采用脉冲供电的催化传感器的工作性能研究

针对煤矿瓦斯监测系统中催化传感器功耗高的问题,提出了采用脉冲供电方式对传统供电方式进行改进的方法.分析了载体催化元件的工作特性和脉冲供电原理;通过实验研究了不同CH4浓度的标准气样下,供电脉冲频率、脉宽（即占空比）与传感器灵敏度之间的关系.实验结果表明：和普通催化传感器相比,采用脉冲供电的将会很大程度上降低催化传感器的功耗,延长便携式设备的生命周期;同时,分析得到采用脉冲供电的可行性和最佳频率.     

甲烷催化元件输出漂移的原因分析与对策

催化元件在矿井CH4检测中起重要作用,其性能直接影响到检测的质量。零点漂移影响到甲烷检测的可靠性,给连续检测仪器的校正带来了不便。从催化元件的结构、热敏材料和催化剂的制备出发,结合催化元件工作过程的传热和传质分析,研究和测试了催化元件的工作性能。分析并总结了催化元件产生零点漂移的原因,并提出了解决的对策。     

基于MEMS技术的载体催化甲烷检测元件制作方法

在分析载体催化甲烷检测原理的基础上,提出采用先进的微机电系统(Microelectro Mechanical System,MEMS)技术对传统载体催化甲烷检测元件的制作方法进行改进,给出了具体的元件制作流程,并对元件的性能进行了测试。测试结果表明,基于MEMS技术的载体催化甲烷检测元件较传统载体催化甲烷检测元件在功耗、抗中毒、一致性等方面有明显改善。     

基于MEMS的镍薄膜加热器催化传感器研究

设计了基于微机电系统(MEMS)工艺,以镍薄膜作为加热体的新型催化传感器。通过磁控溅射沉积、刻蚀等工艺制成镍薄膜加热器,并对其进行了稳定化热处理以及防氧化聚合物涂层处理。传感器性能测试结果表明:镍薄膜加热器具有良好的抗高温氧化能力;气氛老化可缩短50%的老化时间;甲烷气体浓度与灵敏度呈良好的线性关系;对甲烷的灵敏度约为30 m V/1%Vol;传感器功耗约为150 m W,零点和灵敏度年漂移小于1. 5%LEL。     

催化元件配对工艺及瓦斯检测方法优化

通过研究热催化瓦斯传感器催化传感元件的动态配对工艺,增强了传感元件和补偿元件的一致性,抑制了零点漂移。采用新的检测方法,改善了传感器的工作状态,提高了传感器的灵敏度和稳定性。传感器灵敏度自动调校的研究有利于瓦斯监测系统自动化与可靠性的提高。     

热催化瓦斯传感器的特性及其补偿方法

针对热催化瓦斯传感器特性漂移严重的问题,在对热催化瓦斯传感器灵敏度、零点时漂以及环境温度、湿度对其影响实测数据的基础上,通过最小二乘法建立了传感器特性漂移的数学模型,并提出了对其特性进行补偿的方法。实验结果表明:补偿后的瓦斯检测精度大大提高。对热催化瓦斯传感器特性漂移的机理进行了分析。     

低功耗甲烷传感器研究进展

针对分布式无线甲烷传感器需功耗低、微型化、响应时间短、可靠性高、安全性好的要求,介绍了基于微机械电子系统技术和纳米材料的低功耗催化燃烧式、热导式、电导式甲烷传感器的工作原理和研究进展,分析了它们的优缺点,展望了低功耗甲烷传感器的发展方向和前景。(1)低功耗催化燃烧式甲烷传感器可测量低浓度甲烷,然而易中毒,稳定性不高,由于工作温度较高,低功耗催化燃烧式甲烷传感器的功耗一般较高,通过采用脉冲方式运行,传感器平均功耗可降低至2mW以下;然而其稳定性不高,未来的研究方向是改进封装工艺或者催化材料,以增强其抗毒化的能力,同时需结合人工智能和机器学习等先进算法研究免人工校准的低功耗催化燃烧式甲烷传感器。(2)低功耗热导式甲烷传感器具有全量程测量甲烷的能力,可同时测量低浓度和高浓度甲烷,在矿井中可以稳定运行,且对煤矿井下环境的适应力强,具有分布式无线甲烷传感器应用前景;未来的发展方向是改进电路模组,实现睡眠-唤醒运行模式,同时研究传感器元件和外围电路的集成技术,以实现片上集成式热导式甲烷传感系统,降低整体运行功耗。(3)低功耗电导式甲烷传感器分为室温型和微加热板型,室温型电导式甲烷传感器功耗较低,但响应时间较长;微加热板型电导式甲烷传感器功耗相对低,结合特定的纳米材料,可以在较低工作温度下实现对甲烷的响应,具有低浓度甲烷监测应用前景,但微加热板电导式甲烷传感器一般对环境湿度很敏感,基线易偏移,敏感材料对电极的粘附力差,器件重复性和可靠性均较差,需要进一步改进敏感材料和封装工艺;应用磁控溅射方法将半导体氧化物敏感材料沉积到电极上可提高材料的粘附力,从而提高器件的重复性和可靠性,同时需结合算法纠正基线偏移,保证微加热板型电导式传感器的稳定运行。(4)从整个传感系统角度看,传感元件外围电路的功耗有时甚至高于传感元件本身,未来的方向是研究片上集成式甲烷传感器,可大大降低外围电路功耗,形成极低功耗甲烷传感器。(5)需要研究先进的传感器自校准算法,实现分布式无线低功耗甲烷传感器免人工标校或自校准。     

基于光谱吸收原理的光纤甲烷传感器检测方法研究

提出了一种基于光谱吸收原理的光纤甲烷传感器的检测方法,建立了差分检测技术的数学模型,利用差分吸收法消除了光源不稳定及光电器件的热零点漂移、零点漂移对测量准确度的影响。实验结果表明基于光谱吸收原理的光纤甲烷传感器系统性能较为稳定、灵敏度较高、测量范围宽、重复性较好,适合于检测煤矿井下瓦斯含量。     

催化燃烧式LNG传感器自校准技术的研究

为了提高催化燃烧式LNG传感器的测量精度和传感器工作寿命与稳定性,研发了新型的恒温检测电路,并在此基础之上进行了零点漂移和灵敏度自动校准技术的理论分析和实验研究。实验数据表明：该技术有效地解决了该类传感器长期存在的零点漂移与灵敏度下降的问题,为设计具有自动校准功能的可燃气体变送器提供了依据。     

高灵敏度电容式生物传感器的设计

设计了一种电容式生物传感器,采用组合微叉指电极作为分子识别元件,高精度电容测量电路作为转换元件。经实验验证该传感器具有性能稳定、零点漂移小、灵敏度高等特点,可用于免疫球蛋白(IgG)的检测。     

基于LoRa的低功耗瓦斯浓度分布式监测系统设计

针对催化燃烧式甲烷传感器功耗较高及有线瓦斯浓度监测系统安装成本高、扩展性和灵活性差、维护工作量大等问题,设计了基于LoRa的低功耗瓦斯浓度分布式监测系统,详细介绍了瓦斯浓度采集节点与LoRa智能网关的软硬件设计。瓦斯浓度采集节点采用STM32L151超低功耗系列处理器,通过电源管理模块将系统电源分为可控的3个部分,并通过功耗控制策略降低功耗:(1)单片机核心系统采用低功耗模式;(2) MJC4/2.8J甲烷检测用载体催化元件采用动态通电方式,以降低平均电流;(3)采集节点中除单片机核心系统外的其他模块按需供电。LoRa智能网关利用嵌入式实时操作系统μC/OS-II进行任务调度,使网关性能达到最优,提高CPU的利用率。测试结果表明,瓦斯浓度采集节点具有较好的数据传输性能,功耗控制策略可有效降低采集节点的平均电流,从而延长电池使用时间,降低系统维护工作量。     

应变式传感器桥路供电方式的研究

对直流（包括恒压和恒流）电桥的工作性能进行了分析。针对为提高电桥电压灵敏度而产生的桥臂功耗增大，电阻“温升”和热噪声等问题，提出了用恒流源间隙（脉冲）供电方式。此方式不仅可以提高传感器的灵敏度和精度，还有效地降低了电阻“温升”和热噪声。     

基于LabVIEW和MSC1210的催化传感元件配对系统

为了提高催化传感器的零点稳定性,设计了一个催化传感元件配对系统,系统利用MSC1210及外围电路构成下位机进行数据采集,LabVIEW作为开发平台对数据进行处理,二者之间通过串口实现数据通信.给出了单片机部分的硬件实现和软件实现,详细介绍了LabVIEW串口通信子程序和数据处理子程序的设计方案.利用该系统采用动态配对方法使催化传感元件与其特性相近的补偿元件进行配对,改善了补偿效果,显著减小了零点漂移.     

基于LightGBM-Stacking模型融合的多传感器甲烷检测系统

利用多传感器检测技术结合集成学习方法，设计了一种基于LightGBM-Stacking模型融合的多传感器甲烷检测系统，其中分别使用恒压供电式催化燃烧型传感器、两路脉冲供电式催化燃烧型传感器和热传导型传感器相结合的方式达到全范围检测的目的。实验结果表明，相比使用单一算法模型，本文所提出的LightGBM-Stacking集成模型在甲烷预测的准确率、均方根误差及决定系数等指标上均有更好的表现。     

载体催化传感器的电压特性曲线

在载体催化元件的研究和生产中 ,一般采用行业标准规定的指标来评价元件的性能。文章从载体催化研究和生产的实际出发 ,提出了载体催化传感器电压特性曲线的概念。电压特性曲线能比较全面地反映载体催化型传感器的性能。文章还给出了电压特性曲线的测量过程及灵敏度电压特性曲线的主要特征值。     

MEMS硅铝异质结构压力传感器的设计制作与测试研究

金属半导体异质混合结构是一种特殊的压阻结构,其具有高于传统MEMS压阻式压力传感器的压阻性能.鉴于此,设计和研究了一种由掺杂单晶硅和金属铝混合形成的MEMS异质结构压力传感器.首先结合理论模型和ANSYS有限元模拟仿真分析了硅铝异质结构传感器的灵敏度特性,然后通过MEMS工艺制作了硅铝异质结构压力传感器芯片,并对其进行了封装与测试.实验结果表明,硅铝异质结构压力传感器的灵敏度可达到0.1168 mV/(V·kPa),而利用参考结构能够明显减小环境温度对其性能的影响.在此基础之上,本文采用基于遗传算法改进的小波神经网络对传感器的温度漂移和非线性误差进行了补偿,补偿后硅铝异质结构压力传感器的测量误差小于±1.5％FS.     

外加电压和桥电压对压力传感器零点和灵敏度影响理论分析

本文详细的分析了自平衡电桥激励的压力传感器的输出信号U与桥电压Ve、供电电压Vcc及流体压力P之间的关系,并指出,不仅桥电压而且总激励电压都对零点和灵敏度有影响,在U－Vcc,P的三维空间表达了三者之间典型关系曲线。建议零点输出的电漂移应作为压力传感器的一个特性指标。     

MEMS粗真空传感器研制

设计了硅基MEMS粗真空传感器及其工艺流程,分析了 MEMS粗真空传感器的工作原理和过程,制作了MEMS粗真空传感器,并对其真空敏感特性和温度交叉敏感特性进行了实验研究.研究结果表明:采用恒压源供电时,制作的MEMS真空传感器灵敏度高达0.55μV/Pa,同时,具有很好的线性度和重复性.     

霍尔式传感器的信号调理电路

根据霍尔传感器的特性和MAX14 5 7的工作原理 ,提出将MAX14 5 7应用于霍尔传感器信号调理的方案。可对传感器进行自动校准 ,实现对多达 12 0个点的热零点漂移、热灵敏度漂移的自动数字化补偿和非线性误差修正 ,大幅度减小测量误差     

压力传感器激励电源电压值的选择

由于压力传感器输出出现零点电漂移,不同激励电压零点便不同。本文介绍应怎样选择其激励电压值,同时分析了集成稳压电路的电压输入输出特性以及利用它对传感器供电消除热堆零点漂移同时又使零点偏移为零,并用实验加以验证。