壓電諧振式煤礦瓦斯傳感器探頭設(shè)計與研制.pdf

1、我國是一個煤炭生產(chǎn)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(zāi)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(shè)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(shè)計制作傳感器敏感探頭,圍繞該敏感探頭相關(guān)的吸附

2、材料、諧振體設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)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(zhì),結(jié)合紅外測試結(jié)

3、果推測結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)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(jié)果的基礎(chǔ)上篩選無模態(tài)混疊的模型進行三種氣敏探頭設(shè)計并進行加工、組裝與測試。實際阻抗譜測

4、試結(jié)果表明,有限元分析結(jié)果很好地指導(dǎo)了振動體的設(shè)計,其分析結(jié)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(gòu)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