矿用风速传感器设计方案

1 矿用风速传感器 设计方案 第 1 章 矿用风速传感器概述 用风速传感器的作用 矿用风速传感器用于检测煤矿井下各坑道、风口、主风扇等处的风速。在煤炭开采的过程中，总有瓦斯涌出。为稀释矿井空气中的瓦斯，需不断地向井下输送新鲜空气。风量是通风系统的重要参数之一。因此，对矿井风速的监测是矿井监控的主要内容之一。 用风速传感器的安装位置 安装：风速传感器可安装在主要测风站和进回风巷等地。安装地应在距顶板较好无明显淋水，不妨碍运输和行人安全的地方，传感头指向应与风流方向一致。安装前应首先测量通道平均风速，任 选一点安装，遥控器对准传感器按动上、下键，使就地显示为平均风速即可。注意：传感器安装一定要牢固，不得摆动，传感器测风面一定要垂直风流方向。 用风速传感器的技术指标 测量范围： 15m/s 测量误差： s 输出信号：频率型 200000电流型 1作电压： 12V 21V(工作电流： 90 输距离： 2用风速传感器的分类 （ 1） 按传感器用途可分为环境参数传感器与生产参数传感器。 （ 2）按供电方式可分为自带电源式传感器与外接电源式传 感器两种。 （ 3）按其输出信号形式可分为模拟量、开关量、累计脉冲量等。模拟信号应符合下列信号制式：电流模拟信号为 1 5 4 20率模拟信号为 200 1000 15 （ 4）按作用原理不同可分为：机械翼式风速传感器、电子翼式风速传感器、热效应式风速传感器超声波风速传感器。 （ 5）按风速的测量范围可分为高速风速传感器（ V10m/s）、中速风速传感器 2 （ V=s 10m/s）、低速风速传感器 (V =s s) 风方法 测量井巷的风量一般要在测风站内进行， 在没有测风站的巷道中测风时，要选一段巷道没有漏风、支架齐全、断面规整的直线段进行测风。 空气在井巷中流动时，由于受到内外摩擦的影响，风速在巷道断面内的分布是不均匀的 ,如图 1示。在巷道轴心部分风速最大，而靠近巷道周壁风速最小，通常所说的风速是指平均风速而言，故用风速传感器测风必须测出平均风速。为了测得巷道断面上的平均风速，测风时可采用路线法，即将风速传感器按图 1示的路线均匀移动测出断面上的风速；或者采用分格定点法，如图 1示，即将巷道断面分为若干方格，使风表在每格内停留相等的时问，进行移动测定 ，然后计算出平均风速。根据断面大小，常用的有 9 点法、 12 点法等。 图 1速流动状态 图 1线路法测风 图 1定点法测风 测风时，根据测风员的站立姿势不同又分为迎面法和侧身法两种。 迎面法是测风员面向风流方向，手持风速传感器，将手臂向正前方伸直进行测风。此时因测风人员立于巷道中间，阻挡了风流前进，降低了风速传感器测得的风速。为了消除测风时人体对风流的影响，须将测算的真实风速乘以校正系数 (能得出实际风速 。 侧身法是测风人员背向巷道壁站立，手持风速传感器，将手臂向风流垂直方向伸直，然后测风。用侧身法测风时，测风人员立于巷道内减少了通风断面，从而增大了风速，需对测风结果进行校正，其校正系数按下式计算： 式中 K S 测风站的断面积（ 风人员阻挡风流的断面积（ 3 风注意事项 (1) 风速传感器度盘一侧背向风流，即测风员能看到度盘；否则，风速传感器指针会发生倒转。 (2) 风速传感器不能 距人体太近，否则会引起较大的误差。 (3) 风速传感器在测量路线上移动时，速度一定要均匀。在实际工作中，这点常不被重视，由此引起的误差是很大的。如果风速传感器在巷道中心部分停留的时间长，则测量结果较实际风速偏高；反之，测量结果较实际值偏低。 (4)叶轮式风速传感器一定要与风流方向垂直，在倾斜巷道测风时，更应注意。如表1感器偏角对测量结果的影响。由表 1知偏角 10 以内时所产生的误差可忽略 不计。 表 1风度偏角 /( ) 风表平均读数 误差 /% O 141 O O 35 5 0 139 O 5 0 132 O (5) 在同一断面测风次数不应小于 3，三次测量结果的最大误差不应超过 5%。 (6)传感器的量程应和测定的风速相适应，否则将造成风速传感器损坏或量程不准确。 (7)为了减小测量误差，一般要求在 1传感器从移动路线的起点到达终点。 (8)使用前还应注意传感器的校正有效期。 4 类传感器性能比较 表 1类传感器性能的比较 矿用风速传感器的种类 优点 缺点 机械翼式风速传感器 体积小，质量轻，可测平均速度。 精度低，不能直接指示风速，不能自动遥测，不能测微风。 电子翼式风速传感器 接近开关式 （感应式） 电容式 光电式 能发展遥测，精确度比机械翼式高，能直接指示瞬时风速。 叶片有惯性运动，所以测量值偏大，体积和质量比机械翼式大，构造复杂，风速过高不能测、风速过低也不能测。 热效应式风速传感器 热线式 热球式 热敏电阻式 没有惯性影响，高低风速均可测，能发展遥测。 热敏电阻和热球的测值呈非线性，受湿度和气体成份的影响。 超声波风速传感器 结构简单 ，寿命长，性能稳定，不受风流的影响，精度高，风速测量范围大。 通过表中的比较，可以明显的看到，设计传感器最好的选择就是超声波风速传感器。不仅结构简单，性能稳定，不受风流影响而且精度高，测量范围大。 声波风速传感器的主要特点 矿井的风速传感器主要有超声波时差式和超声波旋涡式两种。 5 1. 超声波时差式风速传感器：它是应用超声波的时差来测定风速的，当超声波以速度v 从甲地传到距离 L 的乙地时，所需的时间为 图 1顺风的条件下 如果空气以速度 V 运动时，超声波从甲地到乙地所需时间为： V t V 在 v 方向的分量。 在顺风和逆风的条件下，如果超声波传播距离相同，如图 1示。 图 1顺风和逆风的条件下 所需的传播时间分列为 t和 t，即： 顺风时： 逆风时 : v V 乙 甲 t 11 V L 6 )11(_不难看出，通过测量顺风逆风超声波时差关系 ， 就可以测定风速大小。 有如下特点 (1)采用超声波涡街原理具有可动部件，可靠性高介质适应性强等特点。 (2)采用高集成数字化电路，电路结构简单，性能可靠，便于维修与调试 (3)外壳采用全不锈钢材料 强了传感器的抗冲击和抗腐蚀能力，通过两者的比较最终选择超声波旋涡式风速传感器电路进行设计。 （ 1） 无可动部件，无机械磨损，性能稳定，使用寿命长； （ 2）输出本身就是与风速成线性关系的脉冲频率信号，没有零点漂移，且敏感元件灵敏度变化不会 直接影响输出，测量精度高； （ 3）输出信号不受流体特性（温度、湿度、压力、成份、密度、粘度、矿尘等）影响； （ 4）响应迅速。 第 2 章工作原理及设计方案 作原理 矿用风速传感器是利用卡曼涡街原理和超声波旋涡式风速传感器工作原理，下面分)11(2 L 7 别介绍卡曼涡街效应和旋涡式风速传感器工作原理。 曼涡街原理 超声波旋涡式风速传感器是利用卡曼涡街效应设计的。 在流体中设置旋涡发生体（阻流体），从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡称为卡曼涡街，如图 2涡列在 旋涡发生体下游非对称地排列。 图 2卡曼涡街效应 式中： 柱形挡体的 s 值为 直径） 首先将风速转换成与风速成正比的旋涡频率，然后通过超声波将旋涡频率转换成超声波脉冲，后将超声波脉冲转换成电脉冲，从而测得风速。由于超声波旋涡式风速传感器具有寿命长，易维护，成本低等优点。因此，在矿井监控系统中获得了广泛应用。 我们知道 ，在流动的水中，垂直于流向插人一阻挡体，在阻挡体的下游会产生两列内旋的互相交替的旋涡。可以证明：在无限界流场中，垂直流向插入一根无限长非流线形阻挡体，阻挡体的下游将产生两列内旋、互相交替的旋涡，若对流速、阻挡体截面面积和形状作适当的限制，则旋涡频率与流速成正比： 其旋涡的发生频率为 f，被测介质来流的平均速度为 V ，旋涡发生体迎面宽度为 d ，交替产生的漩涡数通过压电元件检测出频率 f ，经电子线路检测后送 给定时控制器、锁定寄存器 进行运算处理 给显示电路进行 显示。 声波旋涡式风速传感器工作原理 ： 如 图 2示。在风洞中设置确定旋涡发生杆（即阻挡体），在阻挡体下方安装一对超声波发射器和接收器，当流动空气经过旋涡发生杆时，在其下方产生两列内旋相互 8 交替的旋涡。由于旋涡对超声波的阻挡作用，超声波接收器将会收到强度随旋涡频率变化的超声波，即旋涡没有阻挡超声波时，接收到的超声波强度最大，旋涡正好阻挡超声波时，接收到的超声波强度最小。超声波接收器将接收到的幅度变化的超声波转换成电信号，所经过放大、解调、整形等就可获得与风速成正比的脉冲频率。 图 2超声波旋涡式风速传感器工作原理 当发生杆一定时，风速越 大，形成的卡曼旋涡就越强，对超声波束调制度越大。当风速很低时，会形不成旋涡。为检测较低的风速，可以增大发生杆直径或提高超声波接收器的灵敏度。能产生旋涡的发生杆直径与风速关系如图 2示。 图 2产生旋涡的发生杆直径与风速关系 为了解决低风速的测量问题，首先要设法提高调制度，方法一是选择合理的漩涡发生体；方法二是用灵敏度高的超声波换能器， 超声波发射与接收器 的形状、断面尺寸、相对位置及安装紧固程度和偏移角等 都会影响灵敏度 。 超声波发射与接收器应设置在其轴线距发生杆的距离为发生杆直径 6 倍的地方，以保 证线性度。超声波的工作频率应为 140 150高于风速旋涡频率两个数量级，但不要过高，过高会造成超声波在空气中传播时的严重衰减。 计方案 矿用风速传感器主要由：电源电路，发射电路，接收电路，整形电路，频流转换，就地显示组成。 超声波旋涡风速传感器是利用卡曼涡街对超声波调制原理来实现对风速 9 的测量的。传感器输出 15直流模拟信号，其值对应 5m/s 的风速值。并有就地数字显示功能，直读风速值。可对煤矿井下的风速进行遥测。其测量范围 5m/s。 由三端固定集成稳压器 W 和由闸流管 压管 成的保护电路构成。由电源箱供给 21V 450流电源，经本电路稳压后输出 12V 直流电压作为传感器的工作电路，当 W 由于某种原因损坏，使输出电压大于 13V 时，稳压管 击穿，闸流管 通电流经 入地，从而实现就地保护。 该电路由电感三点式振荡器（哈特莱电路）和乙类推挽功率放大器组成。振荡器产生 145连续等幅正弦波，由变压器输入端，经功率放大后施加到发射换能器 F 上。发射电压约 11V，发射功率约 200 由中频放大器、检波器、低 频放大器组成。 发射换能器发出的超声波，经空气衰减后，被接收换能器接收，转换能量损失很大，接收换能器输出的信号很微弱，一般只有几毫伏，为了满足检波器的需要，实现大信号检波而采用了中频放大器专门对接收换能器输出的信号进行放大。中频放大器由两级频放大器组成，放大器的中心频率为 145带宽度为 3 压放大倍数为 600800 倍，输出电压有效值为 1V。 检波器将中频放大器输出的调幅信号中的低频漩涡信号检出送给低频放大器，检波器输出电压幅值为 510 值随风速增加而增大。 低频放大器采用 8单电源运放构成两级放大器，每级放大约 20 倍，频率范围在 201200输入端短路时，输出端噪声电压不大于 1 由 只硅晶体管构成，把低频放大器输出的近似正弦波信号转换成矩形波，完成波形变换，一路送给就地显示电路，另一路送给频率 电流转换电路。 电流转换电路： 由 稳态触发器 电源运算放大器 效应晶体管 硅晶体管 成。 单稳态触发器 出脉冲 定，由施密特整形电路输入的矩形波信号，经单稳态电路 再次整形后输出脉宽恒定幅值恒定的矩形脉冲，经 41、 压滤波后，输出 01V 直流电压信号，完成频率 电压转换。输出电压信号可以由 小范围内调整。 由 成恒流电路， 模拟负载电阻。 采样电阻， 流电路将 01V 直流电压信号转化成 15流电流信号，经长线输送至矿井监测系统、电源箱，从而完成频率 电流转换。 时控制器 进制数字寄存译码器 数码管 等构成。 10 定时控制器 晶体振荡器 成晶体振荡器，产生 32768分频后，由 12 脚输出 32空比为 50%的方波信号作为数码管的驱动信号。 2、 3 脚接入 成施密特触发器，对输入的被测脉冲进行整形，被测信号由 2 脚输 入 。 定单稳态触发器的单稳时间，其值应取得比最小输入信号周期小些，以免前一个单稳时间尚未结束，后一个输入信号又到来。 锁定寄存器选通信号是由 15 脚供给。它是由 定时器的窄脉冲产生器产生的间隔周期为 1s，脉宽脉冲 为 负窄脉冲信号。 11 脚供给。它是由定时控制器的窄脉冲产生器产生的间隔周期为1s，脉宽脉冲为 正窄脉冲信号。被测脉冲由 10 脚输出送给 计数输入端 6 脚进行计数。当计数时间到 1 秒钟时，选通信号到来，给 定寄存器解锁，所测信号进入译码器，显示器将显示这 1 秒钟的测量值。选通脉冲后，液晶显示器保持测量值，同时清零信号对计数器清零。清零脉冲过后，计数器开始下一秒钟 的计数。当计数又到 1 秒钟是，选通信号又到来，锁定寄存器又解锁，液晶显示器显示新的测量值。如此循环，显示器将不断地显示新的测量值，其显示周期为 1 秒，如图 2图 2速传感器原理框图 第 3 章各部分电路设计 源电路的设计 电源电路的作用就是为发射电路，接收电路，整形电路，频流转换电路提供 +12就地显示电路提供 +5V 电源 ;由煤矿电源箱 供 +21V 电压；为了得到+12V 电压和 +5V 电压可以利用三端固定集成稳压器 7812 和稳压二极管。 三端固定输出集成稳压器通用产品有 列（正电源）和 列（负电源）。 11 本应用电路：（ 7812）如图 3 1000+本应用电路 由于输出电压决定于集成稳压器，故输出电压为 12V，最大电流 使电路正常工作，要求输入电压 输出电压 少大 3V。输出电容 以抵消输入端较长接线的电感效应，以防止自激振荡，还可以抑制电源的高频脉冲干扰。1出端电容 以改善负载的瞬态响应，消除电路的高频噪声，同时也具有消振作用。 V 是保护二极管，用来防止输入端短 路时输出电容 存储电荷通过稳压器放电而损坏器件。 稳压 二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件 反向电阻降低到一个 很 小 的数值 ,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定 。 当电压过高时要进行断电保护，还要考虑 自激振荡，故设计出图 3 125源电路 电容，用于滤波； 以抵消输入端较长接线的电感效应，以防止自激振荡，还可以抑制电源的高频脉冲干扰， 以改善负载的瞬态响应，消除电路的高频噪声，同时也具有消振作用。 限流电阻 ； 稳压管二极管； 晶闸 12 210 管； W 为 7812 三端固定集成稳压器。 出电压经过 波， W 稳压输出 12V 电压经 波提供给后续电路， V 电源给显示电路供电 ;当 W 出现故障，输出电压高于 13V 时稳压管 击穿，晶闸管 通，电流经 入地，从而实现保护。 射电路设计 感三点式振荡器 振荡器 的组成部分 ：放大器、正反馈电路和选频网络。放大器能对振荡器输入端所加的输入信号予以放大使输出信号保持恒定的数值。正反馈电路保证向振荡器输入端提供的反馈信号是相位相同的，只有 这样才能使振荡维持下去。选频网络则只允许某个特定频率 通过，使振荡器产生单一频率的输出。 正弦波振荡器按照选频网络所用的元件可以分成 荡器、 荡器和石英晶体振荡器 三种。石英晶体振荡器有很高的频率稳定度，只在要求很高的场合使用。在一般家用电器中，大量使用着各种 荡器和 荡器。 振荡电路的作用： 是一种能量转换装置 将直流电能转换为具有一定频率的交流电能。其构成的电路 叫振荡电路 .（ 能够产生振荡电流的电路叫做振荡电路。 ） 振荡器能不能振荡起来并维持稳定的输出是由以下两个条件决定 的 ： f 和输入电压 U i 要相等，这是振幅平衡条件。 须相位相同，这是相位平衡条件，也就是说必须保证是正反馈。一般情况下，振幅平衡条件往往容易做到，所以在判断一个振荡电路能否振荡，主要是看它的相位平衡条件是否成立。 电感三点式振荡电路的特点是：频率范围宽、容易起振，但输出含有较多高次调波，波形较差。它的振荡频率是：，其中 、 L= 2M 。常用于产生几十兆赫以下的正弦波信号 。 荡器的选频网络是 振电路。它们的振荡 频率都比较高，常见电路有 3 种。 （ 1） 变压器反馈 荡电路 （ 2） 电容三点式振荡电路 （ 3） 电感三点式振荡电路 振荡电路中的放大器都是用的共发射极电路。共发射极接法的振荡器增益较高，容易起振。也可以把振荡电路中的放大器接成共基极电路形式。共基极接法的振荡器振荡频率比较高，而且频率稳定性好 ；故设计出由电感三点式振荡器（哈特莱电路）图 3 13 60_+12电感三点式振荡器 电感三点式振荡电路的特点是：频率范围宽、容易起振，但输出含有较多高次调波，波形较差。常用于产生几十兆赫以下的正弦波信号。 电感线圈 一个线圈， a 点是中间抽头。如果设某个瞬间集电极电流减小，线圈上的瞬时极性如图所 示 ，反馈到发射极性对地为正，图中三极管是共基极接法，所以使发射结的净输入减小，集电极电流减小，符合正反馈的相位条件。晶体管的输入电压和反馈电压是同相的，满足相位平衡条件的，因此电路能起振。由于晶体管的 3 个极是分别接在电感的 3 个点上的，因此被称为电感三点式振荡电路。 成分压式偏置电路； 交流旁路电容； 隔直电容；三极管 振荡管； 成并联谐振网络。根据“ 大电容画为导线，小电容不变；大电感开路，小电感保持；电阻省略的原则”画出交流通路图 3 感三点式振荡器的交流通路 类推挽功率放大电路 14 图 3类推挽功率放大电路 (2)工作原理（令 0，即 =90) 成 管轮流工作 成电流波形上下合成 在正弦信号激励下， 为半个正弦波， 完整正弦波 0 T/2 ： 通， 止，产生上半个正弦波 过 T/2 T : 止， 通，产生下半个正弦波 过 在一个周期内在 合成一个完整的正弦波。 由 荡器产生 145弦波，经过乙类推挽功率放大器放大后由发射换能器转换为超声波发射出去。 12射电路 关的计算 起振条件： 15 振幅起振条件 ： . 1. （ n=0,1,2,3 ） 平衡条件： 振荡平衡条件 ： 1 相位 平衡条件 ： （ n=0,1,2,3 ） 放大倍数； F 反馈系数。 ； 荡频率是 ： 210 ， 其中 L= 2M 。 其中 L=C=4则 K H 4 声波发射 /接收电路 压电陶瓷超声波换能器体积小，灵敏度高、性能可靠、价格低廉，是遥控、遥测、报警等电子装置最理想的电子器件、用此换能器构成的超声波遥控开关，可使家电产品、电子玩具加速更新 换代，提高市场竞争能力。 发射距离 :8- 10 米 发射角度 :30敏度： V / 振频率： 4040射用） 4040接收 用） 频 带 宽： 2形尺寸： 16温 度： + 60 相对湿度： 20 5 时达 98% 16 两接线脚焊接时间不宜过长，以免器件内之焊点溶化脱焊及造成底座与接线脚之间松动 ,不宜与腐蚀性物质接触 由 成正反馈回授振荡器。电路的振荡频率决定于反馈元件的 谐振频率为 40率稳定性好，不需作任何调整，并由 为换能器发出 40超声波信号。电感 电容 谐在 40作谐振作用。本电路适应电压较宽（ 312V），且频率不变。电感采用固定式，电感量 机工作电流约 25射超声波信号大于 8m。 40声波信号的 发射电路 单稳式超声波接收器电路原理图，超声波换能器 振频率为 40频后，将 40外的干扰信号衰减，只有谐振于 40有用信号（发射机信号）送入 成的高通放大器放大，经 出直流分量，控制 成的电子开关带动继电器 K 工作。由于该电路仅作单路信号放大，当发射机每发射一次超声波信号时，接收机的继电器吸合一次（吸合时间同发射机发射信号时间相同），无记忆保持功能。可用作无线遥控摄象机快门控制、儿童玩具控制、窗帘控制等。电路中 200， 150，其他元件自定。电路不需调试即可工作。如灵敏度和抗干扰不够，可检查三极管的 值与电容 实测，配合相应的 发射机，遥控距离可达 8m 以上。在室内因墙壁反射，故没有方向性。电路工作电压 3V，静态电流小于 10 17 10图 340声波信号的 接收电路 收电路的设计 频放大电路 发射换能器发出的超声波，经空气衰减后，被接收换能器接收，转换能量损失很大，接收换能器输出的信号很微弱，一般只有几毫伏，为了满足检波器的需要，实现大信号检波而采用了中频放大器专门对接收换能器输出的信号进行放大。中频放大器由两级频放大器组成，放大器的中心频率为 145带宽度为 3 压放大倍数为 600800 倍，输出电压有效值为 1V，当输入端短路时输出端最大噪声电压不大于4 中频放大器是由两级 频放大器组成 ， S 为接收换能器； 隔直电容 12 为分压电阻，调节两者的比值，就可以获得 基极正偏电压值。 来改善电路的温度稳定性。 18 131512频放大电路 波电路 检波电路的作用是从调幅波中取出低频信号。它的工作过程正好和调幅相反。检波过程也是一个频率变换过程，也要使用非线性元器件。常用的有二极管和三极管。另外为了取出低频有用信号，还必须使用滤波器滤除高频分量，所以检波电路通常包含非线性元器件和滤波器两部分。下面 图 3 二极管检波器为例说明它的工作。 极管检波电路 图 3一个二极管检波电路。 检波元件， C 和 R 是低通滤波器。当输入的已调波信号较大时，二极管 断续工作的。正半周时，二极管导通，对 C 充电；负半周和输入电压较小时，二极管截止， C 对 R 放电。在 R 两端得到的电压包含的频率成分很多，经过电容 C 滤除了高频部分，再经过隔直流电容 隔 直流作用，在输出端就可得到还原的低频信号。 19 波电路 检波电路：即二极管包络检波（ 3 由二极管和 通滤波电路组成。二极管导通时，输入信号向 电，截止时 R 放电，再输入信号作用下，二极管不断重复导通和截止，直到充放电达到平衡，输出信号跟踪了输入信号的包络。 检波器将中频放大器输出的调幅信号中的低频漩涡信号检出送给低频放大器，检波器输出电压幅值为 510 值随风速增加而增大。 频放大电路 如图 3示为单电源低电压带通滤波电路。 80电源低电压带通滤波电路 该电路采用单电源运算放大器 8成二阶带通滤波器，电源电压范围可从 3V 20 到 30V。在决定各元件数值时，首先确定带通滤波器的中心频率 按下表选用合适的电容 C(C=2)。然后选定 Q 值。 Q 值是代表选频特性的一个参量， Q 值高，通带就窄。当 Q=10 时，可得每倍频程 频率响应特性。但 Q 值太大，电路稳定性差。一般 Q 值选择小于 10。闭环增益 K，应保证在不失真前提下得到尽可能大的输出幅度。一般 于 l。 2712图 3频放大电路 如图 3示，低频放大器采 用 8单电源运放构成两级放大器，每级放大约 20 倍，频率范围在 201200输入端短路时，输出端噪声电压不大于 1 形电路的设计 3812形电路 21 整形电路。由 只硅晶体管构成，把低频放大器输出的近似正弦波信号转换成矩形波，完成波形变换如图 3路送给就地显示电路，另一路送给频率 电流转换电路。 3波形图 率 单 稳态触发器 作用 :F / V 转换电路如图 3示，其工作原理是：利用输入脉冲 F 的上升沿（或下降沿）触发单稳态触发器，单稳态触发器对应每一个输人脉冲的上升沿（或下降沿）都有一个恒定宽度的脉冲输出，并且输出脉冲频率与输人脉冲频率相等。该脉冲经 波器滤波后，电压 输人脉冲频率的增大而增大，从而将频率信号转换电压信号。各点波形如图 3示。 22 图 3形波 216811131412 电流转换电路。由 稳态触发器 电源运算放大器 效应晶体管 硅晶体管 成。 单稳态触发器 出脉冲 定，由施密特整形电路输入的矩形波信号，经单稳态电路再次整形后输出脉宽恒定幅值恒定的矩形脉冲，经 46、 压滤波后，输出 01V 直流电压信号，完成频率 电压转换。输出电压信号可以由 小范围内调整。 由 成恒流电路， 模拟负载电阻。 采样电阻， 23 结成同相放大工作状态，恒流电路将 01V 直流电压信号转化成 15流电流信号，经长线输送至矿井 监测系统、电源箱，从而完成频率 电流转换。 示电路的设计 显示电路是由 （ 存 /7 段译码器 /驱动器 ）， 双 步加计数器）， 示屏构成。 存 /7 段译码器 /驱动器，常用的显示译码器件 图 3 图 3段锁存 驱动器 专用于将二 换成七段显示信号的专用标准译码器，它由 4 位锁存器， 7 段译码电路和驱动器三 部 分组成。 脚功能： 4 脚是消隐输入控制端，当 时，不管其它输入端状态是怎么样的，七段数码管都会处于消隐也就是不显示的状态。 定控制端，当 时，允许译码输出。 时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在 时的数值。 3 脚是测试信号的输入端，当 ， 时，译码输出全为 1，不管输入 态如何，七段均发亮全部显示。它主要用来检测数 7 段码管是否有物理损坏。 8421输入端。 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g：为译码输出端，输出为高电平 1 有效。 里面有上拉 电阻，可直接或者接一个电阻与七段数码管接口。 数字电路 原理（引脚及功能） 一个用于驱动共阴极 数码管）显示器的 七段码译码器，特点：具有 换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的 路能提供较大的拉电流。可直接驱动 示器。 24 一片 锁存 /7 段译码 /驱动器，引脚排列如 3所示。其中 a 、 b 、 c、 d 为 输入， a 为最低位。 灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示 数码 “ 8” ，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。 消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， 外 拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数 9(1001)时，显示字形也自行消隐。 锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。 a g 是 7 段输出，可驱动共阴 码管。另外， 示数 “ 6” 时， a 段消隐；显示数 “9”时 ， d 段消隐，所以显示 6、 9 这两个数时，字形不太美观 一般由 要多位计数，只需将计 数器级联，每级输出接一只 码管即可。所谓共阴 码管是指 7 段 阴极是连在一起的，在应用中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压 5V 时可使用 300的限流电阻。 工作原理 (1)工作真值表如表 3表 3D 4511 的真值表 输入 输出 I C B A a b c d e f g 显示 X X 0 X X X X 1 1 1 1 1 1 1 8 X 0 1 X X X X 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 25 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 2 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 3 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 4 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 5 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 6 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 7 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 8 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 9 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 消隐 1 1 1 X X X X 锁存 (2) 译码器的锁存电路由传输门和反相器组成 ,传输门的导通或截止由控制端 电平状态。 当 “ 0” 电平导通， 止；当 “ 1” 电平时， 止， 时有锁存作用。 (3) 码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数 据 B、 C 进行组合，得出 四项，然后将输入的数据 A、 D 一起用或非门译码。 (4) 消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使 B 端输出为低电平，字形消隐。 消隐输出 J 的电平为 J= =（ C+B） D+不考虑消隐 ，便得 J=（ B+C） D 26 据上式，当输入 码从 1010 ， J 端都为 “ 1” 电平，从而使显示器中的字形消隐。 一个双 步加计数器，由两个相同的同步 4 级计数器组成。 脚功能 (管脚功能 )如下： 12钟输入端。 12除端。 12数允许控制端。 11数器输出端。 22数器输出端。 电源。 。 12791015步加计数器 一个同步加计数器，在 一个封装中含有两个可互换二 /十进制计数器，其功能引脚分别为 1 7 和 9 数器是单路系列脉冲输入（ 1 脚或 2 脚；9 脚或 10 脚）， 4 路 信号输出（ 3 脚 6 脚； 11 脚 14 脚）。 制功能： 两个时钟输入端 用时钟上升沿触发 ,信号由 入 ,此时 为高电平 1,若用时钟下降沿触发 ,信号由 入 ,此时 为低电平 0,同时复位端 保持低电平 0,只有满足了这些条件时 ,电路才会处于计数状态 将数片 行级联时，尽管每片 并行计数，但就整体而言已变成串行计数了。需要指出， 设置进位端，但可利用 输出端。有人误将第一 27 级的 接到第二级的 ，结果发现计数变成“逢八进一”了。原因在于 在用下产生正跳变的，其上升沿不能作进位脉冲，只有其下降沿才是“逢十进一”的进位信号。正确接法应是将低位的 接高位的 ，高位计数器的 接 54216 1112 34 51714 139 82 112 6 84139216 111 684714 1393216 111 6 84 714 1393 84 725示电路 如图 3时控制器 晶体振荡器 成晶体振荡器，产生 32768振荡频率，经分频后， 由 12 脚输出 32空比为 50%的方波信号作为数码管的驱动信号如图 3 2、 3 脚接入 成施密特触发器，对输入的被测脉冲进行整形，被测信号由 2 脚输 入 。 u u t t 28 图 3形图 锁定寄存器选通信号是由 15 脚供给。它是由定时器的窄脉冲产生器产生的间隔周期为 1s，脉宽脉冲 为 负窄脉冲信号。 11 脚供给。它是由定时控制器的窄脉冲产生器产生的间隔周期为1s，脉宽脉冲为 正窄脉冲信号。被测脉冲由 10 脚输出送给 计数输入端 6 脚进行计数。当计数时间到 1 秒钟时，选通信号到来，给 定寄存器解锁，所测信号进入译码器，显示器将显示这 1 秒钟的测量值。选通脉冲后，液晶显示器保持测量值，同时清零信号对计数器清零。清零脉冲过后，计数器开始下一秒钟的计数。当计数又到 1 秒钟是，选通信号又到来，锁定寄存器又解锁，液晶显示器显示新的测量值。如此循环，显示器将不断地显示新的测量值， 其显示周期为 1 秒。 第 4 章 风速传感器的使用 用前的准备 芯电缆线在连接时，一定要严格按颜色要求接线：红色线 电源正极（电缆插头 1 号口），蓝色或黑色线 电源负极或信号负极（电缆插头 2 号口），白色或黄色线 连接分站信号线（电缆插头 3 号口），绿色线 不使用。 注：信号线与分站接通后传感器左侧指示灯应点亮。 (1)将传感器放置在风洞中，在无风时调节 信号输出为 2000 1 29 (2)传 感器量程为 015m/s，调校分 5 档。风洞开到任意位置时，遥控器对准传感器按动粗调和细调上、下按钮，使传感器显示值现风洞风速相同即可 ； (3)井下调校时，严禁用矿灯直照显示窗 。 (4)维护与修理 感器接线 4线接法 引脚号 引线名称 引线 颜色 备注 1 超生波接收探头正极 出厂时已连接 2 超生波接收探头负极 出厂时已连接 3 出厂时已连接 4 超生波发射探头负极 出厂时已连接 5 超生波发射探头正极 出厂时已连接