壓電諧振式煤礦瓦斯傳感器探頭設計與研制.pdf

1、我國是一個煤炭生產大國,煤炭儲量居世界第三。然而,在煤炭開采過程中,礦難事故頻繁發(fā)生,其中瓦斯災難事故是危害最大、死亡比例最高的重大事故之一。礦井瓦斯的監(jiān)測與治理一直是煤炭行業(yè)安全管理工作的重中之重。鑒于目前礦井普遍使用的催化燃燒式瓦斯檢測存在零漂及穩(wěn)定性欠佳等缺點,本文提出利用壓電諧振原理設計制作甲烷傳感器敏感探頭,以吸附材料作為甲烷氣體的載體,利用壓電振子諧振頻率對自身重量的敏感性嘗試設計制作傳感器敏感探頭,圍繞該敏感探頭相關的吸附

2、材料、諧振體設計、性能分析等方面做了系統(tǒng)研究,完成了吸附材料的制備與表征、振動體的有限元分析及設計制作、敏感探頭的加工組裝及其性能分析等工作。
　　作為同活性炭和沸石相對比的吸附材料,分別以硝酸鋅、氯化鋅和硫酸鋅為原料,采用低溫水熱法制備出了三種以鋅離子為金屬骨架結構的配合物。對上述配合物進行了XRD、紅外光譜、差熱-熱重及掃描電鏡測試分析。XRD分析結果表明,制備的三種金屬骨架配合物晶體為單一的純相,不含其他雜質,結合紅外測試結

3、果推測結構為Zn(NH3)2BDC。差熱-熱重分析表明,三種配合物可以在溫度低于200℃使用,骨架結構不坍塌。通過SEM觀測發(fā)現(xiàn),以硝酸鋅制備的金屬配合物結晶效果最好,為針狀晶粒,適用于作甲烷氣體的載體;以氯化鋅、硫酸鋅制備的金屬配合物結晶為顆粒狀;
　　以PZT8壓電陶瓷作為激振材料,磷青銅為振動本體材料,利用有限元方法進行了模態(tài)分析,在分析結果的基礎上篩選無模態(tài)混疊的模型進行三種氣敏探頭設計并進行加工、組裝與測試。實際阻抗譜測

4、試結果表明,有限元分析結果很好地指導了振動體的設計,其分析結果可信;
　　分別以活性炭、5A型沸石分子篩、MOF金屬有機骨架配合3種不同的諧振體,構成9種傳感器敏感探頭;利用TH2818型自動元件分析儀、搭建阻抗頻率特性測試平臺,在甲烷濃度為0%-7.6%之間分別對9種傳感器敏感探頭進行阻抗頻譜測試。通過對不同敏感探頭在不同甲烷濃度下的阻抗譜諧振峰偏移量(敏感探頭輸入-輸出曲線)、靈敏度與線性度的對比分析,表明以5A型沸石分子篩為