低功耗一氧化碳传感器研究进展

低功耗一氧化碳传感器是煤炭安全开采的重要保障和分布式无线传感技术的关键基础。阐述了低功耗一氧化碳传感器的工作原理,重点介绍了电化学和半导体一氧化碳传感器的最新研究进展,分析了它们的优缺点,展望了低功耗一氧化碳传感器的发展方向和前景。(1)电化学一氧化碳传感器主要由电极和电解质构成,有两电极和三电极结构,两电极电化学一氧化碳传感器没有参比电极,结构简单,易于设计和制造,成本较低,适用于低浓度一氧化碳的监测;三电极电化学一氧化碳传感器引入参比电极,具有较宽的量程和较高的精度,但成本高。电化学一氧化碳传感器响应时间较短,具有分布式无线传感应用前景,其研究重点在于铂-碳复合电极的制备,但电化学一氧化碳传感器仍然使用了水溶剂,存在漏液风险,且难以微型化;未来的发展趋势一方面要避免采用液体溶剂,研究全固态电化学一氧化碳传感器,并控制其孔隙率,缩短响应与恢复时间,另一方面要寻找廉价高效的电极材料,降低传感器成本;此外,制造微型化的电化学一氧化碳传感器也是未来重要的工作内容。(2)半导体一氧化碳传感器可分为非微加热板型和微加热板型。非微加热板型一氧化碳传感器采用的是陶瓷管基底或者氧化铝平板基底,由于加热器尺寸较大,且热传导严重,功耗较高,通常在100mW以上,难以用于分布式无线传感场合。微加热板型一氧化碳传感器热质量低,可以大大降低加热器运行功耗,还可与集成电路工艺兼容,可得到片上系统型一氧化碳传感器,降低外围电路功耗,适合物联网应用。微加热板型一氧化碳传感器体积比固体电解液电化学一氧化碳传感器更小,且具有成本低廉、灵敏度高、易于片上集成等优点,但易受湿度影响,基线易漂移;未来研究方向是对敏感材料进行修饰改进,优化封装工艺,并采用智能算法对基线进行自校准;可以使用沸石修饰敏感材料减少湿度对传感器的影响,或者在封装工艺上采用聚四氟乙烯等的憎水膜;智能算法可以采用支持向量机和人工神经网络结合算法或人工智能算法,未来希望可以实现高效率的边缘计算,以提高效率和准确率。     

微纳甲烷传感技术的研究

针对矿山物联网发展对甲烷传感器低功耗、微型化、低成本的设计要求,对一种基于微纳米技术的载体催化燃烧式甲烷传感器展开研究,着重介绍了该种甲烷传感器的微加热器及低维甲烷传感方面的研究现状及相应成果,并介绍了一种新型金属-绝缘体-金属结构的金属氧化物半导体甲烷传感器。该种甲烷传感器具有功耗低、体积小等特点,符合矿山物联网的发展需求。     

一种低功耗的无线瓦斯传感器节点设计

在对比常用瓦斯传感元件的基础上,选择了OPTOSENSE公司最新生产的红外吸收式甲烷气体传感器MIPEX,设计了无线瓦斯传感器节点硬件电路。在ZigBee协议栈的基础上,设计节点软件程序。节点处于周期约为10min的工作/休眠交替状态,在3节普通电池供电的情况下,从理论上估计其工作时间可超过10年之久,是采用传统低功耗瓦斯传感元件所远远不能达到的。     

用非加热式气敏传感器的有毒气体报警器

在有毒气体报警器的设计制作中,气敏传感器通常选用加热式、旁热式及催化燃烧式的半导体气敏元件。由于该类元件在工作时需要加热,元件长时间处于较高温度状态下,引起灵敏度变化,需要定期对气敏元件进行标定,给使用带来不便,同时由于加热也使得元件的功耗较大。下面介绍一款由非加热式气敏传感器构成的简易有毒气体报警器,可以克服以上不足。电路原理图如附图所示。气敏传感器采用非加热式气敏传感器TP-1.1A,它是采用纳米SnO2进行半导体掺杂,以微珠结构制成的非加热式低功耗气敏传感     

催化燃烧型甲烷传感器的研究

在分析传统催化燃烧型甲烷传感器的基础上，实验验证了催化燃烧原理，并设计了基于脉冲式恒温供电技术和闭环反馈系统的恒温检测桥路。通过实验得到了良好的效果。     

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。     

催化燃烧型甲烷传感器的研究

在分析传统催化燃烧型甲烷传感器的基础上,实验验证了催化燃烧原理,并设计了基于脉冲式恒温供电技术和闭环反馈系统的恒温检测桥路。通过实验得到了良好的效果。     

均匀沉淀法制备高性能催化燃烧式甲烷传感器

为了提高催化燃烧式甲烷传感器的性能,以介孔SBA- 15作为载体,采用均匀沉淀法制备具有不同Pd担载量的敏感材料.通过XRD和氮气吸脱附表征材料的组成及结构,并以该材料构筑敏感元件,研究其气敏特性.与传统浸渍法合成的Pd/γ-Al2 O3相比,Pd/SBA-15对于甲烷具有更加出色的敏感特性,这主要源于其高比表面积、小...     

催化燃烧型甲烷传感器恒温检测桥路的研究

催化燃烧型甲烷传感器的激活是传感器使用的关键问题。文章验证了催化燃烧原理,并分析了甲烷传感器的二值性问题。针对激活和二值性问题,设计了基于脉冲式恒温供电技术和闭环反馈系统的恒温检测桥路。通过实验取得了良好的效果。     

一种低功耗无线传感网络节点的设计

无线传感器网络是物联网的传感层。在无线传感器网络的设计与实现中,低功耗成为系统应用的重要制约,因此设计低功耗节点是当前研究难题之一。在自主研发的基于无线传感网络的智能交通系统中,研究电源功耗问题,设计并制作完成了低功耗无线传感网络节点。     

一种低功耗无线传感网络节点的设计

无线传感器网络是物联网的传感层。在无线传感器网络的设计与实现中,低功耗成为系统应用的重要制约,因此设计低功耗节点是当前研究难题之一。在自主研发的基于无线传感网络的智能交通系统中,研究电源功耗问题,设计并制作完成了低功耗无线传感网络节点。     

无线传感器网络节点的功耗分析与测试

能量消耗问题是无线传感器网络的核心问题,直接影响着网络的生命周期。本文从无线传感器网络节点的硬件构成其及运行机制、计算复杂性、数据通信量等方面去分析节点的功耗,并建立模块的功耗模型;接着研究传感节点的电流特点和微功耗测量技术,设计了一种传感节点的测量系统,以验证节点的低功耗特性。这些措施都是为了更好地分析解决无线传感网络中的能量消耗问题,保证传感器网络能量管理的有效性。     

一种通过算法移植降低无线传感器网络能耗的方法

在研究了多种降低系统功耗方法的基础上,针对无线传感网络的低功耗要求,对无线传感器网络各模块进行了分析和研究,设计并实现了一种基于算法移植的软件开发低功耗的方法,有效降低了节点功耗.采用高性能无线传感器Imote 2节点进行实验,和原有方法进行了对比,并分析其功耗.结果表明:改进后的方法能有效地降低节点的能耗,延长了整个网络的生存期.     

基于甲烷监测的无线传感器网络的功率优化

针对目前甲烷监测系统可靠性不高,介绍了一种低成本、低功耗的装有甲烷传感器的无线传感器网络替代传统的有线监控系统,从而更经济更高效地监测煤矿中的甲烷突出;无线传感器网络通过井下终端节点监测甲烷浓度的变化,给地面监控中心提供早期预警信号,使煤矿安全人员能及时发出命令来快速疏散在井下高危险区域作业的矿工,减少损失;重点提出了通过使用低功耗器件、发送最优数量的采样数据以及自动切换传感器节点工作状态来实现甲烷监测系统的功率优化,试验分析发现终端节点功耗可降低至1/4~1/2,通信距离可增加3倍左右,将会有很好的市场效应。     

时间驱动的深度嵌入型智能感知网操作系统分析与设计

智能感知网操作系统是管理和调度无线传感器节点和网络中的各种资源、为实现低功耗分布式感知任务而服务的基础软件.深度嵌入型智能感知网则特指面向高可靠关键应用、软硬件交互密切、对功耗要求苛刻的感知网.与传统无线传感器网络略有不同的是,深度嵌入型智能感知网定位在测控类用途,在保留低功耗运行这个特征之外,更加强调向高可靠强实时的...     

氧化锌气体传感器的制备及甲烷检测特性研究

甲烷(CH4)是电力变压器油纸绝缘中溶解的主要故障特征气体,能有效反映运行变压器油纸绝缘故障.气体传感检测是油中气体在线监测、分析的关键.基于水热法,制备了氧化锌(ZnO)纳米片和纳米球气敏材料及传感元件,基于实验室搭建的微量气体检测平台测试了其对CH4的检测特性.研究表明:基于ZnO纳米片制作的气体传感器比纳米球传感器对CH4表现出更好的气敏性能,对50μL/L CH4的最佳工作温度降低了约60℃,同时对低浓度(1μL/L～20μL/L)CH4表现出较高的线性度和长期稳定性.本研究对研制高性能的ZnO基CH4气体传感器奠定了基础.     

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。     

LoRa射频芯片的无线激光甲烷传感器设计

为解决目前煤矿无线甲烷传感器在实际应用中存在的功耗高、通信距离近、响应速度慢以及精度低等诸多问题,本文基于LoRa通信技术,以ARM主控制器STM8L151C8T6和LoRa射频芯片SX1268为核心,设计了一种无线激光甲烷传感器.重点介绍了传感器的工作原理及低功耗的实现方案,给出了硬件电路设计和软件程序流程.经实验验...     

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。     

MEMS低功耗催化甲烷传感器脉冲供电研究

针对传统催化甲烷传感器功耗高的问题,在分析微型机电系统(MEMS)低功耗催化甲烷元件性能的基础上,提出脉冲供电工作方式。通过输出稳定性测试和灵敏度测试确定脉冲供电具体占空比,并对恒压供电和脉冲供电下元件的线性特性、零点温度特性、灵敏度特性、零点漂移及灵敏度漂移进行了测试。结果表明,脉冲供电工作方式不仅可极大地降低MEMS催化甲烷传感器的功耗,而且在零点漂移和灵敏度方面拥有更加优异的性能。