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催化燃烧式瓦斯传感器技术的研究进展 　　摘 要： 首先分析了催化燃烧式瓦斯传感器的工作原理，然后综述了催化燃烧式瓦斯传感器的标定与补偿技术现状，最后指出，综合考虑催化燃烧式瓦斯传感器的稳定性和一致性，探索研究在初始不一致和工作过程不稳定的双重作用下，传感器数据的变化规律，通过智能信息处理的方法予以动态补偿，将是下一步需要研究的主要方向。 　　关键词： 　　中图分类号： ＴＰ３９１ 文献标识码： Ａ 文章编号：２０９５－２１６３（２０１１）０３－００７１－０３ 　　Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｄｖａｎｃｅｓ ｏｎ Ｃａｔａｌｙｚｉｎｇ Ｂｕｒｎｉｎｇ Ｇａｓ Ｓｅｎｓｏｒｓ 　　ＬＩＵ Ｈａｉｂｏ， ＳＨＥＮ Ｊｉｎｇ 　　 　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：The principle of catalyzing burning gas sensors is analyzed firstly. Then the state-of-the-art of calibration and compensation technology for catalyzing burning gas sensors is surveyed. Finally, the further research directions are pointed out, i.e. the consistency and invariance of catalyzing burning gas sensors should be consider together. The evolutionary rules of sensor data under both the inconsistent initial conditions and variant characteristic during working should be explored. And the dynamic compensation method based on intelligent information processing approach should be developed. 　　Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： 　　 　　０ 引言 　　 瓦斯传感器是物联网系统中的一类重要的前端感知设备，在煤炭、石化等领域有着重要的应用[１，２]，尤其在煤矿领域，已成为安全生产监控的一个重要保障。 　　 目前，煤矿中广泛应用的瓦斯传感器主要使用基于载体催化燃烧原理的敏感元件（俗称“黑白件”）[３，４]，这类传感器价格低廉，但普遍存在测量精度不高、稳定性不好（零点易漂移）、满刻度调校不快捷、不一致性（即不同的产品对瓦斯浓度的检测结果存在着差异）、“中毒”（指瓦检仪在浓度突然大幅增高时，其浓度指示无法跟踪浓度的变化，瓦检仪完全失灵，并且无法恢复）、双值特性（指当瓦斯浓度超过某一限定值后，其浓度指示曲线与浓度的增长方向相反，这种抛物曲线使得检测结果具有双值特征）等问题[５－７]。“中毒”现象及双值特性是黑白件的固有性质，难以通过生产工艺以外的方式予以克服，但稳定性与一致性问题可以通过数据处理措施予以改进。 　　 除了催化燃烧式瓦斯传感器外，其他检测瓦斯浓度的技术还有红外[８－１１]、声表面波[１２]、半导体[１３，１４]、光学[１５－１７]等技术。但是这些技术有的尚未成熟，有的尚未在煤矿推广普及。尽管催化燃烧式瓦斯检测技术存在着很多弱点，但在目前井下瓦斯检测中仍占主导地位，在煤矿中使用率超过９９％。所以，研究并克服瓦斯传感器的现有不足是当前主要的技术趋势。 　　１ 催化燃烧式瓦斯传感器工作原理分析 　　 催化燃烧式瓦斯传感器的工作原理为：给载体催化元件通以恒定的电流，加热至５００℃左右，敏感元件对瓦斯的催化作用会使瓦斯在元件表面上发生无焰燃烧并释放出热量，元件温度随之上升，敏感元件铂丝的电阻值随之增加。利用惠斯登电桥测量电路（如图１所示）可测出敏感元件电阻值的变化量，并可以进一步推算出相应的瓦斯含量。 　　 图１中的ｒ２为敏感元件，ｒ１为补偿元件。ｒ１与ｒ２制作材料相同，ｒ１表面未涂催化剂，不参与催化反应。在无瓦斯的新鲜空气中，ｒ２≈ｒ１，调整电桥使之平衡，信号输出端电压ＵＡＢ＝０。当有瓦斯时，在敏感元件ｒ２表面发生催化燃烧，ｒ２的阻值增加为ｒ２＋△ｒ２，但ｒ１阻值不变，从而导致电桥失去平衡。当采用恒压电源Ｅ供电时，电桥输出的不平衡电压为： 　　Ｕ＝Ｕ－ （１） 　　 设ｒ２＝ｒ１＝ｒ＞＞△，则有： 　　 Ｕ＝Ｕ≈Ｋ△ （２） 　　 式（２）表明，电桥输出电压与瓦斯浓度近似成正比。因此在一定的范围内，电桥输出电压与瓦斯浓度呈线性关系，根据测得的电压值便可推算出瓦斯浓度值。 　　２