市 050051）

催化气体传感器是利用可燃气体在催化材料表面燃烧所产生的电阻变化来反映可燃气体的浓度信息，在可燃气体检测领域具有重大意义，特别是在瓦斯检测方面。瓦斯是导致我国煤矿事故频频发生的主要原因，煤矿瓦斯的监测是避免事故发生的必要途径[1-2]。目前，煤矿瓦斯监测仍以催化燃烧式瓦斯传感器为主，约占90%市场份额[3]。传统的催化瓦斯传感器都是采用恒压或恒流供电，但传感器由于载体和催化剂烧结、积碳、中毒以及功耗高等问题，其稳定性较差且寿命短[4-5]。在十九届国际采矿安全会议上，英国学者S.J.Gentyr 首次提出了恒温检测方法，确保催化元件始终工作在恒定温度，减少传感器的老化速率以及高浓度冲击的影响，但该检测法输出线性度差并且硬件电路设计复杂，限制了其在煤矿中的应用[6-7]。结合恒温检测法的特点，中国矿业大学的童敏明教授提出定压检测法[8]，它不仅具有传统电桥法使用简单、受环境影响小等优点，又如恒温检测法一般，限制了黑元件的温度升高，使传感器输出稳定性有较大提升。但其仍无法解决传感器高功耗的问题，而瓦斯传感器在井下传感器网络节点的功耗占比最高。如何保证瓦斯传感器性能的同时并降低传感器的功耗成为目前瓦斯传感器的研究重点。

1 低功耗检测方法原理

传统的检测方法是基于惠斯通电桥的恒压检测法，其原理如图1所示，电桥输出电压为[9]：

图1：恒压检测电路原理图

显然，电桥的输出电压ΔU 与催化燃烧引起的电阻增量ΔR 成正比，瓦斯浓度较小时，可认为电流不变，即I ≈E/2r1，故式（1）可简化为：

结合恒压、恒温以及定压检测的方法特点，本设计一种低功耗检测方法，即高低温检测法。该检测方法只采用一个传感器即敏感（催化）元件来进行测量，通过恒流源给传感器通以周期性的高低电流来实现甲烷浓度的测量，其测量原理图如图2所示。

图2：高低温检测法电路原理图

首先，将敏感元件放置于新鲜空气中，记录敏感元件在高、低电流下输出电压差值ΔU1为：

式中，U0为敏感元件通以低电流时的输出电压值，U1为敏感元件通以高电流时的输出电压值，I1为高电流值大小，I0为低电流值大小，r1为在高电流下敏感元件的阻值，r0为低电流下敏感元件阻值。

在进行甲烷检测时，由于采样时间较短，环境温度及湿度都是惯性量，不可能在短时间内突变，在一个通电周期内，环境因素可认为不改变。所以在甲烷气氛中，敏感元件在高、低电流下的输出电压差值ΔU2为：

对比式（2）和（5），显然，高低温检测法的灵敏度大约是恒压检测法的两倍，而且只采用一个催化元件，功耗不到恒压检测法的一半。

2 检测系统与实验

为验证高低温检测法的特点，搭建了图3所示检测系统。采用现有瓦斯传感器用于检测瓦斯浓度，该传感器响应时间仅为8s，额定工作电流为110mA，单个功耗145mW，95mA 及以上才与甲烷催化燃烧。

图3：瓦斯传感器高低温检测系统

通过最小系统控制输出PWM 占空比改变可变恒流模块的电流大小，保证瓦斯传感器周期性的高低电流激励，激励曲线如图4所示。数据采集器采集瓦斯传感器两端电压以及温度信号，并发送至监测终端，经软件补偿校正后显示输出。

图4：瓦斯传感器激励电流曲线

实验装置需要密闭气室、标准气样、流量计、采集系统等。本设计搭建的实验平台如图5所示，气源采用两个标准气瓶提供，一个为4%甲烷气瓶，另一个为洁净空气。通过流量计控制甲烷和空气的混合比例来改变气室的甲烷浓度，达到实验要求。

图5：实验系统

3 结果分析与补偿校正

3.1 测试结果

3.1.1 灵敏度

分别采用两种供电方式对瓦斯传感器供电，并在室温下测试各自输出灵敏度，结果如图6所示。

图6：传感器输出拟合曲线

显然，高低温检测法的检测灵敏度更大，约为恒压检测的两倍，与检测原理相符。通过线性拟合，得出传感器在高低温检测法下的输出灵敏度为24.3mV/1%CH4，线性相关系数R2=0.9987，具有良好的线性关系。

3.1.2 功耗

恒压检测法配对了补偿元件（未涂催化剂），其功耗约为290mW。而该检测法仅使用单只传感器，且采用高低电流激励，其平均功耗可表示为：

显然，该检测法具有更低的功耗，且无需产品配对，大大提高了成品率，对于煤矿井下应用具有很好的前景。

3.1.3 稳定性

3.1.3 .1 长期稳定性

为了研究高低温检测法对瓦斯传感器的灵敏度漂移和零点漂移情况，采用对照实验的方法，将传感器放在1%CH4中长时间工作，每隔5 天放入标准气样中测试零点和灵敏度。

测试结果如图7所示，由图可知，催化元件在高低电流供电下工作50d，零点漂移0.026%CH4，灵敏度衰减3.6%，相当于0.89%LEL。而恒压供电下工作50d 的催化元件，零点漂移0.038%CH4，灵敏度衰减6.3%，相当于1.58%LEL。本文默认4 %体积分数为甲烷爆炸下限，两种供电方式的瓦斯传感器均符合国标GB15322规定的要求（±3%LEL），但显然高低温供电方式的灵敏度相对漂移量更小，使用寿命更长。

图7：传感器工作稳定性

3.1.3 .2 温度稳定性

通过标准配气系统分别配以0%、1%、2%、3%、4%浓度的甲烷，并放置于恒温恒湿箱中，调节温度为‐10℃～60℃，步长10℃，并保持10min，每个温度点采集10 次，取平均值，所得结果如图8所示。

图8：不同温度不同甲烷浓度下的传感器输出

3.2 温度补偿

显然，环境温度会给传感器带来测量误差，为提高传感器的检测精度，需要进行温度补偿。本设计采用PSO 算法优化BP 网络的权值和阈值，补偿结果如图9所示。显然，PSO-BP 的补偿效果最佳，各温度条件下输出浓度曲线几乎重合。选取‐10℃条件下的数据得到表1，显然，PSO 算法优化后的BP 网络预测绝对误差显著降低，相比较传统BP 网络，最大绝对误差由0.337%CH4下降到0.0746%CH4。根据催化式甲烷传感器的行业标准，经PSO-BP 算法补偿后瓦斯传感器完全符合其精度要求，大大降低了温度对瓦斯传感器输出的影响，提高了传感器的检测精度，对于煤矿应用具有重大意义。

表1：PSO-BP 算法与BP 算法温度补偿效果

图9：不同补偿方法结果曲线

4 结论

针对现有催化传感器功耗高、稳定性差等问题，提出一种低功耗检测方法。通过搭建检测系统，确定了该方法的检测灵敏度为24.3mV/1%CH4，约为恒压检测法两倍，功耗仅为112mW，约为恒压检测法一半。与传统恒压检测法对比，本设计提出的低功耗检测方法灵敏度更高，输出稳定性更好，且具有更低的功耗，通过温度补偿可提高传感器的检测精度，对于煤矿井下应用具有巨大的发展前景。