一种长寿命智能型一氧化碳传感器的制作方法

1.本发明属于煤矿环境气体检测传感器领域，涉及一种长寿命智能型一氧化碳传感器。


背景技术：

2.一氧化碳传感器作为煤矿一氧化碳气体浓度监测的主要仪表，在火灾早期预警方面发挥 了重要的作用，是目前使用最成熟最广泛的火灾预警监测手段，随着矿山智能化的发展，长 寿命精准检测成为智能传感器的必然要求。经过十余年的发展，基于液态电解质的电化学一 氧化碳气体检测传感器分辨率高、检测下限低，是煤矿一氧化碳传感器的主要技术原理。但 是基于液态电解质的电化学敏感元件在煤矿井下高湿环境中吸水性强，容易漏夜导致使用寿 命大幅降低，有些使用环境寿命只有1年，吸水后溢出的电解质腐蚀电路，导致传感器工作不 稳定。基于液态电解质的电化学一氧化碳气体敏感元件检测环境气体浓度，当环境中湿度较 大时，敏感元件寿命大幅缩短，一般在煤矿井下使用寿命只有1到2年。目前矿用一氧化碳传 感器缺乏位置定位和自诊断功能，在使用中存在人为挪动、不按煤矿传感器布置标准要求安 装传感器的情况，严重影响安全监管与事故调查分析。另外当环境中存在胶轮车尾气或硫化 氢气体时传感器就会出现误报警，严重影响监测监控的有效性，给矿方和监管部门造成疑惑 和困扰，影响煤矿安全生产。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种长寿命智能型一氧化碳传感器，提升传感器使用 寿命，实现传感器位置定位以及自诊断功能，同时避免氮氧化物、硫化氢气体的交叉干扰。
4.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种长寿命智能型一氧化碳传感器，包括一氧化碳气体检测模块、微处理器、通讯交互 模块、位置定位模块和自诊断模块；
6.所述一氧化碳气体检测模块用于检测一氧化碳气体浓度，并将检测到的数据实时传输至 所述微处理器，微处理器用于识别其余模块的状态并控制其余模块的工作；所述通讯交互模 块用于与上级设备或地面监控平台通信；所述位置定位模块通过传感器三维位置坐标的实时 更新测量方法实时检测传感器的位置，并通过通讯交互模块将位置信息上传至地面监控平台； 所述自诊断模块用于实时对传感器故障特征信息进行检测与诊断，判断传感器是否处于故障 状态；
7.所述位置定位模块、通讯交互模块、电源模块和微处理器依次连接，自诊断模块与电源 模块连接，一氧化碳气体检测模块与微处理器连接。
8.可选地，所述位置定位模块包括与外界进行信息交互的定位模块，或不与外界进行信息 交互的自主定位模块，或同时包括两种定位模块；当位置变化时，位置定位模块将位置信息 发送至微处理器，微处理器将位置信息及对应时间进行存储，并通过通讯交互模
块上传。
9.可选地，传感器三维位置坐标的实时更新测量方法具体如下：
10.s1、读取传感器存储的位置信息，存入变量w
pre
，预设位置有效变化量为l；
11.s2、读取位置定位模块的位置信息，存入变量w，记录变化时刻t；
12.s3、计算位置瞬时变化量δ＝w-w
pre
；
13.s4、比较δ是否大于l，若大于，则进入步骤s5，若不大于，则返回步骤s2；
14.s5、将w的值赋予w
pre
，更新传感器位置信息和变化时刻，并将位置信息和变化时刻传 输至微处理器，返回步骤s2。
15.可选地，所述传感器故障特征信息包括一氧化碳传感器的输入电压和输入电流，以及一 氧化碳气体检测模块的供电电压和输出信号电压幅值；
16.自诊断模块检测传感器故障特征信息的方式具体为：
17.1)输入电压通过总阻值不小于100kω的由不少于两个电阻组成的分压检测电路进行检 测，若输入电压的a/d信号输入电压大于u1或者小于u2，则一氧化碳传感器的输入电压异 常；
18.2)输入电流通过在输入电压正极串联阻值为1ω的电流取样电阻进行取样，并采用差分 放大电路将经过取样的电流转换为a/d信号输入电压，若输入电流的a/d信号输入电压大于 u3或者小于u4，则一氧化碳传感器的输入电流异常；
19.3)供电电压通过总阻值不小于10kω的由不少于两个电阻组成的分压检测电路进行检 测，若供电电压的a/d信号输入电压大于u5或者小于u6，则一氧化碳气体检测模组的供电 电压异常；
20.4)输出信号电压幅值应在1.0～2.25vdc的范围之内。
21.可选地，u1和u2的大小由一氧化碳传感器的正常工作输入电压的最大值和最小值决定； u3和u4的大小由对应于输入电压的工作电流的最大值和最小值决定；u5和u6的大小由一氧 化碳气体检测模块的正常供电电压的最大值和最小值决定。
22.可选地，所述一氧化碳气体检测模块包括一氧化碳敏感元件和信号处理电路；
23.所述一氧化碳敏感元件用于检测一氧化碳气体浓度，输出电流信号，信号处理电路将电 流信号转换为电压信号，并将电流信号传输至微处理器中。
24.可选地，所述一氧化碳气体检测模块还包括温度测量元件和气压测量元件，用于实时测 量一氧化碳敏感元件所处环境的温度和气压，并进行温度和压力补偿校正。
25.可选地，所述一氧化碳敏感元件中设置有至少一层气体选择过滤膜，过滤膜能够吸收氮 氧化物气体以及硫化氢气体。
26.可选地，所述通讯交互模块采用隔离电源模块供电，与传感器其他电路部分为绝缘高阻 态，没有电流回路。
27.可选地，该传感器还包括数据存储模块、报警模块、显示模块和遥控输入模块；所述遥 控输入模块通过数据存储模块与微处理器连接，所述报警模块通过显示模块与微处理器连接；
28.所述数据存储模块用于实时存储传感器的零点、灵敏度、报警点、通讯地址、浓度最大 值信息；所述报警模块在一氧化碳气体浓度异常时发出声光报警信号，提醒作业人员；所述 显示模块用于实时显示一氧化碳气体浓度或传感器的参数信息；所述遥控输入模
块用于实现 非接触式红外信号的接收。
29.本发明的有益效果在于：本发明采用基于固态聚合物电化学检测原理的一氧化碳敏感元 件，使得传感器的使用寿命大幅提高，同时在敏感元件中增加气体选择过滤膜，吸收过滤氮 氧化物和硫化氢气体，解决了氮氧化物、硫化氢气体的交叉干扰问题，实现煤矿井下一氧化 碳气体浓度的长寿命智能精准检测，保障煤矿安全生产；另外本发明还增加了位置定位模块 以及自诊断模块，实现传感器位置和姿态和检测，以及关键信号的诊断，提高一氧化碳传感 器的智能化程度。
30.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某 种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发 明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
31.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详 细描述，其中：
32.图1为一氧化碳传感器电气结构示意图。
具体实施方式
33.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本 发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
34.如图1所示为一氧化碳传感器结构示意图，该传感器包括一氧化碳气体检测模块、电源 模块、微处理器、通讯交互模块、数据存储模块、遥控输入模块、显示模块、报警模块、位 置定位模块、自诊断模块。其中一氧化碳气体检测模块与微处理器相连，报警模块通过显示 模块与微处理器相连，遥控输入模块通过数据存储模块与微处理器相连，微处理器与电源模 块相连；自诊断模块与电源模块相连，位置定位模块与通讯交互模块相连。
35.一氧化碳气体检测模块包括基于固态聚合物电化学检测原理的一氧化碳敏感元件，温度 测量元件，气压测量元件，以及信号处理电路。其中敏感元件、温度测量元件、气压测量元 件设置在电路板的同一侧，从而真实测量一氧化碳敏感元件所处气室内的温度、气压大小， 实时对敏感元件检测到的一氧化碳气体浓度进行温度补偿校正和压力补偿校正，本实施例中， 一氧化碳敏感元件型号可选用01-es4-co-1000-01、01-es1-co-1000-01等，温度补偿元件可 为ewtf03-682f3i热敏电阻，气压测量元件可为量程300mbar～1200mbar的小封装高分辨率 压力传感器；一氧化碳敏感元件内设置有至少一层气体选择过滤膜，过滤膜能够过滤吸收氮 氧化物和硫化氢气体，避免交叉干扰，影响一氧化碳气体浓度检测精度；信号处理电路主要 用于将敏感元件输出的电流信号转换为电压信号。
36.电源模块用于实现关联本安电源电压的dc-dc降压，根据电路设计输出3～6v之间
的特 定电压，比如3.6v，为微处理器和各模块供电。
37.微处理器用于承载传感器的逻辑程序，上电工作后根据逻辑程序识别其他模块的状态， 控制其他模块工作逻辑，微处理器可为tm4c123ge6pz、stm32f072等。
38.通讯交互模块用于实现传感器与上级设备之间的数字通讯，接收上级设备发送的命令， 根据微处理器的逻辑，按照接收的命令类型发送相应的数据上传至地面监控平台，并进行显 示。通讯交互模块可为rs485通信模块、can通信模块、光电转换模块中的一种或多种，本 实施例中优选rs485模块。通讯交互模块采用隔离电源模块供电，信号采用光耦隔离器件， 隔离电源模块可为b0305s、b0505s等，光耦隔离器件可为pc357等。
39.数据存储模块用于实时存储传感器的零点、灵敏度、报警点、通讯地址、浓度最大值等 信息，数据存储模块可为微处理器内部的eeprom，或者外部独立存储芯片aa24c02等。
40.遥控输入模块用于非接触式红外信号的接收，输出对应的编码波形，该模块优选 ymg-338h。
41.显示模块能够实时显示一氧化碳气体的浓度，并根据遥控输入模块的信息切换显示传感 器参数信息，显示模块优选数码管、点阵式液晶显示屏。
42.位置定位模块用于实现传感器三维位置坐标的实时更新测量，并发送至微处理器进行处 理，该模块可为三轴加速度计、蓝牙定位模块、人员定位卡等。传感器三维位置坐标的实时 更新测量方法具体如下：
43.s1、读取传感器存储的位置信息，存入变量w
pre
，预设位置有效变化量为l；
44.s2、读取位置定位模块的位置信息，存入变量w，记录变化时刻t；
45.s3、计算位置瞬时变化量δ＝w-w
pre
；
46.s4、比较δ是否大于l，若大于，则进入步骤s5，若不大于，则返回步骤s2；
47.s5、将w的值赋予w
pre
，更新传感器位置信息和变化时刻，并将位置信息和变化时刻传 输至微处理器，返回步骤s2。
48.自诊断模块用于对传感器故障特征信息进行检测与诊断，检测与诊断结果用于判断传感 器是否处于故障状态，故障特征信息包括传感器输入电压、输入电流，一氧化碳气体检测模 块供电电压、输出信号电压幅值等。故障诊断方式具体为：
49.1)输入电压：通过总阻值不小于100kω的由不少于两个电阻组成的分压检测电路进行 检测，若输入电压的a/d信号输入电压大于2.00vdc或者小于0.72vdc，则一氧化碳传感 器的输入电压异常。分压检测电路中，电阻阻值的选型应使得正常传感器输入电压(9～25vdc) 转换为0.72～2.00vdc的a/d信号输入电压。
50.2)输入电流：经过大量样机测试，若传感器的输入电压为15vdc，输入电流的正常范 围为(23～28ma)，输入电流通过在输入电压正极串联阻值为1ω的电流取样电阻进行取样， 并采用差分放大电路将经过取样的电流转换为a/d信号输入电压，若输入电流的a/d信号输 入电压大于0.42vdc或者小于0.345vdc，则一氧化碳传感器的输入电流异常。
51.3)供电电压：供电电压应在3.0～5.0vdc的范围之内，本发明采用输出电压为3.3vdc 的线性稳压芯片进行供电，通过两个10k电阻组成的分压检测电路进行检测，则供电电压的 a/d信号输入电压为1.65vdc，若供电电压的a/d信号输入电压大于1.80vdc或者小于 1.50vdc，则一氧化碳气体检测模组的供电电压异常。分压检测电路中，电阻阻值的选型应 使得一氧化碳气体检测模块的正常供电电压(3～5vdc)转换为1.35～2.25vdc的a/d
信号输 入电压。
52.4)一氧化碳气体检测模块的正常输出信号电压幅值应在1.0～2.25vdc的范围之内，若某 一次输出信号电压幅值小于1vdc或大于2.25vdc，则判断输出信号电压幅值异常。
53.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施 例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进 行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求 范围当中。