具有数字温度补偿的氧气传感器设计

中煤科工集团沈阳研究院有限公司 煤矿安全技术国家重点实验室 沈阳煤炭科学研究所有限公司 祝 启

矿用氧气传感器，主要用于连续检测煤矿井下空气中的氧气含量，但目前市场上的氧气传感器未设计温度补偿，当在温度在0℃或40℃工作时，会有较大的误差。本文以DS18B20为温度元件，以STM8单片机为控制核心，通过电化学元件对微弱信号进行采集，经过信号放大、AD转换、温度采集、数据处理等，最终将检测的电压值转成浓度值，显示在界面上。

在煤矿安全生产中，氧气的含量是否充足对矿工生命安全至关重要。且煤矿井下工作环境恶劣，目前市场上的氧气传感器未设计温度补偿功能，导致实际测量会有较大的误差。

1 工作原理

传感器为采用氧化电池电化学传感元的检测元件，其产生与氧气浓度成正比的电压信号。

图1 结构图

它产生一个与氧气的含量成比例的微弱电流信号，元件信号采集电路采集到此信号并进行初步放大，放大后产生一个反向输出电压信号，此信号再经放大电路放大，送入CPU片内A/D转换输入口，CPU将此模拟量信号转换为数字信号，然后再对此信号进行处理，并实现显示，报警等功能。同时检测信号类型控制，选择频率信号模式或者数字信号模式与关联设备通讯。其原理框图如图1所示。

2 性能指标

传感器使用温度范围为0～40℃，相对湿度：≤98%，大气压力80kPa～110kPa，风速不大于8m/s。传感器的量程范围：0～25%，基本误差：±3%(满量程)。传感器输出信号制式，数字信号：1路RS485总线，传输速率：2400bps，传感器使用电缆的单芯截面积1.5mm2时，传感器与关联设备的最大传输距离应为2km。响应时间应不大于60s。

3 电路设计

氧气传感器都是自身供电，有限扩散，其金属-空气型电池由空气阴极，阳极和电解液组成。氧气传感器简单来说是一个密封容器(金属的或塑料的容器)，它里面包含有两个电极：阴极是涂有活性催化剂的一片PTFE(聚四氟乙烯)，阳极是一个铅块。这个密封容器只在顶部有一个毛细微孔，允许氧气通过进入工作电极。两个电极通过集电器被连接到传感器表面突出的两个引脚，而传感器通过这两个触角被连接到所应用的设备上。传感器内充满电解质溶液，使不同种离子得以在电极之间交换。进入传感器的氧气的流速取决于传感器顶部的毛细微孔的大小。当氧气到达工作电极时，它立刻被还原释放出氢氧根离子：O2+ 2H2O + 4e-->4OH-这些氢氧根离子通过电解质到达阳极(铅)，与铅发生氧化反应，生成对应的金属氧化物。2Pb + 4OH---> 2PbO +2H2O + 4e-上述两个反应发生生成电流，电流大小相应地取决于氧气反应速度(法拉第定律)，可外接一只已知电阻来测量产生的电势差，这样就可以准确测量出氧气的浓度。电路设计如图2所示。

图2 电路设计

图3 氧气电化学温度曲线

4 实验

环境条件温度：15℃～35℃、相对湿度：45%～75%、大气压力：80kPa～116kPa。试验用气样选取氮中氧标准气样（以下简称标准气样）应采用经国家计量部门考核认证的单位提供的气样，其不确定度不大于1%。

试验用主要仪器采用气体流量计：测量范围：（30～300）ml/min，准确度：2.5级、秒表：分度值为0.01s；电压表及电流表：采用四位半的数字万用表，其准确度应不小于0.5级。示波器：250M，精度为1µs；直流稳压电源：输出电压：DC（0～30）V；输出电流：2A。

在以下所有需对传感器调校的试验中，通气流量应保持在200ml/min。用制造厂提供的注气装置，按标定时的流量向传感器依次通入氮气、15%氧气和25%氧气3种气样。每一种浓度的气样通人3min后再读取显示值。重复测定4次，取其后3次的算术平均。

5 测试

传感器开机后首先进行初始化，读取标定配置信息，然后进入数据采集环节，采集完成后则进入数据处理，通过电化学元件对微弱信号进行采集，然后进行信号放大、AD转换、温度采集、最终将检测的电压值转成浓度值，

采用标准气样进行高低温测试，当通入18ppm标准气样时，补偿前低温0℃时为17.8ppm，高温为18.1ppm，当通入5.5ppm标准气样时补偿后0℃时为5.5ppm，高温为5.3ppm。氧气电化学温度曲线如图3所示。

结论：本文对电化学氧气传感器进行设计，通过温度补偿实现了氧气传感器在高低温时误差小，适合温度变化范围较大场合使用。