1、第六章氣體檢測(cè)26.1 氣體檢測(cè)的基本概述26.2常見(jiàn)氣體檢測(cè)及其傳感器應(yīng)用56.2.1 可燃性氣體檢測(cè)56.2.2 CO氣體檢測(cè)86.2.3 CO2氣體檢測(cè)86.2.4 瓦斯氣體檢測(cè)116.2.5 PM2.5檢測(cè)15第六章氣體檢測(cè)目前，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展即將面對(duì)為數(shù)有限的大自然能源資源和急待需要保護(hù)的自然環(huán)境這一矛盾，自然資源和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題成為持續(xù)發(fā)展所必須關(guān)注的重中之重，我們需要摒棄高能耗、高污染的增長(zhǎng)方式。所以工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)更要重視對(duì)環(huán)境的保護(hù)。舉例來(lái)說(shuō)，甲醛、工業(yè)灰飛、CO、SO2等有毒有害氣體是工業(yè)企業(yè)、煤礦等工礦企業(yè)重要的危害源之一，是危害人們身體健康、導(dǎo)致企業(yè)事故的眾多因素之一

2、，很多工礦企業(yè)甚至家庭都裝備了不同種類(lèi)的有毒氣體檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。隨著國(guó)家對(duì)企業(yè)安全生產(chǎn)要求的不斷提高和企業(yè)自身發(fā)展的需要，對(duì)有毒害氣體進(jìn)行檢測(cè)的小裝置和凈化器和應(yīng)運(yùn)而生。企業(yè)使用的檢測(cè)裝置要求能夠滿(mǎn)足一般的氣體濃度實(shí)時(shí)顯示要求、并具備蜂鳴、指示燈報(bào)警以及信號(hào)傳送要求。6.1 氣體檢測(cè)的基本概述隨著石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，易燃、易爆、有毒氣體的種類(lèi)和應(yīng)用范圍都得到了增加。這些氣體在生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用過(guò)程中一旦發(fā)生泄漏，將會(huì)引發(fā)中毒、火災(zāi)甚至爆炸事故，嚴(yán)重危害人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。由于氣體本身存在的擴(kuò)散性，發(fā)生泄漏之后，在外部風(fēng)力和內(nèi)部濃度梯度的作用下，氣體會(huì)沿著地表面擴(kuò)散，在事故現(xiàn)場(chǎng)形成燃燒爆炸或毒害危

3、險(xiǎn)區(qū)，擴(kuò)大危害區(qū)域。例如，1995年7月，四川省成都市化工總廠液氯車(chē)間發(fā)生氯氣泄漏，當(dāng)場(chǎng)造成3人死亡，6人受傷，僅約一小時(shí)左右，市區(qū)范圍數(shù)十平方公里范圍內(nèi)都能聞到刺激性的氯氣味。因此，這類(lèi)事故具有突發(fā)性強(qiáng)、擴(kuò)散迅速、救援難度大、危害范圍廣等特點(diǎn)。一旦發(fā)生氣體泄漏事故，必須盡快采取相應(yīng)措施進(jìn)行處置，才能將事故損失降低到最低水平。及時(shí)可靠地探測(cè)空氣中某些氣體的含量，及時(shí)采取有效措施進(jìn)行補(bǔ)救，采取正確的處置方法，減少泄漏引發(fā)的事故，是避免造成重大財(cái)產(chǎn)和人員傷亡的必要條件。這就對(duì)氣體的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)設(shè)備提出了較高的要求。作為一種重要的氣體探測(cè)器，氣體傳感器近年來(lái)得到了很大的發(fā)展。氣體傳感器的發(fā)展使得其應(yīng)用

4、越來(lái)越廣泛。危險(xiǎn)化學(xué)品要加強(qiáng)安全管理，完善安全措施、控制事故隱患。但是，不可能達(dá)到絕對(duì)安全，仍然會(huì)出現(xiàn)萬(wàn)有一失的情況。因此，事故隱患的檢測(cè)報(bào)警，在危險(xiǎn)化學(xué)品場(chǎng)所有害氣體或液體（蒸汽）檢測(cè)報(bào)警，是非常必要的。對(duì)避免和控制事故具有重要意義。有害氣體檢測(cè)報(bào)警儀是專(zhuān)用的安全衛(wèi)生檢測(cè)儀，用來(lái)檢測(cè)化學(xué)品作業(yè)場(chǎng)所或設(shè)備內(nèi)部空氣中的可燃或有毒氣體的含量并超限報(bào)警。危險(xiǎn)化學(xué)品場(chǎng)所有害氣體檢測(cè)，主要有以下幾種情況：(1）泄漏檢測(cè)：設(shè)備管道有害氣體或液體（蒸汽）現(xiàn)場(chǎng)所泄漏檢測(cè)報(bào)警，設(shè)備管道運(yùn)行檢漏。(2）檢修檢測(cè)：設(shè)備檢修置換后檢測(cè)殘留有害氣體或液體（蒸汽），特別是動(dòng)火前檢測(cè)更為重要。(3）應(yīng)急檢測(cè)：生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)異

5、常情況或者處理事故時(shí)，為了安全和衛(wèi)生要對(duì)有害氣體或液體（蒸汽）進(jìn)行檢測(cè)。(4）進(jìn)入檢測(cè)：工作人員進(jìn)入有害物質(zhì)隔離操作間，進(jìn)入危險(xiǎn)場(chǎng)所的下水溝、電纜溝或設(shè)備內(nèi)操作時(shí)，要檢測(cè)有害氣體或液體蒸汽。(5）巡回檢測(cè)：安全衛(wèi)生檢查時(shí)，要檢測(cè)有害氣體或液體蒸汽。隨著人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步、生產(chǎn)的發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，隨之帶來(lái)了環(huán)境空氣污染問(wèn)題。工廠排放的廢氣、煙道氧、汽車(chē)排放廢氣、內(nèi)燃機(jī)等排放氣體對(duì)空氣環(huán)境造成的污染日益嚴(yán)重。一氧化碳雖然不會(huì)使酸雨現(xiàn)象嚴(yán)重，但是對(duì)人們的身體健康有影響。一氧化碳是一種無(wú)色、無(wú)味的氣體，它與血液中的血紅素結(jié)合的能力是氧的240倍，它與血紅素形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，使血紅蛋白喪失了輸送

6、氧氣的能力，從而導(dǎo)致組織低氧癥，甚至死亡。一氧化碳濃度的高低是評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)之一，也是工廠、煤礦井下是否發(fā)生自燃火災(zāi)的重要標(biāo)志之一。為了保證人們身體健康和環(huán)境潔凈，世界各國(guó)都紛紛致力于防止空氣污染的產(chǎn)生。國(guó)家工業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)一氧化碳濃度不允許超過(guò)50ppm。我國(guó)環(huán)境保護(hù)大氣污染監(jiān)測(cè)和工廠礦井中都要求有連續(xù)、自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀。6.2常見(jiàn)氣體檢測(cè)及其傳感器應(yīng)用6.2.1 可燃性氣體檢測(cè)1.可燃性氣體檢測(cè)的原理可燃?xì)怏w探測(cè)器是對(duì)單一或多種可燃?xì)怏w濃度響應(yīng)的探測(cè)器。可燃?xì)怏w探測(cè)器有催化型、紅外光學(xué)型兩種類(lèi)型。催化型可燃?xì)怏w探測(cè)器是利用難熔金屬鉑絲加熱后的電阻變化來(lái)測(cè)定可燃?xì)怏w濃

7、度。當(dāng)可燃?xì)怏w進(jìn)入探測(cè)器時(shí)，在鉑絲表面引起氧化反應(yīng)（無(wú)焰燃燒），其產(chǎn)生的熱量使鉑絲的溫度升高，而鉑絲的電阻率便發(fā)生變化。紅外光學(xué)型是利用紅外傳感器通過(guò)紅外線光源的吸收原理來(lái)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的碳?xì)漕?lèi)可燃?xì)怏w。烷烴類(lèi)可燃?xì)怏w探測(cè)器結(jié)實(shí)耐用，操作簡(jiǎn)便的智能型可燃?xì)怏w探測(cè)器，被設(shè)計(jì)用以檢測(cè)可燃性烷烴類(lèi)氣體濃度在爆炸下限0-100%的變化。這種探測(cè)器使用一種獲得專(zhuān)利的“小型即插型可更換”紅外線光學(xué)傳感器。紅外線傳感器的特點(diǎn)是長(zhǎng)時(shí)間的工作穩(wěn)定性及最少的階段性維護(hù)。紅外線氣體傳感器在某些測(cè)量環(huán)境下是對(duì)于傳統(tǒng)的催化燃燒式傳感器紅外線可燃?xì)怏w探測(cè)器屬于無(wú)干擾智能型產(chǎn)品，具有良好的安全性能，操作靈活簡(jiǎn)便。這種探測(cè)器的

8、一個(gè)主要的特點(diǎn)是它的自動(dòng)校準(zhǔn)功能，可以通過(guò)帶背光的液晶顯示屏上的提示一步步地引導(dǎo)操作者進(jìn)行校準(zhǔn)。紅外線氣體探測(cè)器提供三種不同的輸出方式：模擬信號(hào)4-20mA直流電；RS-485通訊接口及3個(gè)繼電器（兩個(gè)報(bào)警，一個(gè)故障自檢）?？蓪?duì)警鈴進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和編程。這些不同的輸出方式為系統(tǒng)建立提供了最大的靈活性。則只提供420MA直流電的輸出?？刂齐娐芬晕⑻幚硇酒瑸榛A(chǔ)，封裝成一個(gè)即插型模塊并被連在標(biāo)準(zhǔn)的連接模板上。傳感器及信號(hào)發(fā)生器被安裝在一個(gè)防爆機(jī)殼內(nèi)，機(jī)殼上有玻璃罩。帶有背光的數(shù)字顯示屏既可顯示傳感器讀數(shù)也可在編程時(shí)顯示菜單功能。圖6-2 可燃性氣體檢測(cè)電路該可燃?xì)怏w報(bào)警器電路由氣敏傳感器、多諧振蕩器

9、和音頻輸出電路組成，如圖所示。多諧振蕩器由與非門(mén)集成電路IC內(nèi)部的兩個(gè)與非門(mén) (Dl和D2)和外圍阻容元件組成。音頻輸出電路由電阻器R5、音頻放大管V和揚(yáng)聲器BL組成。當(dāng)室內(nèi)的可燃?xì)怏w濃度在允許范圍內(nèi)(低于限定值)時(shí)，氣敏傳感器a、b端之間阻值較大，b端(IC的l腳)輸出電壓較低，多諧振蕩器不工作，揚(yáng)聲器BL中無(wú)聲音。當(dāng)煤氣或天然氣泄漏，使室內(nèi)的可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)超過(guò)限定值時(shí)，氣敏傳感器b端的輸出電壓高于IC內(nèi)Dl的轉(zhuǎn)換電壓時(shí)，多諧振蕩器工作，從IC的4腳輸出振蕩信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)V放大后，推動(dòng)揚(yáng)聲器BL發(fā)出報(bào)警聲。調(diào)節(jié)R2的電阻值，使氣敏傳感器c、d之間的電壓為4.5V。元器件選擇Rl選用1/2W

10、碳膜電阻器;R2選用小型密封式可變電阻器;R3-R6均選用1/4W碳膜電阻器。Cl選用高頻瓷介電容器;C2選用耐壓值為16V的鋁電解電容器。VS選用1/2W、6.8V穩(wěn)壓二極管。V選用S9013或C805O硅NPN型晶體管。IC選用CD401l或MC4011四與非門(mén)集成電路。傳感器可選用國(guó)產(chǎn)QM-N2氣敏傳感器件。圖6-3 可燃性氣體內(nèi)部電路圖中，R1是傳感器要求的負(fù)載電阻，阻值為120 ，Vcc為5 V電源電壓;A、B為L(zhǎng)M358雙運(yùn)放，A為跟隨器，起緩沖隔離作用，以便將R1上的電壓VR1基本上全部施加到比較器B的同相輸入端。RW為報(bào)警靈敏度調(diào)整電位器。穩(wěn)態(tài)時(shí)，調(diào)整RW使得加到比較器反相輸入

11、端的電壓V-略高于穩(wěn)態(tài)時(shí)R1上的電壓VR1這個(gè)電壓越高，報(bào)警靈敏度就越低。加電并使傳感器達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，MQ-KC為較穩(wěn)定的固定阻值，當(dāng)Vcc不變時(shí)，VR1基本為一固定值，保持不變。當(dāng)有可燃性氣體泄露時(shí)，傳感器接觸到可燃?xì)?，使其電?dǎo)率上升，電阻下降，使VR1上升，當(dāng)VR1高于V-時(shí)，比較器輸出一個(gè)大于7V的電壓，從而使蜂鳴器HA發(fā)出滴、滴的報(bào)警聲。若用該電壓控制一個(gè)繼電器，即可實(shí)現(xiàn)控制功能。為了提高抗干擾能力，可分別在R1和B的V-端并聯(lián)一只濾波電容。2.可燃性氣體檢測(cè)的實(shí)例根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)硬件電路，硬件電路框圖如圖1所不，主要由主控制器電路、傳感器電路、串口通信電路、LCD液屏，顯

12、T電路和聲光報(bào)警電路等組成。各部分電路的簡(jiǎn)要功能如下：主控制器電路：系統(tǒng)的控制核心，通過(guò)編寫(xiě)程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)部分的智能控制。甲烷傳感器電路:用于采集礦井內(nèi)的甲烷濃度，并將采集數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)處理。串口通信電路：用于實(shí)現(xiàn)檢測(cè)裝置與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信，可以將每日記錄的甲烷濃度數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上，便于記錄、分析和管理。按鍵電路：用于實(shí)現(xiàn)木裝置的人機(jī)交互，通過(guò)按鍵可設(shè)置報(bào)警上限以及間斷采集時(shí)間間隔等信息。報(bào)警電路：發(fā)出聲光報(bào)警，提醒井下工作人員，撤離工作現(xiàn)場(chǎng)。LCD液晶顯示電路：用于實(shí)現(xiàn)甲烷濃度信息的實(shí)時(shí)顯不，并可顯不每日的甲烷濃度變化曲線，便于進(jìn)行人機(jī)交互。電源電路:為系統(tǒng)提供能量來(lái)源。圖6-4 硬件

13、電路框圖6.2.2 CO氣體檢測(cè)1. CO氣體檢測(cè)的原理系統(tǒng)是由氣體濃度檢測(cè)及變換電路、開(kāi)關(guān)控制電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字顯示電路和報(bào)警電路組成。傳感器。濃度檢測(cè)電路的核心器件是氣體傳感器，利用傳感器的轉(zhuǎn)換功能，將氣體的濃度轉(zhuǎn)換成可以直接測(cè)量的電壓信號(hào)。變換電路。它包括線性化補(bǔ)償電路、放大電路、電壓電流轉(zhuǎn)換電路。從傳感器中輸出的電壓信號(hào)線性不好而且信號(hào)很小，需要對(duì)它進(jìn)行線性化處理和放大處理。因?yàn)橐M(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，所以將電壓轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)傳輸，在送入下一個(gè)電路之前再變換成電壓信號(hào)。開(kāi)關(guān)控制電路。它包括一個(gè)多路模擬開(kāi)關(guān)、多諧振蕩器、計(jì)數(shù)器等。多諧振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖控制多路模擬開(kāi)關(guān)對(duì)16路氣體濃度進(jìn)

14、行巡回檢測(cè)，并顯示當(dāng)前檢測(cè)的路數(shù)。模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路。負(fù)責(zé)將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字頻率信號(hào)。數(shù)字顯示電路。通過(guò)計(jì)數(shù)、譯碼最終顯示出檢測(cè)氣體的濃度值。多路模擬開(kāi)關(guān)控制電路模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路數(shù)字顯示電路報(bào)警電路變換電路傳感器傳感器變換電路傳感器變換電路報(bào)警電路。當(dāng)某一路氣體濃度超限時(shí)，電壓比較器輸出觸動(dòng)報(bào)警電路報(bào)警。圖6-5 CO氣體檢測(cè)原理框圖該方案的特點(diǎn)在于它由純硬件電路實(shí)現(xiàn)，無(wú)需引入微處理器系統(tǒng)，大大降低了制作成本，易于實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，也具有較高的響應(yīng)速度。適合于對(duì)智能化程度要求不高的濃度檢測(cè)與控制場(chǎng)合。濃度檢測(cè)及信號(hào)處理電路:線性化電路放大電路轉(zhuǎn)換電路傳感器圖6-6 檢測(cè)及信號(hào)處理電與原理框圖氣體濃度

15、信號(hào)檢測(cè)及處理電路原理框圖如圖7-5所示。濃度檢測(cè)及信號(hào)處理電路由氣體傳感器、線性補(bǔ)償電路、放大器、電壓/電流轉(zhuǎn)換器及電流/電壓轉(zhuǎn)換器組成。該電路的工作原理是：利用直流穩(wěn)壓電源為整個(gè)電路系統(tǒng)供電，氣體傳感器將濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換成能進(jìn)行測(cè)量的電壓信號(hào)，但是這個(gè)電壓信號(hào)的線性度不好而且電壓值很小，需經(jīng)過(guò)線性化補(bǔ)償和放大器放大處理。因?yàn)樾枰h(yuǎn)距離傳輸信號(hào)，所以使用電壓/電流轉(zhuǎn)換器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成易傳輸?shù)碾娏餍盘?hào)進(jìn)行傳輸，在下一步處理前再用電流/電壓轉(zhuǎn)換器將它轉(zhuǎn)換成原來(lái)的電壓信號(hào)。2. CO氣體檢測(cè)的實(shí)例 CO氣體檢測(cè)儀的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，包括微控制器PIC16F946、CO氣體傳感器電路、鍵盤(pán)控制電路、

16、聲光報(bào)警電路、溫度測(cè)量電路、液屏，顯示、A/ D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓系統(tǒng)的工作過(guò)程：開(kāi)機(jī)后進(jìn)行全功能自檢，然后讀取單片機(jī)內(nèi)部的EPROM中設(shè)置的零點(diǎn)值、斜率值及設(shè)定的報(bào)警值；對(duì)CO傳感器過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行采樣，并對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理；對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、轉(zhuǎn)換、判斷是否超過(guò)報(bào)警值，根據(jù)判斷結(jié)果作出相應(yīng)的處理，并且顯示氣體的濃度值。圖6-7 CO氣體檢測(cè)電路電化學(xué)CO氣體傳感器輸出的信號(hào)為微弱的電流信號(hào)，儀器選用的傳感器的參數(shù)：正常測(cè)量范圍為01000 ppm，最大可以過(guò)載到2000 ppm，輸出電流為100 nA/ ppm信號(hào)調(diào)理電路需要把微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并進(jìn)行放大，在氣體傳感器輸出范圍

17、內(nèi)，電路輸出電壓信號(hào)隨氣體濃度做線性變化。采用低電壓低功耗CMOS運(yùn)放TLV2324完成調(diào)理功能。A/ D轉(zhuǎn)換電路主要由ADS7822組成，其連接圖如圖3所示。ADS7822是BB公司的12位高速2. 7 V微功耗串行A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率最高可達(dá)75 kHz，在75 kHz時(shí)功耗為0. 54mW, 7. 5 kHz時(shí)為0.06 m W，待機(jī)時(shí)電流最大為3微安。ADS7822與PIC16F946僅有三根線相連，分別為圖3中的AD_CS、AD_OUT和AD_CLK。報(bào)警電路主要包括聲、光、震動(dòng)報(bào)警電路，分別由發(fā)光二極管、低電壓蜂鳴器和震動(dòng)泵構(gòu)成，由PIC單片機(jī)的三個(gè)端口控制。此部分工作時(shí)，整機(jī)的

18、工作電流將增加為未報(bào)警狀態(tài)時(shí)的電流的數(shù)倍，消耗的功率比較大，因此采用了分時(shí)供電的方法，通過(guò)單片機(jī)控制此部分電源的通斷，即濃度達(dá)到報(bào)警值時(shí)才給其供電；另外用單片機(jī)輸出的周期信號(hào)控制振蕩器的起停，用振蕩器輸出信號(hào)控制蜂鳴器和發(fā)光二極管，振蕩器采用T L V 2324構(gòu)成的多諧振蕩器。采用這兩種方法可以降低此部分電路的功耗。此部分與單片機(jī)相連接如圖2中的BUZZER、LED、PULSATUR信號(hào)。6.2.3 CO2氣體檢測(cè)1. CO2氣體檢測(cè)的原理二氧化碳是綠色植物進(jìn)行光合作用的原料之一，作物干重的95%來(lái)自光合作用。因此，使用二氧化碳傳感器控制濃度也就成為影響作物產(chǎn)量的重要因素。塑料大棚栽培使作物

19、長(zhǎng)期處于相對(duì)密閉的場(chǎng)所中，棚內(nèi)二氧化碳濃度一天內(nèi)變化很大，日出前達(dá)到最大值10001200pp，日出后2.53小時(shí)降為100ppm左右，僅為大氣濃度的30%左右，而且一直維持到午后2小時(shí)才開(kāi)始回升，到下午4時(shí)左右恢復(fù)到大氣水平。蔬菜需二氧化碳濃度一般10001500ppm。因此，塑料大棚內(nèi)二氧化碳虧缺相當(dāng)嚴(yán)重，成為影響塑料大棚蔬菜產(chǎn)量的重要因素。在塑料大棚中安裝二氧化碳傳感器可以保證在二氧化碳濃度不足的情況下及時(shí)報(bào)警，從而使用氣肥。保證蔬菜、食用菌、鮮花、中藥等提早上市、高質(zhì)高產(chǎn)。紅外二氧化碳傳感器：該傳感器利用非色散紅外（NDIR）原理對(duì)空氣中存在的CO2進(jìn)行探測(cè)，具有很好的選擇性，無(wú)氧氣依

20、賴(lài)性，廣泛應(yīng)用于存在可燃性、爆炸性氣體的各種場(chǎng)合。催化二氧化碳傳感器：是將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的二氧化碳濃度轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)4-20mA 電流信號(hào)輸出、廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、煉化、燃?xì)廨斉?、生化醫(yī)藥及水處理等行業(yè)。熱傳導(dǎo)二氧化碳傳感器：據(jù)混合氣體的總導(dǎo)熱系數(shù)隨待分析氣體含量的不同而改變的原理制成，由檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件配對(duì)組成電橋的兩個(gè)臂，遇可燃性氣體時(shí)檢測(cè)元件電阻變小，遇非可燃性氣體時(shí)檢測(cè)元件電阻變大（空氣背景），橋路輸出電壓變量，該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大，補(bǔ)償元件起參比及溫度補(bǔ)償作用，主要應(yīng)用場(chǎng)所在民用、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的天然氣、液化氣、煤氣、烷類(lèi)等可燃性氣體及汽油、醇、酮、苯等有機(jī)溶劑蒸汽的濃

21、度檢測(cè)。2. CO2氣體檢測(cè)的實(shí)例紅外吸收型CO2氣體傳感器是基于氣體的吸收光譜隨物質(zhì)的不同而存在差異的原理制成的。不同氣體分子化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外輻射的吸收程度就不同，因此，不同波長(zhǎng)的紅外輻射依次照射到樣品物質(zhì)時(shí)，某些波長(zhǎng)的輻射能被樣品物質(zhì)選擇吸收而變?nèi)酰a(chǎn)生紅外吸收光譜，故當(dāng)知道某種物質(zhì)的紅外吸收光譜時(shí)，便能從中獲得該物質(zhì)在紅外區(qū)的吸收峰。同一種物質(zhì)不同體積分?jǐn)?shù)時(shí)，在同一吸收峰位置有不同的吸收強(qiáng)度，吸收強(qiáng)度與體積分?jǐn)?shù)成指數(shù)關(guān)系。因此，通過(guò)檢測(cè)氣體對(duì)光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度的影響，便可以確定氣體的體積分?jǐn)?shù)。根據(jù)比爾朗伯定律，輸出光強(qiáng)度I.輸入光強(qiáng)度I0、和氣體體積分?jǐn)?shù)C之間的關(guān)系為通過(guò)檢測(cè)相

22、關(guān)數(shù)據(jù)就可以得知?dú)怏w的體積分?jǐn)?shù)C。紅外CO2傳感器探頭結(jié)構(gòu)是由紅外光源、測(cè)量氣室、可調(diào)干涉濾光鏡、光探測(cè)器、光調(diào)制電路、放大系統(tǒng)等組成。紅外光源采用鎳鉻絲，其通電加熱后可發(fā)出3 10微安的紅外線，其中，包含了4. 26 微安處CO2氣體的強(qiáng)吸收峰在氣室中，C0,吸收光源發(fā)出特定波長(zhǎng)的光，經(jīng)探測(cè)器檢測(cè)則可顯示出CO2對(duì)紅外線的吸收情況干涉濾光鏡是可調(diào)的，調(diào)節(jié)它可改變其通過(guò)的光波波段，從而改變探測(cè)器探測(cè)到信號(hào)的強(qiáng)弱。紅外探測(cè)器為薄膜電容，吸收了紅外能量后，氣體溫度升高，導(dǎo)致室內(nèi)壓力增大，電容兩極間的距離就要改變，電容值隨之改變CO2氣體的體積分?jǐn)?shù)愈大，電容值改變也就愈大。6.2.4 瓦斯氣體檢測(cè)1

23、.瓦斯氣體檢測(cè)的原理礦井瓦斯爆炸是一種熱鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（也叫鏈鎖反應(yīng)）。它的主要成分為CH4。當(dāng)爆炸混合物吸收一定能量（通常是引火源給予的熱能）后，反應(yīng)分子的鏈即行斷裂，離解成兩個(gè)或兩個(gè)以上的游離基（也叫自由基）。這類(lèi)游離基具有很大的化學(xué)活性，成為反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行的活化中心。在適合的條件下，每一個(gè)游離基又可以進(jìn)一步分解，再產(chǎn)生兩個(gè)或兩上以上的游離基。這樣循環(huán)不已，游離基越來(lái)越多，化學(xué)反應(yīng)速度也越來(lái)越快，最后就可以發(fā)展為燃燒或爆炸式的氧化反應(yīng)。所以，瓦斯爆炸就其本質(zhì)來(lái)說(shuō)，是一定濃度的甲烷和空氣中度作用下產(chǎn)生的激烈氧化反應(yīng)。瓦斯爆炸產(chǎn)生的高溫高壓，促使爆源附近的氣體以極大的速度向外沖擊，造成人員傷亡，破壞巷

24、道和器材設(shè)施，揚(yáng)起大量煤塵并使之參與爆炸，產(chǎn)生更大的破壞力。另外，爆炸后生成大量的有害氣體，造成人員中毒死亡。瓦斯爆炸有一定的濃度范圍，我們把在空氣中瓦斯遇火后能引起爆炸的濃度范圍稱(chēng)為瓦斯爆炸界限。瓦斯爆炸界限為5%16%當(dāng)瓦斯?jié)舛鹊陀?%時(shí)，遇火不爆炸，但能在火焰外圍形成燃燒層，當(dāng)瓦斯?jié)舛葹?.5%時(shí)，其爆炸威力最大(氧和瓦斯完全反應(yīng))；瓦斯?jié)舛仍?6%以上時(shí)，失去其爆炸性，但在空氣中遇火仍會(huì)燃燒。瓦斯爆炸界限并不是固定不變的，它還受溫度、壓力以及煤塵、其它可燃性氣體、惰性氣體的混入等因素的影響。所以對(duì)瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測(cè)尤為重要。氣體傳感器MQ-5使用范圍：適用于家庭或工業(yè)上對(duì)液化氣，天然氣，煤

25、氣的監(jiān)測(cè)裝置，優(yōu)良的抗乙醇，煙霧干擾能力。特點(diǎn)：對(duì)液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度；對(duì)乙醇，煙霧幾乎不響應(yīng)；在較寬的濃度范圍內(nèi)對(duì)可燃?xì)怏w有良好的靈敏度，對(duì)丁烷、丙烷、甲烷的靈敏度較高快速的響應(yīng)恢復(fù)特性；長(zhǎng)期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性；簡(jiǎn)單的測(cè)試電路。MQ-5氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。 MQ-5傳感器對(duì)丁烷、丙烷、甲烷的靈敏度高，對(duì)甲烷和丙烷可較好的兼顧。這種傳感器可檢測(cè)多種可燃?xì)怏w，是一款適合多

26、種應(yīng)用的低成本傳感器。圖6-8 MQ-5的結(jié)構(gòu)圖2. 瓦斯氣體檢測(cè)的實(shí)例整個(gè)瓦斯氣體檢測(cè)儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6-9所示。系統(tǒng)工作原理:首先通過(guò)瓦斯氣體傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)的一氧化碳數(shù)據(jù)信息，傳感器選用的是中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七一八研究所的LXK-3催化元件進(jìn)行瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)，該系列元件是一種廣普性的氣敏元件，適應(yīng)于天然氣、液化氣和城市煤氣等多種氣體的檢測(cè)。LXK-3傳感器的輸出電壓范圍為-50+50 mV，由于ADuC834單片機(jī)主通道AD輸入范圍在120 mV-256 V,所以傳感器的輸出可直接送入單片機(jī)內(nèi)部。圖6-9 瓦斯氣體檢測(cè)電路圖6-10為聲報(bào)警電路。當(dāng)單片機(jī)輸出高電平時(shí)三極管Q，導(dǎo)通，此時(shí)場(chǎng)效

27、應(yīng)管A 940導(dǎo)通，電子蜂鳴器開(kāi)始鳴響;當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時(shí)Q，截止，此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管A 940關(guān)閉，電子蜂鳴器停止鳴響。為了獲得良好的光報(bào)警效果，圖6-10中的L，采用了直徑為10 mm的高亮二極管，因此專(zhuān)門(mén)為其設(shè)計(jì)了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)單片機(jī)輸出高電平時(shí)L1發(fā)光，當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時(shí)L1熄滅。圖6-10 瓦斯氣體報(bào)警電路振動(dòng)報(bào)警是為了儀器隨身攜帶而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的報(bào)警形式。其原理圖如圖6-11所示，與光報(bào)警電路的工作原理類(lèi)似，當(dāng)單片機(jī)輸出高電平時(shí)帶有偏心輪的電機(jī)啟動(dòng)，開(kāi)始振動(dòng)，當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時(shí)，電機(jī)斷電，停止振動(dòng)。D12起保護(hù)作用，防止電機(jī)產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)擊穿三極管，另外，串連電阻R22起限流作用

28、，可防止電機(jī)振動(dòng)過(guò)于劇烈。圖6-11 振動(dòng)報(bào)警電路6.2.5 PM2.5檢測(cè)1. PM2.5體檢測(cè)的原理因PM2.5屬于大氣顆粒，并不為實(shí)際的氣體，我國(guó)目前對(duì)大氣顆粒物的測(cè)定主要采用重量法。(1）重量法其原理是分別通過(guò)一定切割特征的采樣器，以恒速抽取定量體積空氣，使環(huán)境空氣中的PM2.5和PM10被截留在已知質(zhì)量的濾膜上，根據(jù)采樣前后濾膜的質(zhì)量差和采樣體積，計(jì)算出PM2.5和PM10的濃度。(2）微量振蕩天平法基于重量法的微量振蕩天平法，在質(zhì)量傳感器內(nèi)使用一個(gè)振蕩空心錐形管，在其振蕩端安裝可更換的濾膜，振蕩頻率取決于錐形管特征和其質(zhì)量。當(dāng)采樣氣流通過(guò)濾膜，其中的顆粒物沉積在濾膜上，濾膜的質(zhì)量變

29、化導(dǎo)致振蕩頻率的變化，通過(guò)振蕩頻率變化計(jì)算出沉積在濾膜上顆粒物的質(zhì)量，再根據(jù)流量、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度和氣壓計(jì)算出該時(shí)段顆粒物標(biāo)志的質(zhì)量濃度。(3）Beta射線法/射線法Beta射線儀則是利用Beta射線衰減的原理，環(huán)境空氣由采樣泵吸入采樣管，經(jīng)過(guò)濾膜后排出，顆粒物沉淀在濾膜上，當(dāng)射線通過(guò)沉積著顆粒物的濾膜時(shí)，Beta射線的能量衰減，通過(guò)對(duì)衰減量的測(cè)定便可計(jì)算出顆粒物的濃度。實(shí)際生活中除常見(jiàn)以上幾種方法外，還有許多其它的濕度檢測(cè)裝置，隨著電力電子科技的進(jìn)一步發(fā)展，將電子電路和氣體檢測(cè)結(jié)合產(chǎn)生了許多的更加便捷、簡(jiǎn)易、方便的檢測(cè)裝置。2. PM2.5檢測(cè)的實(shí)例光電傳感器主要由光源、光收集部分、光電檢測(cè)三部

30、分組成。針對(duì)本傳感器設(shè)計(jì)的口的是供測(cè)量顆粒物濃度，對(duì)細(xì)小顆粒物的檢測(cè)要求比較高，靈敏穩(wěn)定地把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)是十分重要的。因此，本文采用工作電壓4.55V，波長(zhǎng)650 nm，功率10mW的半導(dǎo)體激光器作為光源。與普通光源相比，激光源具有高亮度、靈敏度高、穩(wěn)定性好特點(diǎn)，作為光源是十分理想的。當(dāng)光敏區(qū)有顆粒物通過(guò)時(shí)，光強(qiáng)就會(huì)發(fā)生改變，同時(shí)接收管會(huì)根據(jù)光量的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的電流信號(hào)。本文使用透鏡1和透鏡2把光源發(fā)出的光照射到光敏感區(qū)，避免了光的浪費(fèi)，透鏡3把光收集起來(lái)發(fā)送到雪崩光電二極管，就得到與顆粒物有關(guān)的電信號(hào)。為了避免光敏感區(qū)以外的雜光進(jìn)入光敏感區(qū)，整個(gè)傳感器用黑色鋁管密封起來(lái)，使收集到的光脈沖信號(hào)穩(wěn)定可靠，傳感器的性能得到提高，增大了輸出信噪比，提高了傳感器靈敏度。光電檢測(cè)部分用雪崩二級(jí)管進(jìn)行接收光信號(hào)，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，調(diào)理電路進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換，電壓放大和電壓跟隨，并對(duì)電源部分進(jìn)行合