基于氧化锌气敏传感器的矿井气体无线监测系统

高铁山 ， 吴 卿

（1.太原理工大学，山西 太原 030000；2.山西省新闻出版广电局吕梁中波转播台,山西 吕梁 033000；3.国家知识产权局专利审查协作北京中心，北京 100000）

0 引 言

煤炭作为我国最主要的能源之一，推动了我国经济的发展，我国的煤炭开采规模也一直维持在较高的水平。在煤矿开采过程中，会产生大量易燃易爆的瓦斯，其中甲烷气体是瓦斯最主要的成分。高浓度的甲烷不但危害矿井工人的身体健康，更易引起煤矿井下的爆炸事故。目前，瓦斯事故已经成为影响煤矿安全生产最主要的因素之一，因此，对煤矿甲烷气体实现有效且准确的实时监测很重要。

目前，用于煤矿易燃易爆气体检测的传感器原理可以分为载体催化燃烧式、热导式、光干涉式和半导体式等。载体催化燃烧式传感器的寿命短，稳定性差，往往需要频繁校正；热导式传感器的测量信号很小，只适用于高瓦斯浓度的监测；光干涉式气体传感器的系统复杂，维护成本高，受环境影响大；半导体式气体传感器利用半导体材料的氧化还原特性，通过测量电阻值的变化实现对气体含量和种类的检测，具有灵敏度高，响应快等优点。利用ZnO纳米材料对甲烷气体敏感特性的研究相对较少，且存在灵敏度低，响应-恢复时间慢等诸多问题，因此，开发具有灵敏度高、响应速度快的甲烷气体传感器是非常必要的。

在实际应用中，煤矿企业在矿井中较多采用的甲烷传感器只对浓度超过1.5%甲烷气体进行监测，传感器本身体积较大，报警方式多为蜂鸣、LED闪烁灯，无法实现无人监测，且需要工作人员经常维护和矫正，工作量较大。本文利用氧化锌半导体材料制作了气体传感器，同时设计了适用于矿井气体检测的小型传感器系统，实现了实时的气体浓度检测，通过采用ZigBee技术，实现了传感器系统数据的远程无线传输。

1 氧化锌气体传感器

在众多半导体氧化物材料中，氧化锌为六方晶系，具有半导体性、压电性、光电效应等特性，是应用较为广泛的气敏材料。由于氧化锌具有电子迁移率高、化学稳定性好等特点，同时，对多数氧化性和还原性气体均体现出较好的气敏特性，基于氧化锌纳米材料的气体传感器的研究已经成为热点[1-2]。

氧化锌气体传感器基于氧化锌材料与特殊气体发生接触时会发生氧化还原反应，从而改变氧化锌材料电阻值的原理制作。气体浓度的变化会导致传感器电阻值发生变化，通过设计电路，将阻值的变化转换为电压信号，从而通过电压信号的测量最终实现对矿井危险环境中甲烷浓度的监测。

如图1所示，气敏传感器主要由陶瓷管及四脚基座构成。将制备好的氧化锌材料涂抹在陶瓷管上形成薄膜，两端引出引脚焊接在底座上，用于测量薄膜电阻的变化。加热丝穿过陶瓷管，连接在底座上的两脚，用于给陶瓷管加热，最后封装制作成小型的气体传感器。

2 系统硬件设计

本文所设计的气体检测装置以msp430f149为核心处理芯片，主要由传感器、信号调理电路、数据采集电路、液晶显示模块、电源模块以及无线通信模块组成（见图2）。系统可以通过实时显示以及无线监测的方式，实现对煤矿井下甲烷气体的监测[3]。

2.1 传感器信号调理电路

图1 氧化锌气体传感器

图2 气体监测系统硬件构成图

传感器输出的电压信号一般都较为微弱，为了能够达到ad芯片采集信号电压强度的要求，通常在传感器和数据采集电路之间需要添加信号调理电路，实现对传感器微弱信号的放大、共模抑制、阻抗转换等功能。本文所介绍的信号调理电路采用高准确度低失调电压运算放大器OP07C，该运算放大器对微弱电压具有极佳的低噪声、高准确度放大功效，实现了对传感器信号的后续幅度放大和隔离。调理电路的电压放大倍数A=1+RF/R1，在本文设计的电路中（见图 3），RF为可变电阻，R1阻值为 1kΩ，通过调节可调电阻实现对放大倍数的改变。电路中添加了滤波电路，实现了对噪声信号的剔除，提高了输出信号的信噪比[4]。

VCC为传感器的工作电压，用来对传感器的陶瓷管进行加热，提高氧化锌薄膜的温度，且工作电压与薄膜的温度成正相关。由于氧化锌纳米材料只有在一定的温度条件下，才会表现出最佳的气敏特性，因此需要选择合适的电压，从而使氧化锌材料达到最佳气敏特性[5]。

图3 传感器调理电路图

2.2 数据采集电路

本文所设计的数据采集电路的核心芯片采用ADS8320，该芯片是德州仪器出品的一款逐次逼近式串行16位微功耗、高准确度的数模转换芯片。它的线性度为±0.05%，工作电源在2.7～5.25V范围内，采样频率最高可达100 kHz；其差动输入信号范围为500mV～VCC（工作电源）；采用8引脚MSOP小体积封装，使用起来非常方便，以上特点使ADS8320非常适用于便携式电池供电系统中。在本文所设计的电路中（见图4），通过430单片机的P1.2口为ADS8320提供了50kHz的时钟频率，P1.0口为其提供了片选信号，为芯片提供了3.3V的的供电电压。

图4 采集电路图

2.3 显示模块

如图5所示，本文设计的系统选择了12864液晶模块作为显示器件，这是一种图形点阵液晶显示器，主要由行驱动器/列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成，可完成图形显示，也可以完成8×4汉字的显示。显示器的电压采用5V电源，内置-10V电压作为LCD的驱动电压，自带完整的汉字字库和指令集，操作简单，可显示丰富的内容。

图5 12864液晶显示模块电路图

2.4 电源模块

考虑到系统的便携性，本文所设计的系统采用9V的碱性电池为系统供电，由于系统内的各个模块的工作电压为5V和3.3V，需要设计电源模块对9V的电压进行转换。常用的电源管理模块可以分为开关式电源转换电路、电荷泵以及低压差线性稳压器。考虑到效率、噪声以及便于集成化设计等因素，本文采用了AD公司的ADP3303电源转换芯片作为电源模块的主芯片（见图6）。该芯片具有低电压监测功能，稳定的输出能力以及较小的体积，便于减小电路的复杂程度，大大提高系统的集成度。

2.5 无线模块

图6 电源模块电路图

随着物联网技术的发展，无线传感网络日益成熟，尤其是ZigBee技术更广泛的应用于大型的传感网络，实现数据远距离、实时的收发，大大方便了环境监测与系统控制的应用。尤其是煤矿井下危险的环境中，对甲烷这样对人体有害的气体进行环境监测，使用无线传感技术，不但可以更准确实时了解井下各个区域的气体浓度值，实现全天候、无人值守的监管，而且对煤矿工人的身体安全提供了有力的保障。

ZigBee无线通信协议是近几年随着物联网技术不断发展和成熟的无线通信方式，其数据传输距离可以达到150m，功耗低，且数据传输速率完全可以满足传感网络的要求。ZigBee协议物理层兼容IEEE802.15.4协议，可以工作在2.4GHz频段和896/915MHz频带。采用星型网络拓扑，通过一个主控端实现对多个传感节点的监控[6]。

如图7所示，本文所设计的气体无线监测单元采用了CC2430模块作为ZigBee节点的硬件电路，该模块提供了目前国际领先的ZigBee解决方案，内部集成了RF发射机，RF接收机以及一个8051的CPU核心。通过采用CC2430的气体无线监测单元构成了传感系统无线节点，通过链接天线将数据采集模块得到的数据发送给主机[7]。

图7 基于ZigBee的通信模块

3 试验测试

本文首先对电路的运行进行了测试，电路采用9V的电池供电，增加了系统的可携带性，通电后液晶屏显示温度、甲烷浓度等信息，系统电路调试运行正常。

ZnO气敏材料必须在本身达到一定的温度时，才会表现出气敏特性，因此，传感器在进行气体测试前，需要先进行一定时间的预热。当氧化锌材料的温度过低，其氧化特性减弱，与待测气体的反应不充分；而当温度过高时，氧脱附运动加剧，也会导致传感器灵敏度的降低。

本文所设计的气体检测系统，通过在调理电路中对陶瓷管进行加热，使得表面的氧化锌材料达到一定的温度，进而表现出最佳的气敏性。因此，在调理电路中，为传感器设置了工作电压，用来提高传感器表面的温度。

本文采用静态配气法，首先选用一个500mL的气瓶，一个木塞，一个气体注射器（见图8）。计算需要配置的气体浓度，选用2%的标准甲烷气体进行配置。配置时，首先将ZnO气体传感器置于气瓶内，通过导线引出电压测量引脚，从瓶中抽取一定体积的气体，然后通过气体注射器将等量的2%甲烷气体注入气瓶。

图8 配气装置示意图

本文通过设计实验，研究了工作电压与气敏特性之间的关系。在试验中，将气体监测系统中的传感器部分放置于1%的甲烷气体环境中，工作电压分别设置为 2，3，4，5，6V，试验结果如图 9 所示。 从试验结果可以看出来，当工作电压取5V时，氧化锌表面的温度可以使传感器发挥最大的气敏特性，可以得到最大的输出。在后面的实验中，也将在5V的条件下对不同浓度的甲烷气体进行测试。

图9 工作电压测试图

为了测试气体监测系统的准确性、稳定性，将使用该气体监测系统对体积分数分别为0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%的甲烷气体进行了测试，图10为测试传感器的响应恢复曲线，可以看到，当传感器接触到甲烷气体时，系统的输出迅速上升，并逐渐达到平衡状态。当脱去气体时，系统的输出恢复到0，说明传感器系统有很好的重复性。将最高点连接，当甲烷气体浓度在0.2%～1.0%的范围内，系统输出与气体体积分数之间呈现出很好的线性关系（见图11）。其拟合曲线为Y=0.54+1.95X，其中X为气体体积分数，Y为系统输出电压。

图10 传感器响应恢复曲线

图11 传感器响应与气体浓度线性拟合图

4 结束语

本文设计了一种基于氧化锌新型微纳传感器的气体监测系统，介绍了氧化锌传感器，作为气敏传感器氧化锌传感器具有广阔应用前景，同时，本文对系统的传感器调理电路，数据采集电路，显示模块电路，电源模块，无线模块等电路进行了阐述，通过试验验证了气体监测系统对甲烷气体浓度的监测效果。结果表明，本系统能对低浓度的甲烷气体进行监测，对甲烷浓度超标的区域进行预警，实现无人值守的甲烷浓度监测。本系统在未来的应用中可接入煤矿物联网，对实现煤矿安全生产的综合监测提供帮助。

[1] 徐立忠.水热法制备棒状纳米氧化锌及其气敏性能研究[J].电子元件与材料，2013，32（5）：13-17.

[2] 杨丽萍，刘锋，韩焕鹏.氧化锌材料的研究与进展[J]，微纳电子技术，2007（2）：81-87.

[3] 袁本银，曲保伟.便携式矿用红外甲烷气体检测仪电路设计[J].煤矿安全，2013，33（8）：114-116.

[4] 宋玲，施云波，修德斌，等.基于MSP430的气体传感器批量测试系统[J].电子测量技术，2009，32（10）：77-80.

[5] 郝世东，梁永直，夏路易.红外气体传感器信号调理及数据处理[J].工矿自动化，2013，39（4）：27-30.

[6] 高同辉，杨立峰.基于ZigBee的有害气体检测系统设计[J].电视技术，2013，37（13）：202-207.

[7] 米海涛，付立思.基于ZigBee技术的温室环境远程监测系统[J].农机化研究，2010（7）：68-72.