基于壓強(qiáng)自適應(yīng)補(bǔ)償高精度氧氣傳感器的研究

張遠(yuǎn)征

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400039）

煤礦井下是一個(gè)特殊的作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。為了保障井下工作的有序進(jìn)行，需要各種各樣的監(jiān)控裝置提供技術(shù)保障。氧氣傳感器就是用于保障井下人員安全的重要傳感器，氧氣濃度的大小是非常重要的指標(biāo)之一。為了保證煤礦井下作業(yè)人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，我國(guó)現(xiàn)行《煤礦安全規(guī)程》第135條規(guī)定：采掘工作面的進(jìn)風(fēng)流中，氧氣濃度不低于20%[1]。另外，在供風(fēng)條件不佳的掘進(jìn)巷道內(nèi)，易著火煤層附近巷道內(nèi)、采空區(qū)的回踩塌陷區(qū)以及已定義為高瓦斯突出的巷道內(nèi)，都有可能出現(xiàn)氧氣濃度（體積分?jǐn)?shù)）低于18%的情況發(fā)生，可能對(duì)井下作業(yè)人員的安全帶來(lái)影響，因此需要高可靠的氧氣濃度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和作業(yè)指導(dǎo)[2]。

煤礦監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)傳感器已涵蓋氧氣濃度監(jiān)測(cè)傳感器，煤礦井下、避難硐室中氧氣濃度實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有必要采用“就地取樣、就地處理、就地監(jiān)測(cè)，就地指導(dǎo)”的監(jiān)測(cè)技術(shù)。但是，煤礦井下環(huán)境壓強(qiáng)會(huì)隨著工礦條件的變化而突然改變，壓強(qiáng)的變化對(duì)傳感器的測(cè)量值準(zhǔn)確性造成較大影響。因此，消除壓強(qiáng)突變對(duì)氧濃度測(cè)量精度的影響，成為煤礦井下氧濃度檢測(cè)傳感器研究的關(guān)鍵技術(shù)[3]。

1 氧氣檢測(cè)基本原理

1.1 熒光猝滅氧氣濃度檢測(cè)原理

分子氧（O2）是眾所周知的碰撞猝滅劑，其三重態(tài)分子能夠有效猝滅任何發(fā)光體的發(fā)光，并且分子氧不帶電荷和非常小的分子尺寸特性，以及使用分子氧作為猝滅劑的高碰撞效率和高擴(kuò)散系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，使猝滅程度取決于所處環(huán)境的O2濃度相關(guān)?；谠搨鞲袡C(jī)制廣泛采用釕絡(luò)合物，在氧濃度感測(cè)中，發(fā)光體的猝滅反應(yīng)主要由三重態(tài)發(fā)光體（如其他處于基態(tài)的分子釕作為絡(luò)合物）與其他處于基態(tài)的猝滅劑（如三重態(tài)分子氧）之間的碰撞反應(yīng)引起，釕絡(luò)合物返回基態(tài)，不發(fā)射光子，氧氣從其基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榕d奮狀態(tài)，從而測(cè)得所處環(huán)境的氧濃度[4]。動(dòng)態(tài)猝滅過(guò)程如圖1所示。

圖1 熒光猝滅原理示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of fluorescence quenching principle

如果用分子氧對(duì)發(fā)光體進(jìn)行猝滅，是純粹的碰撞，則氧分壓p（O2）與發(fā)射強(qiáng)度和激發(fā)態(tài)壽命有關(guān)，且可用Stern-Volmer 方程進(jìn)行描述，即

式中：p（O2）為O2的氧分壓；I0，τ0分別為在不存在氧氣的情況下發(fā)光體的發(fā)光強(qiáng)度、衰減時(shí)間；I，τ 分別為存在某種氧氣濃度情況下發(fā)光體的發(fā)光強(qiáng)度、衰減時(shí)間；Kq為熒光猝滅速率常數(shù)；KD為動(dòng)態(tài)常數(shù)。

根據(jù)道爾頓定律，在任何特定容積內(nèi)的理想混合氣體中，如果組分氣體成分間不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，則它所產(chǎn)生的總壓力ptot和各組分氣體分別占有的氣體分壓pi之和相等[5]。即

由式（2）推斷出，理想混合氣體中，每種組分氣體的分子數(shù)Ni與各組分氣體的總分子數(shù)Ntot的比例，大約可以與每種組分氣體分別占有的氣體分壓pi與理想混合氣體產(chǎn)生的總壓力ptot的比例相當(dāng)。即

由熒光猝滅氧氣濃度檢測(cè)原理的計(jì)算公式（式（2）（3））可知，在一定理想的空間環(huán)境中，環(huán)境中氧氣體的濃度與環(huán)境中組分氣體氧氣的氧分壓和空間環(huán)境內(nèi)總的大氣壓強(qiáng)有直接關(guān)系，即與環(huán)境中組分氣體氧氣的氧分壓的大小成正比，與空間環(huán)境內(nèi)總的大氣壓強(qiáng)的大小成反比。同時(shí)，熒光猝滅氧氣濃度檢測(cè)原理也是光學(xué)檢測(cè)技術(shù)的基本原理之一，具有無(wú)消耗性、抗干擾性強(qiáng)等特性，表明其比電化學(xué)氧檢測(cè)技術(shù)擁有更高的檢測(cè)精度、更強(qiáng)的抗干擾能力、更持久的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，滿足了近年來(lái)礦用氧濃度傳感器對(duì)提高氧濃度檢測(cè)的可靠性、準(zhǔn)確性的發(fā)展及研究方向[6]。

傳統(tǒng)的熒光猝滅氧檢測(cè)敏感元件由封閉氣室、發(fā)光二極管、內(nèi)部光路透鏡、光電探測(cè)器以及配套的解調(diào)電路組成，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)熒光猝滅氧傳感器示意圖Fig.2 Diagrammatic sketch of traditional fluorescence quenching oxygen sensor

2 壓強(qiáng)補(bǔ)償技術(shù)研究

在壓強(qiáng)變化的環(huán)境下，會(huì)導(dǎo)致空間總的壓強(qiáng)發(fā)生變化，影響氧濃度測(cè)量的精度，甚至使氧濃度測(cè)量失效。為避免壓強(qiáng)變化對(duì)氧濃度測(cè)量的影響，有必要進(jìn)行敏感元件自適應(yīng)壓強(qiáng)補(bǔ)償技術(shù)的研究。

為了保障壓強(qiáng)自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)男Ч?，需要采用敏感元件與壓強(qiáng)測(cè)量元件相融合的設(shè)計(jì)方法，制備出一個(gè)新的具有壓強(qiáng)和氧濃度測(cè)量的結(jié)構(gòu)體。針對(duì)自適應(yīng)壓強(qiáng)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)體的制備，先將金屬殼體和金屬粉末冶金采用機(jī)械過(guò)盈結(jié)合方式制備出環(huán)狀結(jié)構(gòu)體；將敏感元件嵌入結(jié)構(gòu)體中澆封為整體，使氧氣敏感元件能夠及時(shí)準(zhǔn)確地?fù)渥窖鯕獾乃矔r(shí)變化趨勢(shì)；針對(duì)自適應(yīng)調(diào)節(jié)壓強(qiáng)補(bǔ)償?shù)男枰谕獠吭黾?個(gè)壓強(qiáng)測(cè)量元器件用于壓強(qiáng)的實(shí)時(shí)采集和壓強(qiáng)自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)闹悄荛]環(huán)控制，為壓強(qiáng)補(bǔ)償算法提供足夠的壓強(qiáng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，保持結(jié)構(gòu)體內(nèi)敏感元件能在工作環(huán)境（50～120）kPa 內(nèi)的可靠性要求。具備氧氣和壓強(qiáng)采集的敏感元件結(jié)構(gòu)體如圖3所示。

圖3 敏感元件結(jié)構(gòu)體組成Fig.3 Sensitive element structure composition

3 壓強(qiáng)補(bǔ)償方法研究及測(cè)試

3.1 壓強(qiáng)對(duì)氧濃度測(cè)量的影響

由道爾頓定律可知，在理想狀態(tài)下，氣體分壓比呈現(xiàn)理想比例，但是在壓力變化的情況下，由于分子間作用力會(huì)增強(qiáng)或減弱，從而改變各組分氣體的分壓力。因此，大氣總壓強(qiáng)變化會(huì)影響氧濃度的占比，從而影響氧濃度測(cè)量的精確性。以氧濃度（體積分?jǐn)?shù)）為20%的氣體為例進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，氧濃度的變化率見(jiàn)表1。

表1 壓強(qiáng)對(duì)氧濃度測(cè)量的影響Tab.1 Effect of pressure on the measurement of oxygen concentration

壓強(qiáng)的快速變化對(duì)氧濃度的測(cè)量精度的影響也是巨大的，變化的幅值不僅與環(huán)境壓強(qiáng)變化的快慢有關(guān)，還與變化的范圍有關(guān)。將敏感元件結(jié)構(gòu)體放置在壓力快速突變裝置中，進(jìn)行壓力-氧濃度模擬數(shù)據(jù)測(cè)試，環(huán)境氧濃度為20.8%，壓強(qiáng)分別為50，80，120 Pa 下，所得到的氧濃度變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 壓強(qiáng)變化幅值示意圖Fig.4 Diagrammatic sketch of pressure change amplitude

由表1和圖4可知，壓強(qiáng)變化越快，幅值越大，氧濃度測(cè)量值也具有變化越快，幅值越大的特點(diǎn)；當(dāng)壓強(qiáng)緩慢變化到某個(gè)特點(diǎn)壓力點(diǎn)時(shí)，數(shù)據(jù)越變化越平穩(wěn)，但隨著大氣總壓強(qiáng)減小，氧濃度的占比逐漸增大；隨著大氣總壓強(qiáng)增大，氧濃度的占比逐漸減小。因此，在大氣總壓強(qiáng)單調(diào)上升的過(guò)程中，氧濃度呈單調(diào)的下降的趨勢(shì)。

3.2 壓強(qiáng)補(bǔ)償方法

壓強(qiáng)補(bǔ)償算法的核心設(shè)計(jì)思路是通過(guò)利用初步實(shí)驗(yàn)測(cè)量的氧濃度數(shù)據(jù)和大氣壓強(qiáng)測(cè)量數(shù)據(jù)。采用循環(huán)補(bǔ)償法，并在其中結(jié)合分段線性插值法、重心拉格朗日插值法，逐步逼近真實(shí)氧濃度，完成氧濃度值的壓強(qiáng)補(bǔ)償[7]。壓強(qiáng)補(bǔ)償算法包含以下幾個(gè)步驟：

步驟1在 （50～120）kPa 大氣壓強(qiáng)范圍內(nèi)，均勻地選取p1，p2，p3，…，pn氣壓測(cè)試點(diǎn)。在0%～25%O2量程范圍內(nèi)，均勻選取C1，C2，C3，…，Cn為氧濃度測(cè)試點(diǎn)，并將標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力、環(huán)境氧濃度確定為原始?xì)鈮?、氧濃度基?zhǔn)點(diǎn)p0和C0，測(cè)量并計(jì)算出氧濃度-大氣氣壓影響經(jīng)驗(yàn)函數(shù)ACb（pa）。

步驟2改變大氣壓強(qiáng)環(huán)境后，將傳感器測(cè)量獲得的氧濃度值C′和大氣氣壓值patm′，代入ACb（pa），計(jì)算出對(duì)應(yīng)的斜率F（C′，patm′）。

步驟3采用斜率F（C′，patm′）補(bǔ)償大氣氣壓變化值對(duì)氧濃度值的影響，計(jì)算出每次補(bǔ)償后的氧濃度值C″。

步驟4將計(jì)算出的C″再次代入式（2）（3），進(jìn)行循環(huán)補(bǔ)償運(yùn)算。當(dāng)每2次循環(huán)補(bǔ)償后的氧濃度值之差的絕對(duì)值小于判斷預(yù)設(shè)值時(shí)，結(jié)束循環(huán)補(bǔ)償，并將最后一次循環(huán)補(bǔ)償后的氧濃度值作為氧氣濃度測(cè)量值Cz。

3.3 測(cè)試

以O(shè)2體積分?jǐn)?shù)為20.0%的氧氣標(biāo)準(zhǔn)氣樣進(jìn)行壓力補(bǔ)償對(duì)比試驗(yàn)，在（50～120）kPa 的壓力范圍內(nèi)，未經(jīng)過(guò)壓強(qiáng)補(bǔ)償?shù)难鯘舛葴y(cè)量值，其波動(dòng)范圍為-5.0%～12.5%；經(jīng)過(guò)壓強(qiáng)補(bǔ)償后的氧濃度測(cè)量值，其波動(dòng)范圍為明顯縮小到-1%～2.0%，表明壓強(qiáng)補(bǔ)償后的氧濃度測(cè)量值受壓力變化的影響已降至FS2.0%范圍內(nèi)，其數(shù)據(jù)變化如圖5所示。

圖5 壓強(qiáng)補(bǔ)償前后傳感器測(cè)量值隨壓強(qiáng)的變化Fig.5 Changes of sensor measurement value with pressure before and after pressure compensation

4 結(jié)語(yǔ)

在介紹煤礦井下氧濃度測(cè)量重要意義的背景下，提出了寬壓強(qiáng)適應(yīng)能力的氧濃度測(cè)量傳感器。通過(guò)采用對(duì)氧氣敏感元件和壓強(qiáng)敏感元件結(jié)構(gòu)體技術(shù)的研究，提供基本的氧氣和壓強(qiáng)實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)，并采用模擬試驗(yàn)的方法獲取壓強(qiáng)變化對(duì)氧濃度測(cè)量值的影響曲線，計(jì)算出了大氣壓強(qiáng)對(duì)氧濃度測(cè)量的影響函數(shù)及相應(yīng)的壓強(qiáng)補(bǔ)償算法。在實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試中，對(duì)所述補(bǔ)償算法進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試數(shù)據(jù)顯示傳感器能適應(yīng)壓強(qiáng)范圍（50～120）kPa 范圍內(nèi)氧濃度的高精度測(cè)量，補(bǔ)償后的測(cè)量誤差小于FS2.0%，可以滿足煤礦現(xiàn)場(chǎng)使用的需求。