基于矿用瓦斯监测报警器的发展状况及原理毕业论文.docx

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基于矿用瓦斯监测报警器的发展状况及原理毕业论文

基于矿用瓦斯监测报警器的发展状况及原理

摘要

随着我国经济的快速发展，各行各业对煤炭的需求急剧增加，而各种矿难事故的发生，使得煤炭安全生产面临严峻的挑战。

此次设计的主要课题是瓦斯监测报警器，从题目上看此次设计主要分两大部分来解决：

一是煤矿瓦斯的监测，二是系统的报警。

文中首先阐述了CH4监测系统的发展及状况，其次着重介绍了我们此次基于甲烷传感器MQ-7和单片机AT89C51的煤矿瓦斯监测报警器。

矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。

本设计的硬件电路包括浓度检测，A/D转换，单片机系统，数据显示电路，串口通信及各控制电路；软件设计包括浓度采集，数据转换及处理，动态显示及浓度控制等。

通过软硬件的设计可实现对瓦斯浓度的监测并且当其浓度超过预警值时可进行声光报警。

可有效防止和避免瓦斯燃烧或爆炸的恶性事故发生，对避免人员伤亡财产损失有着积极的作用。

聞創沟燴鐺險爱氇谴净。

该装置具有经济实用、数据直观准确、适应性强等特点，可大量应用于煤矿井下作业现场。

关键字：

瓦斯报警系统；单片机；传感器

Basedonthedevelopmentandprincipleoftheminegasmonitoringalarmsystem残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。

Abstracts

Withtherapiddevelopmentofeconomyinourcountry,allwalksoflifedemandforcoalhasincreaseddramatically,andallkindsofcoalmineaccidents,makethecoalsafetyinproductionfacesseverechallenges.Thisdesignisthemaintopicsofthegasmonitoringalarm,lookfromthetopicthedesignmainpointsoftwopartstosolve:

oneisthecoalminegasmonitoring,secondisthealarmsystem.CH4isfirstlyexpoundedthedevelopmentandstatusofmonitoringsystem,thenintroducestheMQ-7webasedonthemethanesensorandsinglechipmicrocomputerAT89C51coalminegasmonitoringalarmsystem.酽锕极額閉镇桧猪訣锥。

Thisdesignofhardwarecircuitincludingconcentrationdetection,A/Dconversion,single-chipmicrocomputersystem,thedatadisplaycircuit,serialcommunicationandthecontrolcircuit;Softwaredesignincludesconcentrationcollection,datatransformationandprocessing,dynamicdisplayandcontrolofconcentration.Throughthedesignofsoftwareandhardwarecanberealizedforgasconcentrationmonitoringandwhenitsconcentrationexceedsearly-warningvaluescanbecarriedoutsoundandlightalarm.Whichcaneffectivelypreventandavoidthemalignantgasburningandexplosionaccident,hasapositiveeffectonavoidcasualties,propertylosses.彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。

Thedeviceiseconomicalandpractical,intuitiveaccuratedata,strongadaptabilityandothercharacteristics,canbewidelyusedinthecoalmineworksafety.謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。

Keywords:

Gasalarmsystem；MCU；Thesensor

摘要I厦礴恳蹒骈時盡继價骚。

AbstractII茕桢广鳓鯡选块网羈泪。

Contents

第1章绪论

1.1课题研究背景及意义

从我国煤炭生产的现状及我国能源结构规划均可以看出，在本世纪中叶以前煤炭仍是支持我国国民经济发展的主要能源，煤炭生产，作为我国能源工业的支柱，其地位将是长期的、稳定的，但是煤炭工业的安全生产状况却不容乐观，中小型煤矿的情况尤为严重，已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产，给国家财产和人民生命造成了很大的损失，作为“万恶之首”的甲烷爆炸事故更是居重大事故发生率之首。

在去年又接连发生了多起甲烷爆炸事故，事故的结果触目惊心，因此通过强化甲烷管理，提高通风甲烷检测监控水平，已成为中小型煤矿甲烷检测监控的最迫切的任务之一。

随着采矿技术的不断发展，井下作业的安全越来越有保障，但是仍然有许多采矿企业的机械化程度低，因此对现场采矿的工作人员的生命安全造成潜在的威胁，特别是针对瓦斯气体的检测和报警仍旧存在隐患，每年由于瓦斯泄露造成的特大事故依然很多。

据《中国煤炭报》统计，全国共有大小煤矿60000多个，从业矿工800多万。

【2】根据煤矿三班作业的实际情况，目前至少需要300万个瓦斯报警器，可见其市场非常广阔。

但由于某些技术上的不足，导致一些关键问题至今没有能够解决。

由于瓦斯气体本身的危险性和对人民生产生活造成的巨大危害，因此瓦斯气体的检测和报警是一项非常必要的工作。

烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵。

1.2国内外研究现状及发展方向

由于安全灯的构造简单，性能稳定，使用寿命长，一百多年来一直被沿用下来，至今仍在许多国家使用。

从1675年英国北威尔士欣煤矿发生的第一次瓦斯爆炸矿难起，世界各国开始更进一步关注对瓦斯检测报警的相关安全研究，一直以来，光干涉瓦斯检定器在我国以及日本使用比较广泛，自20世纪30年代以来，已经连续使用了数十年，至今仍在多数些矿井的瓦斯检测中使用。

目前，在瓦斯检测仪总占主导地位的是催化瓦斯检测仪，据最早文献记载，1943年以前美国已制成VCC瓦斯测量仪，日本在铂丝元件上加上涂有催化剂的载体小珠，制成最早的载体催化元件并利用这种原件制成了北辰型瓦斯指示器。

1958年法国Cherchar研究所已研制成功利用AI2O3为载体，钯Pd、钍Th为催化剂的载体催化元件，获得了较好的催化性能。

1961年英国矿山安全研究所采用新的工艺，改进了载体催化元件的性能。

从此，催化瓦斯传感器进入了其发展过程中的全盛时期。

1961年以后，英、美、法、日、德、前苏联等国家又对其进行改进研究，并从此作为瓦斯检测的主要工作方向。

我国对于催化型瓦斯传感器的研究工作起步稍晚，大至可以分为三个阶段。

第一阶段工作，国内第一台催化原理的瓦斯报警器是1958年出现，采用铂丝元件位传感器，1961年由北京劳动保护研究所和抚顺煤矿安全仪器厂协作开展了研究工作。

1964年研制出我国第一个达到实用水平的载体催化元件，接着制成了以这种原件为传感器的AQR-1型瓦斯检测仪。

鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键。

该系统由两台DRS—4型计算机控制，共有128个测头。

由此可以看出，当前国际催化型传感器的主要发展方向，首先是在运用中分别向适应小型化个人携带仪器和大型计算机控制系统的方向发展。

这就是说，要研制低功耗、高稳定性、长寿命、连续使用的元件。

在这些要求中，努力提高元件的稳定性、延长使用寿命是中心课题。

另一个发展方向就是是研究抗毒能力强的元件。

由于采用筛选催化剂配方和改进工艺的方法提髙稳定性已经收获不大了。

必须进一步在研究工作中探索元件催化剂及载体的变化规律，找出引起活性下降的根本原因，为此需要深入研究催化剂价态、颗粒大小、表面状态及载体的晶型变化和顆粒大小变化，而这种深入的研究采用以前的检验手段已经不行了，必须采用先进的技术，进入催化剂的微观世界，探索其变化规律，目前与此有关的现代分析技术主要有光电子能谱、扫描电子显微镜、X射线衍射、电子顺磁共振等技术，虽然世界各国在此方面的研究不同程度的都有了些许初步的成果，但是其研究工作具有一定的探索性，关于深入研究元件工作过程中催化剂和载体变化规律的研究报告或文章，却少见发表。

撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞。

瓦斯报警是指利用气体传感器技术，将检测到的瓦斯气体浓度和标准值进行比较，当高过一定浓度值时候进行相应的声光报警，提醒正在作业的人员进行相应的处理，组织人员撤离或对矿井通风排气，避免不安全事故的发生，对现在采矿业的安全起着非常重要的作用。

本文所设计一种低成本的可燃性气体报警器设计，能够监控矿井的瓦斯气体的浓度，显示测量结果，并对当前的环境状态做出判断，发出报警信息。

因此结合微处理技术研制新型的智能瓦斯监控报警系统将是现在乃至今后的世界面临的重要问题在煤矿井下生产环境中，需要对瓦斯、一氧化碳等环境参数进行监测。

现有的监测设备，都是采用数字显示或灯光显示的方式来提供测试数据的，这在环境狭窄、能见度差的井下工作面很不方便。

采用直接的语音播报方式，可以主动向现场人员提供各种信息，遇到危险情况还能作为紧急广播使用。

这对于提高安全意识、避免重大伤亡事故具有重要意义。

由于传感器是获取信息的工具，是信息技术（包括传感与控制技术、通讯技术和计算机技术）的三大支柱之一，位于信息系统的最前端，其特性的好坏、输出信息的可靠性对整个系统质虽至关重要，因此目前世界各国一直把发展智能化传感器作为研究课题，投入大量人力物力进行开发研究。

智能传感系统与传统传感器相比，具有高精度、高可靠性、高性能价格比、多功能化等优点，它代表了传感器的发展方向，是传感器克服自身落后向前发展的必然趋势。

踪飯梦掺钓貞绫賁发蘄。

国外的监控系统技术水平理论上讲高于国内发展水平，但应用于国内煤矿尚有一定的局限性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过高不适于国内煤矿现有条件，除在传感器技术方面可供借鉴外，其它仅具一定参考价值。

80年代初，世界各产煤国检测装置的缺点是：

1）测量范围小2）易受高浓度瓦斯和硫化物的中毒以及存在零点漂移和灵敏度漂移问题，存在检测不准确及井下校准困难等弊端（每7天校准一次）。

由于检测装置向更迅速更快捷发展，方便携带等要求发展。

传统的机械检测仪一般灵敏度和准确度也比较低或者检测方法难，同时单片机既有通用计算机的基本部件，又不同于计算机。

体积小，能实时快速的对外部事件作出响应，迅速采集大量数据，做出逻辑判断与推理后实现被控对象的参数调整与控制，且能满足检测仪的设计要求，所以基于单片机的智能瓦斯检测系统设计的开发有很大意义。

因此各国都采用智能煤矿瓦斯检测系统装置，运营单片机工作原理，它能提高煤矿瓦斯检测技术水平和检测的实时性，更能有效预防煤矿瓦斯事故的发生。

电子技术的迅猛发展一方面带动了煤矿瓦斯检测系统技术的发展，一方面也对煤矿瓦斯检测产品提出了越来越高的要求。

智能煤矿瓦斯检测主要是依据单片机为核心进行设计的，传感器设计的智能煤矿瓦斯检测系统速度快，体积小，重量轻，可连续检测再加上气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向的发展，单片机具有受集成限制，片内储存量较小，可靠性好，扩展简单，控制功能强等特点，因此，基于单片机的智能煤矿瓦斯检测系统的研究和开发生产具有十分广泛的现实市场和潜在的市场需求。

【3】随着单片机的广泛应用，将大大促进各领域的技术更新，向自动化、小型化、智能化方向迈进。

而且单片机内部具有8路A/D转换和大容量的ROM和RAM，不需要外部扩展电路，硬件电路结果简单，维护方便）设计出了基于单片机的瓦斯传感器。

系统由单片机，瓦斯气体检测电路，A/D转换、液晶显示电路，声光报警电路组成。

以51单片机为核心构成一个具备数据采集，对象控制，结果显示等功能的完整系统。

婭鑠机职銦夾簣軒蚀骞。

1.3课题的主要研究内容与要求

这次毕业设计的主要内容与要求是：

设计一个瓦斯气体安全监控装置，在气休浓度一定的范围内进行安全检测，并能在矿内瓦斯浓度达到报警上限限时进行声光报警，通知矿内工作人员及时撤离减少人员伤亡和财产损失。

假设这个单片机气体安全监控系统要实现以下的功能：

气体测试，超过设定的门限值后自动报警装置。

以单片机为主机，气敏传感器通过一根口线与单片机相连接，再加上浓度控制部分和人机对话部分来共同实现瓦斯安全监测与控制。

通过显示器显示矿内瓦斯浓度值并能通过上位机下位机实现与PC机之间的信息通信，及时准确地显示井下瓦斯和氧气超限的实际情况，使安全局主要负责人对矿主、安检员、某些矿的负责人进行监管，督促他们认真贯彻煤矿安全规程，实现自动监管功能。

譽諶掺铒锭试监鄺儕泻。

1.4系统简介

本文设计的是基于单片机的井下瓦斯浓度智能传感器，该系统以单片机AT87C51为核心，包含甲烷浓度采样器、把220V的交流电转换成5V的直流电源、红外遥控系统、存储器的扩展、LCD显示器和报警装置等组成。

该传感器可以有效的监测井下低浓及高浓瓦斯，试用范围非常广泛。

监测到的信息传输到单片机，经单片机处理后发出指令，如果瓦斯超过规定值，该系统可以立即发出声光报警并自动发出执行指令以降低瓦斯浓度。

俦聹执償閏号燴鈿膽賾。

该系统可有效的降低瓦斯事故发生率，，结构灵活，扩展性强，具有较高的性价比，AT87C51的应用实现了电子硬件设计的“软件化”，大大的提高了系统的可靠性和抗干扰能力，非常实用于各种大小煤矿井下瓦斯的监测监控，性能优良，经久耐用，可靠性高。

缜電怅淺靓蠐浅錒鵬凜。

第2章瓦斯报警系统的方案设计

2.1瓦斯爆炸的原因及因素

1.瓦斯的爆炸浓度在正常的大气环境中，瓦斯只在一定的浓度范围内爆炸，这个浓度范围称瓦斯的爆炸界限，其最低浓度界限叫爆炸下限，其最高浓度界限叫爆炸上限，瓦斯在空气中的爆炸下限为5～6％，上限为14～16％。

瓦斯爆炸界限不是固定不变的，它受到许多因素的影响，其中重要的有：

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（1）氧的浓度

（2）其它可燃气体混合气体中有两种以上可燃气体同时存在时，其爆炸界限决定于各可燃气体的爆炸界限和它们的浓度。

癱噴导閽骋艳捣靨骢鍵。

（3）煤尘----本身具有爆炸，300~400℃挥发气体

（4）空气压力----压力大，分子接近，碰撞几率增加范围扩大

（5）惰性气体可以降低瓦斯爆炸的危险性。

2.瓦斯的最低点燃温度和最小点燃能量

瓦斯的最低点燃温度和最小点燃能量决定于空气中的瓦斯浓度，瓦斯空气混合气体的最低点燃温度，绝热压缩时565℃，其它情况时650℃。

最低点燃能量为0.28mJ。

鑣鸽夺圆鯢齙慫餞離龐。

煤矿安全生产的措施：

及时将煤矿内的瓦斯抽出；不要穿有金属鞋底的鞋子。

天然气加气战内禁止吸烟的原因：

吸烟有明火可能会和挥发或泄露出的少量天然气爆炸。

3.瓦斯的主要成分是甲烷，占98%，另有少量的乙烷、丙烷、丁烷，此外一般还含有氢气、硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。

榄阈团皱鹏緦寿驏頦蕴。

4.禁止明火，禁止吸烟，禁止使用手机等等

5.因为天然气的主要成分也是甲烷，另有少量的乙烷。

总之是由易燃易爆的气体组成的，甲烷或乙烷遇明火会燃烧，与空气混合的比例为10%左右时，点燃该气体会爆炸，所以天然气加气站禁止吸烟。

逊输吴贝义鲽國鳩犹騸。

2.2瓦斯爆炸的监控手段

煤矿井下瓦斯爆炸事故是煤矿事故中最为严重的事故之一，常常是井毁人亡。

针对这一严重灾情我国各煤矿投入了巨大的人力、物力、财力对各类瓦斯爆炸事故进行分析，提出了许多预防、控制和治理瓦斯的有效方案，但仅仅有这些还远远不够。

因为，纵观国内各煤矿瓦斯爆炸事故，其共性问题是运用科学技术保障安全重视不够、能力有限，且各煤矿对瓦斯的预防和控制工作有时讲形式走过场，甚至讲排场不脚踏实地。

另外，遇事不用科学手段进行自救，不用基本知识进行自我保护，心慌意乱、害怕、恐惧、慌乱中出错是个体生命最大的杀手。

为此，重视并合理运用科学技术保障煤矿安全，是杜绝煤矿井下瓦斯爆炸事故的根本障。

如何采用新技术、新产品及时武装煤矿，提高煤矿预防和抵抗瓦斯爆炸事故的发生是各煤矿首要选择。

同时，如何从现有使用的技术产品中找出不足并加以改善和提高，这是预防控制煤矿瓦斯爆炸事故最为直接最为有效的方法。

我国大多数煤矿现有使用的瓦斯监测监控系统即是我们需要加以改善和提高的技术产品中比较重要且具有代表性的一种。

目前，单从我矿实际来看，井下使用的瓦斯监测监控系统虽然在日常的通风瓦斯管理中发挥着重要作用，但依然存在着应用和实际使用管理不到位的问题。

例如，首先井下某些通风不良的巷道未及时安设监测监控系统，其次工作面为完成生产任务将监测系统的探头包裹甚至甩掉不用的现象时有发生，这些都是监测监控系统存在的安全隐患。

因此，我们除了需要提高监测监控系统的技术水平以外，还需将管理工作做到位，以此消除监测监控系统存在的安全隐患。

另外，从全国煤矿现状来看，各矿通风网络都是从进风井到井下各硐室、到掘进头、到回采面、到回风井，瓦斯监测监控系统配置、断电控制，煤矿井下瓦斯浓度探头与地面控制室与地面主要领导的手机与矿、县、市、省、国家主管部门联网，甚至与天上卫星联网，无疑是最完善的系统、最发达的网络、最完善的布局、最先进的手段，但瓦斯爆炸事故依然存在，并没有根本得到改观。

从以上的分析可知，煤矿监测监控系统在实际应用中还存在着许多的不足，急需技术改进及加强系统的管理工作，这就是我国煤矿监测监控系统在使用中的现状。

幘觇匮骇儺红卤齡镰瀉。

2.3矿用瓦斯检测系统的技术指标及实现功能

2.3.1煤矿气体检测技术系统概述

煤矿气体监测系统是能够监测矿井环境中瓦斯气体的浓度，具有报警功能能实现数据远传至地面监控室PC的系统。

本课题中完整的煤矿气体监测系统由以下四部分组成：

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（1）气体传感器：

能感知环境中甲烷气体及其浓度的一种敏感元件，它能将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号；医涤侣綃噲睞齒办銩凛。

（2）显示单元：

根据测量信号，由单片机将待显示数据按相应方式进行数据传输给显示处理模块显示于仪表；

（3）声光报警单元：

当监测气体浓度超出设定报警值时，发出声光报警；

（4）数据采集分析软件：

运用C语言编写串口通讯软件，实现气体数据的采集、分析及保存煤矿气体检测系统其他的技术参数还有存储数据性能、传输数据性能、使用寿命与可靠性等。

舻当为遙头韪鳍哕晕糞。

2.3.2系统的设计原则

在总体结构的设计上，首先重点突出系统整体性能，价格最优的原则，本着先进、简明、实用的设计指导思想，从传感器的信号采集、处理传输，到系统软件的设计，在整体最优原则的指导下，发挥各自的设计灵活性。

其次，系统整体设计上，着重考虑系统运行的可靠性和稳定性，监测的快速和准确，安装、维护的方便和经济性，操作使用的简便，少维护，免培训等。

总体设计的原则有：

鸪凑鸛齏嶇烛罵奖选锯。

1.先进性

尽可能使用先进、成熟的技术，有明确理论支持的技术，对不确切，但非用不可的技术要通过必要的试验和论证。

2.实用性

密切结合现场实际工作的要求，尽量减少对操作使用人员的专业技术水平的依赖。

3.准确性

通过优化电路设计和应用误差理论分析，尽可能减小测量误差，提高测量精度。

4.可靠性

从设计阶段着手保证产品的可靠性，将可靠性贯穿于设计、工艺、加工等各个环节。

5.标准化

严格执行国家和煤炭部以及行业标准。

6.经济性

在保证仪器功能的前提下，尽可能降低成本，以软代硬，化繁为简。

7.通用性

在完成自身系统配套的基础上，尽可能使产品具有良好的通用性，使之能与其它产品配套，易于扩充新的用途。

8.可操作性

设计要从整体出发，分步、分层实施，方案要实际设计，制造中尽量采用通用的、有替代产品的元器件及附件。

9.广泛性

广泛调查研究，认真分析其优缺点，充分借鉴其它仪器的优点，扬长避短，博采众长。

2.3.3技术指标要求

（1）工作环境条件

温度：

0～40℃

相对湿度：

≤98%

大气压力：

86～116kps

风速：

0～8m/s

（2）测量范围及误差：

表2-1

测量范围（%CH4）

基本误差（%CH4）

0.00～1.00

±0.10

1.00～3.00

真值的10%

3.00～4.00

±0.30

（3）分辨率：

0.01%CH4

（4）显示方式：

四位LED

（5）测量范围：

0～4.00%CH4

（6）响应时间：

≤20s

（7）报警点：

可调，设定在1.00%CH4

（8）断电点：

可调，设定在1.50%CH4

（9）复电点：

可调，设定在1.00%CH4

（10）报警方式：

声光报警，其中：

响度：

≥80dB

光可见度：

≥20m

（11）工作方式：

扩散式

（12）防爆型式：

矿用本安兼隔爆型

（13）输出信号制式：

频率型200～1000Hz

断电信号输出：

光电耦合器输出

（14）技术参数

工作电源：

9～24VDC

Ui：

18.5VDC

Ii：

100mA

Ci：

0.1μF

Li：

1.0mH

（15）外形尺寸：

155mm×106mm×48mm

（16）重量：

1.5Kg

2.3.4系统实现的功能

仪器上电开机后，仪器内部进行自检。

自检结果正常后，进入工作状态。

探头通电10s内，显示为0.00并闪烁，10s以后显示甲烷浓度且不闪烁[3]。

当仪器自检结果不正常时，不进入工作状态，仪器显示不变。

此时表明仪器有故障，应该维修。

筧驪鴨栌怀鏇颐嵘悅废。

仪器进入正常工作状态后，可通过遥控器对仪器进行校正或设定报警点、断电点、复电点。

对仪器进行校正应该在仪器通电预热15分钟后进行。

韋鋯鯖荣擬滄閡悬贖蘊。

当甲烷浓度达到4.00%以上时，为了保护黑白元件，电桥间断工作，显示器闪烁，显示的值只能作为参考。

保护状态下电桥每3分钟工作15秒。

当甲烷浓度低于4.00%时，电桥恢复正常工作。

如果黑白元件的一臂发生开路或短路故障，仪器显示“-----”。

涛貶騸锬晋铩锩揿宪骟。

2.4系统设计方案

基于单片机的总体设计方案：

图2-1总体方框图

本系统是以单片机为核心,系统所要实现的功能几乎与前面方案一样，具有信号的监控处理和报警显示。

用单片机完全可以取代了方案一的FPGA的功能,使整体的价格大幅度的下降，具有很高的实际开发价值。

气敏传感器的电路的处理使其精度可能受到周围的环境的影响比较大，本设计节能、节约成本、更简单精确可靠。

钿蘇饌華檻杩鐵样说泻。

第3章瓦斯报警系统的硬件选择

3.1MQ-7烟雾传感器

3.1.1甲烷浓度检测仪器按其工作原理

1.光干涉式

光干涉式是利用光波对空气和甲烷折射率不同所产生的光程差,引起干涉条纹移动来实现对不同甲烷浓度的测定。

其优点是准确度高，坚固耐用，校正容易，高低浓度均可测量，还可测量二氧化碳浓度;其缺点是浓度指示不直观，受气压温度影响严重，特别是空气中氧气不足或氮、氧的比例不正常时,要产生误差;光学零件加工复杂，成本较高和实现自动检测较困难。

戧礱風熗浇鄖适泞嚀贗。

2.热催化式

热催化式是利用甲烷在催化元件上的氧