基于无线传感网络的瓦斯浓度采集前端电路设计

　　瓦斯浓度采集前端：在研究综合型应用平台，主要避免因瓦斯浓度过高带来的灾害，因此瓦斯监测的准确性十分重要，故而选择合适的瓦斯采集传感器尤为重要。从多方面考虑后，瓦斯浓度采集模块选用中国船舶重工集团公司第七一八研究所最新研制的MJC4/3.0L载体催化元件，以下是用于煤矿系统中瓦斯浓度采集的传感器电路设计。瓦斯传感器硬件接口示意图如图2所示。

　　

　　图2 瓦斯传感器的硬件接口示意图

　　瓦斯传感器采用热催化式瓦斯传感器，内部含有载体催化元件。若探头气室内无瓦斯气体，电桥保持平衡，此时没有信号输出。反之，则失去平衡，输出一个电信号，该信号与瓦斯气体浓度成正比。由于监测信号的值比较小，只有mV级大小，所以要经仪表放大器AD623进行放大，然后再送入CC2430微处理器的P0_0模拟通道进行A/D转换。CC2430微处理器将经过运算后的数据通过RF射频模块进行无线传输。

　　载体催化元件根据催化燃烧效应的原理工作，电桥的两个臂由一个检测元件和一个补偿元件组成。Rc为补偿元件，Rd是催化传感元件，这是一个典型的惠斯通电桥。由稳压源提供3.0V电源，将Rd和Rc放置 同一监测环境中。在没有瓦斯的空气状态中，Rd=Rc，输出端信号电压Uout= 0；如果空气中有瓦斯气体存在时，在补偿元件阻值不变的情况下，催化传感元件的表面发生无焰催化燃烧，且阻值随温度上升而增加到 Rd+Rd，从而使电桥失去平衡。其工作原理如图3所示。

　　

　　图3 基本测试电路

　　当 采用恒压 源进行 供电 时，输 出不 平 衡 电 压如下：

　　（1）

　　则有：

　　（2）

　　Rd与敏感元件的结构尺寸、性质、材料等有关。因此，在理想情况下，电桥输出的电压信号与空气中的瓦斯浓度成正比，在一定浓度测量范围内，输出电压信号与瓦斯浓度呈线性输出。