1 概述

1.1 目的意义

随着煤矿安全问题日益突出，各种气体检测设备得到了广泛应用和发展，其中瓦斯、一氧化碳等传感器已经在绝大部分煤矿中普及，具有广泛的市场规模。矿井空气湿度主要受地面空气湿度、工业生产用水和地下水渗漏等因素的影响。矿井空气湿度一般都在70%以上，在夏季和矿井内的特殊地段，如矿井的总回风巷和出风巷，空气湿度达到90%以上甚至达到100%。

列位老友还当记得，49年前东北黑龙江连队树趟子里，就有白桦林。印象里没这么白，也更粗些，长势与长相也是同样的随意、不讲究。秋高气爽的时节，那白桦林在傍晚残阳斜照里有明黄的亮色，大片的桦叶在秋风落叶的日子里一天天厚厚软软地铺在地上，留下很奇特的踩踏感受。

高湿度的环境及电磁干扰等因素对井下电子设备使用影响非常大。经常会造成仪器检测数据不准确、仪器死机、数据传输不可靠、传感元件使用寿命短，甚至仪器损坏等问题。所以需要设计一种能在井下恶劣环境中使用的高可靠性的传感器，从而保证仪器检测数据准确、延长使用寿命、减少调校维护工作量。

1.2 国内同类产品和技术情况

目前国内矿用电化学式气体传感器技术已经非常成熟，对气体传感器的研究方向大多集中在提高探测精度、灵敏度和降低成本方面，而忽略了应用环境的影响，特别是湿度对传感器的影响。通过设计创新的气体采样方法和抗干扰措施，研制出能够抗井下超高湿度、电磁干扰等恶劣环境的高可靠性矿用气体传感器。从而保证仪器检测数据准确、延长仪器使用寿命、大大减少工作人员对仪器的调校维护工作量，并且可在湿度高达100%的环境中连续正常检测，技术水平具有国内领先水平。

2 实现方法、技术原理

2.1 技术原理以及实现方法

传感器工作时，主动采样小电机持续对环境气体进行主动采样，气体通过管道进入除湿装置，装置除湿空腔内安装有支撑网，该支撑网将除湿空腔分隔成存放空间和吸湿空间，该吸湿空间与选择性渗透膜相邻，装置干燥剂放置于存放空间内。

“人大工委组织代表依法履职，把代表们对街道工作的支持寓于监督之中，让部门单位在代表面前晒晒一年的工作，让人大代表们评出个好、中、差来，让大家出出汗、红红脸，对照先进找差距，促进街道各项工作健康发展。”县人大代表陈勇在街道评议工作会议上说。

在电路板上喷涂X-DRY高分子纳米涂层，此涂层可在-40℃到300℃温度范围内在元器件表面形成保护膜，起到防水汽、抗腐蚀、抗低温、防污染、抗电磁干扰的作用。在电源供电部分以及信号输出部分加入了由TVS空气放电管，共模电感，压敏电阻等元器件组成的电源和信号隔离保护电路，加强了电源和信号的抗干扰能力，让传感器在恶劣环境中能持续稳定的工作，电路原理见图2。

  

图1 传感器原理

以一氧化碳传感器为例做对比试验，将1台传统一氧化碳传感器和1台本设计方法研制的一氧化碳传感器放置试验箱中，湿度调至95%，温度调至28℃，每天通入150 PPm浓度的一氧化碳标准气体 1h共30d，记录数据后，形成曲线图，见图 3、图 4。

干燥剂不直接与选择性渗透膜接触，即使靠近膜的一层干燥剂吸湿饱和后，膜两侧依旧会存在湿度差，而选择性渗透膜的渗透有效面积没有减少，渗透效率可长期保持一致。吸湿空间内的空气在干燥剂间隙中产生微循环，渗透过来的水分子通过微循环透过选择性渗透膜被干燥剂吸附，有效面积大，干燥剂利用率高，从而延长了干燥剂的更换时间，使传感器的维护间隔时间更长。待测气体经过主动除湿后与采样探头发生反应，转换后的电信号极其微弱，需通过信号调整电路对获得的信号进行处理和放大，以满足A/D转换接口的需要。信号放大单元将接收到的电信号进行处理放大并输出。信号放大单元包括微分放大电路、信号检测电路、积分与输出电路。微分放大电路对输入的电信号进行微分、放大；信号检测电路与微分放大电路电性连接，积分与输出电路将信号检测电路取样检测的结果进行积分，并转换为随气体浓度大小变化的信号，再将该信号传输至处理器。信号经A/D转换器转换后，送微处理器，基于信号放大单元输出的电压信号，同时将数据进行存储、显示。传感器电路原理见图1。

2.2 实验结果

目前大多数煤矿工作面距离都较远，一般都在2000m左右，如果采用市面上的普通电机电流过大，达不到传输距离的要求。本传感器通过低功耗设计解决装置工作电流偏大的问题。超低功耗本安型电动机工作电压在2.4 V的时候电流仅为10mA，电路采用低功耗的单片机芯片和元器件，加上从软件上稳定启动电流、合理控制抽气频率等设计，使得传感器能降低功耗长时间稳定工作。

实验结果表明，传统的传感器检测数据逐天下降，在第22天的时候仪器已无反应，数据显示为零；而在第23天的时候测出一个特别大的数据，表明此时这台传感器已经彻底失效无法正常使用，而本设计方法研制的传感器数据虽略有下降但基本保持稳定，显示最大值一直在基本误差范围内。

前段时间有个朋友说：“我不能上环，老公又不愿意戴套，已经流产9次了，怎么办啊？”“那可以吃避孕药啊。”“啊？避孕药？那多伤身体啊!”流产9次不伤身体？吃避孕药反倒伤身体？看来大家对避孕药的误会很深啊！

  

图2 电源和信号抗干扰电路

  

图3 传统传感器浓度曲线变化（环境温度28℃，湿度95%）

  

图4 本设计方法研制的传感器浓度曲线变化（环境温度28℃，湿度95%）

3 特点与创新

（2）采用超低功耗的矿用本安型电机泵对外界气体进行主动采样，独特的干湿交换空腔结构使干燥剂与选择性渗透膜不直接接触，提高了干燥剂的利用率，延长了使用时间，且交换时不会吸附被测气体，不影响传感器采样的准确性。

（1）独创设计主动除湿气体采样法，将传感器外界气体进行主动采样，经除湿渗透、干湿高效交换后形成低湿恒流气样，解决了矿用传感器在高湿度的矿井环境中特别容易受影响的难题。

（3）采用纳米高分子聚合材料对传感器电路板表面进行处理，具有高效疏水疏油、抗腐蚀、防冻、防污染、抗干扰等特点。

（4）除湿装置采用平铺的干燥剂与选择性渗透膜之间还设置有独特的交换空腔，使干燥剂与选择性渗透膜不直接接触，利用交换空腔使湿空气在干燥剂内部流动，使干燥剂接触面积加大利用率增高，提高了除湿效果和除湿持续时间，减少干燥剂的更换次数，减少了传感器的维护频率。

4 结语

通过设计创新的主动除湿气体采样法和抗干扰措施，研制出能够抗井下超高湿度、电磁干扰等恶劣环境的高可靠性矿用气体传感器，研究成果可应用于多种特别是煤矿井下常用的一氧化碳和甲烷传感器上，传感器对外界气体主动采样，经除湿渗透、干湿高效交换后形成低湿恒流气样；在除湿剂与选择性渗透膜之间设置独特的交换空腔，内部循环流动，增加交换效率，提高除湿效果和除湿持续时间。本设计方法研制的传感器分别在开滦（集团）有限责任公司的东欢坨煤矿和江西省丰城矿务局曲江煤矿进行了工业性试验，试验周期3个月，在不需要更换传感器探头的情况下取得了良好的试验结果，各项技术指标达到了国家相关标准要求。相比传统的扩散式气体采样的矿用传感器，检测数据准确，寿命长，调校维护工作量减少，具有广阔的应用前景。

现实中，由于原材料、工艺等多种因素,配制的色样和标准色样不可能做到光谱曲线的完全重现,能做到的只是使所配色样和标准色样在各波长点上的光谱反射率差值达到最小。

参考文献

1 陈杰，黄鸿.传感器与检测技术［M］.北京：高等教育出版社，2002.

2 郑华耀.检测技术［M］.北京：机械工业出版社，2004.

3 苏清政，刘剑.矿井通风仿真理论与实践［M］.北京：煤炭工业出版社，2006.

4 陈杰，黄鸿.传感器与检测技术［M］.北京：高等教育出版社，2002.

5 邹德蕴，张广文.矿井环境气体理化性与控制技术［M］.北京：煤炭工业出版社，2002.

6 唐露新.传感与检测技术［M］.北京：科学出版社，2006.