（检测技术与自动化装置专业论文）矿用气体传感器检定系统的开发研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 矿用气体传感器检定系统的开发研究 检测技术与自动化装置 王义强( 签名) 宋柏( 签名) 摘要 在煤矿安全监控系统中，作为检测的传感器直接关系到煤矿安全监控系统的可靠性 和灵敏度，对监测监控起着决定作用。为保证矿用气体传感器测量的准确性，必须对传 感器按一定的要求进行定期检定。利用矿用气体传感器检定系统检定矿用气体传感器， 能够全面评定矿用气体传感器的计量性能，使煤矿安全监控系统有效地发挥监测监控的 作用。在此背景下开发了矿用气体传感器检定系统，该系统由矿用气体传感器检定装置 和上位p c 机组成。 本课题在研究矿用气体传感器检定原理的基础上，设计矿用气体传感器检定装置的 气体回路、基于单片机a t 8 9 s 5 2 的控制电路、与上位p c 机的通信电路和频率测量电路。 其中频率测量是整个检定系统的核心，为此重点研究广泛应用于中间频段测量的等精度 频率测量方法，设计并开发等精度测频的硬件电路及其软件实现，从而使检定系统在其 整个测频范围内实现了等精度测频。为将测量的频率数据远传以及上位p c 机对检定装 置的控制，采用r s 4 8 5 通信协议，开发了上位p c 机和检定装置的串口通信软件。通过 串口通信软件将所检定的结果显示到上位机界面，并运用p c 机强大的数据处理能力分 析保存数据，便于工作人员更直观地了解检定状态，实施相应处理与控制。 目前，所研制的矿用气体传感器检定系统已经过实验室调试和现场试运行，结果表 明其操作简单、稳定性好、易维护。该系统数据处理能力强、检定精度高、抗干扰能力 强，为矿用气体传感器的自动检定提供了一种切实可行的方案。 关键词：矿用气体传感器；检定；单片机；等精度测频；通信协议 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h ed e v e l o p m e n ta n ds t u d yo fv e r i f i c a t i o ns y s t e mf o rc o a l m i n eg a ss e n s o r s p e c i a l i t y ：d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i o ne q u i p m e n t n a m e ：w a n gy i q i a n g i n s t r u c t o r ：s o n gb a i a b s t r a c t ( s i g n a t u ( s i g n a t u t h es e n s o ri sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h er e l i a b i l i t ya n ds e n s i t i v i t yo fc o a lm i n es a f e t y m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ，a n dp l a yai m p o r t a n tr o l ei nm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n g i n o r d e rt og u a r a n t e et h ev e r a c i t yo fm e a s u r i n g ，t h es e n s o rm u s tb ev e r i f i e d p e r i o d i c a l l y a c c o r d i n gt ot h ev e r i f i c a t i o nr e g u l a t i o n t h i sv e r i f i c a t i o nd e v i c ec a nc o m p r e h e n s i v e l ya s s e s s t h em e t e r i n gp e r f o r m a n c eo fs e n s o r , w h i c hc a ne f f e c t i v e l yp l a yt h er o l eo fm o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n gf o rc o a lm i n es a f e t ym o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m u n d e rt h ec i r c u m s t a n c e s ， a u t o m a t i cv e r i f i c a t i o nd e v i c ef o rc o a lm i n eg a ss e n s o ra r ed i s c u s s e di nt h ep a p e r t h ev e r i f i c a t i o np r i n c i p l eo fc o a lm i n eg a ss e n s o ri si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r ，a n d d e s i g n e dt h eg a sl o o p 、t h ec o n t r o lc i r c u i tb a s e do nt h es i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ra t 8 9 s 5 2 a n df r e q u e n c ym e a s u r e m e mc i r c u i t ，w h e nd e v i c ew o r k e da tt h em a n u a ls t a t u s i na d d i t i o n ，t h e s e r i a lc o m m u n i c a t i o nc i r c u i tw h i c hw o r k e da tt h ea u t o m a t i o ns t a t u si sa l s oi n t r o d u c e d f r e q u e n c ym e a s u r e m e n ti st h ec o r eo fv e r i f i c a t i o nd e v i c e s oi ti sf o c u s s e dr e s e a r c ho ne q u a l a c c u r a c yf r e q u e n c ym e a s u r e m e n tw h i c hw i d e l ya p p l i e dt om i d d l eb a n dm e a s u r e m e n t i no r d e r t or e a l i z el o n g - d i s t a n c ed a t at r a n s m i s s i o n ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ea d o p t e dr s 4 8 5 p r o t o c 0 1 s e r i a lc o m m u n i c a t i o ns o f t - w a r eb e a r sg r e a ts i g n i f i c a n c ei nt e r m so fs i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e r ，n o to n l yd i dt h es i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e rt r a n s m i td a t at op cp o r t ， s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e ra l s ow a sc o n t r o l e db yp c i ta n a l y z ea n ds a v et h ed a t ab ym a k i n g u s eo ft h ep o w e r f u ld a t ap r o c e s s i n gc a p a b i l i t yo fp c ，a n di tc a nd i s p l a yt h ev e r i f i c a t i o nr e s u l t i np c ss c r e e nt h r o u g ht h es e r i a lc o m m u n i c a t i o ns o t h a r e ，s ot h ew o r k e rc a nk n o wt h es t a t u s o fv e r i f i c a t i o na n df i n i s ha p p r o p r i a t et r e a t m e n ta n dc o n t r 0 1 b yt e s i n ga tl a b o r a t a r ya n dr u n n i n ga tw o r k s h o p ，t h es y s t e mh a ss t r o n gp o i n t so fe a s y o p e r a t i o ng o o ds t a b i l i t ya n de a s ym a i n t e n a n c e t h es y s t e mh a s s t r o n ga b i l i t yo fd a t a p r o c e s s i n ga n da n t i i n t e r f e r e n c e ，a sw e l la sh i g hv e r i f i n gp r e c i s i o n t h i sv e r i f i c a t i o nd e v i c ef o r c o a lm i n eg a ss e n s o rp r o v i d e sap r a c t i c a lp r o g r a mf o ra u t o m a t i c a lv e r i f i c a t i o n k e yw o r d s ：c o a lm i n eg a ss e n s o r v e r i f i c a t i o n s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r e q u a la c c u r a c yf r e q u e n c ym e a s u r e m e m c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 妻料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我，同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名。七文绞醐：z 竹 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 抛生文旅师 ，) p 月1 日 | 1 绪论 1 绪论 1 1研究背景及意义 我国煤炭资源丰富，煤炭占我国能源结构比例的绝大部分。然而，我国煤矿与世界 各地主要产煤国家比较，不仅地质构造比较复杂，以人工开采为主，而且自然灾害也较 为严重。煤矿井下自然环境复杂，存在多种安全隐患。近年来，我国煤矿事故频繁发生， 不仅造成了巨大的经济损失，更重要的是有矿工伤亡，所以安全问题已经成为制约我国 煤炭生产的瓶颈。另外，随着煤矿生产规模的日益扩大，对煤矿的生产效率、管理效率 都提出了新的挑战。 煤矿安全监控系统正是为了解决以上问题而产生的。煤矿安全监控是计算机、通信、 控制技术相互交叉的学科，与矿山的生产环节密切相关，其研究目的是对矿井上、下的 机电设备运行状态进行监测，用计算机对采集的数据进行处理，对设备、局部生产环节 或过程进行控制。其主要功能是能够及时、准确地反映各类所需要的监测信息，从而完 成对瓦斯、风速、一氧化碳、温度等环境参数及设备开停等不同监测对象的监测，以保 证矿井的正常运行。 由于“监测监控”是预防瓦斯事故的重要防线和保障措施，因此，煤矿安全规程 第三章通风安全监控的第一百六十二条规定“安全监控设备必须定期进行调试、校正， 每月至少1 次。甲烷传感器、便携式甲烷检测报警仪等采用载体催化元件的甲烷检测设 备，每7 天必须使用校准气样和空气气样调校1 次。每7 天必须对甲烷超限断电功能进 行测试”。并在“煤矿重大安全生产隐患认定办法第六条中指出“未配备专职人员对 矿井安全监控系统进行管理、使用和维护的 或“传感器设置数量不足、安设位置不当、 调校不及时，瓦斯超限后不能断电并发出声光报警的”均为煤矿重大安全生产隐患。 在煤矿安全监测监控系统中，气体传感器是感知井下环境参数的重要仪器，只有其 安全可靠的工作，才能实现准确的测量和数据传输。因此，气体传感器的稳定性和可靠 性是煤矿安全监测监控系统能否正确反映被测环境参数的关键技术和产品，是煤矿安全 监测监控系统有效运行的前提。特别是甲烷( c h 4 ) 传感器，及时检测c h 4 的产生源、泄 露源及浓度，对工矿安全运行、人身安全及环境保护有着十分重要的作用。因此，对煤 矿安全监测监控系统使用的气体传感器特别是甲烷传感器进行检定势在必行。 1 2 国内外研究现状 目前无论国内还是国外，都对行业标准化有了足够的重视，但在我国毕竟起步较晚， 介绍国外计量行业检定技术的材料寥寥无几。对国外先进检定设备的了解，只能靠已见 西安科技大学硕士学位论文 刊的测量设备来推测。以敏感器件的测试为例，在国外许多国家都投入大量资金进行敏 感器件测试技术的研究。美国的g e n r a d 公司是著名的敏感器件生产商，其产品在生 产的关键环节均配有专用检测设备测试，成品终检采用具有很高自动化水平的检测设 备，先进的测试装置为其参与国际市场竞争，使产品成为国际知名产品创造了条件。日 本的l e a d e r 和费加罗公司采用自动巡回测试系统和软件补偿技术对其气体传感器进 行性能测试和补偿，保证了年产量达一千万只的气体传感器的质量i 。总体上说，国外 在检定精度上发展较快。近几年来，在国家大力扶持下，一些技术先进的仪器仪表厂家 逐渐兴起，如北京凌天世纪自动化技术有限公司。国内对矿用气体传感器检定技术的研 究也处于百家争鸣的时代，所研制的检定设备也层出不穷。就调研和查阅所得的情况来 看，可归纳为如下两大类： ( 1 ) 微处理器型。这种类型的检定设备，是以各种各样的微处理器为智能核心，白 组专用c p u 系统，将检测、控制和数据处理等各项功能设计在一块线路板上或一个机 箱内。其优点是体积小，成本低，仪表自动化程度高，便于携带适合于工业现场的检定 工作要求。其缺点是开发阶段投资多，工作量大，线路复杂，专业性强，技术难度高， 而且在显示及打印输出方面功能有限，故不易推广使用，仅适合于大批量、工厂化的产 品生产。 ( 2 ) 通用微型计算机型。这种类型的传感器检定设备直接利用目前迅速发展的微机 控制技术进行开发，专门设计一个通信检测接口，利用计算机强大的智能控制和数据处 理功能，结合可视化操作界面和高级程序设计语言，配合键盘、鼠标和打印机输入输出。 其优点是开发环境优越，技术难度和工作量小，检定精度高，人机交互界面友好，功能 齐全完善，易于推广使用。因为自动测试系统各组成部分均配有标准化的接口功能电路， 并都与统一的总线相联。此特点决定了可以很灵活地实现更改、增加测试内容的系统改 建，且组成系统的各功能部件与设备均具有很强的通用性。同一检定系统稍加改动就可 以检定多种类的计量仪器，同时适用于大批量的仪器检定。其缺点是成本高，体积大， 检定系统会占用一定的微机资源【2 j 。 1 3本论文研究的主要内容 本论文以目前国内煤矿大批量使用的低浓度载体催化式甲烷传感器为研究对象，分 析它的工作原理和检定方法。然后在遵循国家计量部门有关低浓度载体催化式甲烷传感 器的检定步骤和规程的基础上，开发出一种采用计算机技术的新型检定系统。其主要工 作包括以下几个方面： ( 1 ) 论述课题研究的背景、意义以及国内外研究发展动态。 ( 2 ) 介绍矿用气体传感器检定原理，设计作为下位机工作的矿用气体传感器检定装 置的气体回路和基于单片机a t 8 9 s 5 2 的控制电路，并根据检定步骤和规程设计了系统软 2 1 绪论 件。 ( 3 ) 分析传统的计数器测频法和测周法测量频率的局限性，论述等精度测频的原理 并分析其测量误差。详细介绍等精度测频的硬件电路和软件程序的设计过程。 ( 4 ) 针对设计好的矿用气体传感器检定装置，利用v i s u a lb a s i c6 0 开发上位p c 机检 定界面以及上位p c 机和检定装置的串口通信软件，将检定装置和p c 机组合成易于升 级换代的检定系统。 ( 5 ) 对设计的检定系统进行测试，得到测试结果并对其进行了分析。 3 西安科技大学硕士学位论文 2 系统原理及方案设计 随着现代测试技术与手段被广泛的应用于各种工业场合，越来越多的数字式智能仪 器开始代替旧仪表，为此研制出一种智能化程度高、简单实用的矿用气体传感器检定系 统，不但是对传统的检定测试方法和手段的一次革新，而且还具有广阔的应用市场。 2 1矿用气体传感器概述 气体传感器意指气体成分传感器，主要是利用物理与化学性质把气体中的特定成分 检测出来并转换成电信号的器件。不同气体的传感器具有不同的性能和原理，其对各种 气体的反应也不相同，其环境空间适应性方面也不相同。气体传感器按其所用的气敏材 料及气敏特性不同，可分为半导体式、固体电解质式、电化学式、接触燃烧式、高分子 式等1 3 j ，如图2 1 所示。 图2 1 气体传感器的分类 ( 1 ) 半导体气体传感器 半导体气体传感器主要是利用半导体气敏材料吸附气体后其电阻率显著改变的特 性来检测气体含量的传感元件。1 9 6 2 年日本九州大学的清山哲郎和费加罗公司的田口尚 义研制成利用金属氧化物半导体作为气体传感元件，因为其具有灵敏度高、响应快等优 点，得到了广泛的应用。半导体气体传感器按照半导体变化的物理性质，分为电阻式和 非电阻式两种。电阻式半导体气体传感器是利用半导体接触气体时，气敏元件阻值随气 体含量的变化而变化的原理进行工作的。主要有s n 0 2 、z n o 等的烧结体、薄膜、厚膜。 检测气体为氧气和可燃性气体。非电阻式半导体气体传感器是利用半导体接触气体时， 4 2 系统原理及方案设计 气敏元件的电流或电压随气体含量变化而变化的原理工作的。主要有金属一半导体结型 二极管式和m o s 场效应管式气体传感器。检测气体为一氧化碳、硫化氢、氢气等可燃 性气体。 ( 2 ) 固体电解质气体传感器 固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料做气敏元件。其原理是气敏材料在 通过气体时产生离子，只透过特定离子的固体电解质构成对特定气体反应的固体电解质 电池，通过检测该电池的电势或电流变化而检测气体浓度。这种传感器的电导率高、灵 敏度和选择性好，得到了广泛的应用，仅次于金属氧化物半导体气体传感器。 ( 3 ) 接触燃烧式气体传感器 接触燃烧式气体传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式两种。在矿井安全 监测中，用于低浓度瓦斯监测的主要是催化燃烧式。催化燃烧式甲烷传感器工作原理是： 传感元件( 含敏感元件) 表面的甲烷( 或可燃性气体) 在催化剂作用下，发生无焰燃烧，放 出热量，使传感元件升温，从而使其电阻值发生变化，通过测量传感元件电阻变化就可 测出甲烷气体的浓度。这种传感器只能测量可燃性气体，对不可燃性气体不敏感。接触 燃烧式气体传感器在环境温度下非常稳定，并能对爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行 检测。 ( 4 ) 高分子气体传感器 根据所用材料的气敏特性，这类传感器可分为：高分子电阻式气体传感器、浓差电 池式气体传感器、声表面波( s a w ) 气体传感器以及石英振子式气体传感器。 高分子电阻式气体传感器：通过测量高分子气敏材料的电阻来测量气体浓度； 浓差电池式气体传感器：根据高分子气敏材料吸收气体时形成浓差电池，通过 测量其电动势来确定气体浓度； 声表面波( s a w ) 气体传感器：s a w 气体传感器制作在压电材料的衬底上，一端 的表面为输入传感器，另一端为输出传感器。两者之间的区域淀积了能吸附挥 发性有机化合物v o c ( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ) 的聚合物膜。被吸附的分子 增加了传感器的质量，使得声波在材料表面上的传播速度或频率发生变化，通 过测量声波的速度或频率来测量气体浓度： 石英振子式气体传感器：石英振子式气敏元件由石英基片、金电极和支架三部 分组成。其电极上涂有一层气体敏感膜，当被测气体分子吸附在气体敏感膜上 时，敏感膜的质量增加，从而使石英振子的谐振频率降低。通过测定共振频率 的变化来识别气体浓度。 高分子气体传感器具有对特定气体分子灵敏度高，选择性好的优点，且结构简单， 能在常温下使用，可以补充其它气体传感器的不足。 目前国内生产的用于煤矿安全监测监控系统的气体传感器主要有瓦斯传感器、一氧 5 西安科技大学硕士学位论文 化碳传感器、硫化氢传感器、氧气传感器，其中又以瓦斯传感器最为重要，是煤矿动态 监测矿井瓦斯浓度的有效工具。作为检测的传感器直接关系到煤矿安全监控系统的可靠 性和灵敏度，对监测监控起着决定作用。矿用固定式c h 4 传感器已成为矿井瓦斯综合治 理和灾害预测的关键技术装备。我国装备的煤矿安全监控系统中使用的低浓度瓦斯传感 器大都采用热催化原理检测c h 4 。由于其技术的不断发展与完善，这类传感器近年来发 展迅猛，种类繁多，无论报警矿灯、便携式瓦斯报警仪还是安全监控系统中的低浓度瓦 斯传感器，都占据了煤矿瓦斯传感器的主导地位，对煤矿安全生产起到了至关重要的作 用【4 】，而且采用热催化原理生产出的传感器具有价格低廉的特点，易于煤矿量大面广的 使用，在今后一段时间内，我国煤矿检测c h 4 仍会以热催化检测原理的敏感元件为主。 因此，本文主要以热催化式甲烷传感器设计矿用气体传感器检定系统。对矿用气体 传感器而言，为了和煤矿安全监测监控系统匹配且能够及时向井上传送数据，输出信号 都采用抗干扰性强、易于传输的频率信号，其信号制式为( 2 0 0 - 1 0 0 0 ) h z 。对于不同的 气体传感器，只要更换检定用的标准气样该矿用气体传感器检定系统就可以对其进行检 定。 2 2载体催化元件的检测原理 载体催化元件一般由一个带催化剂的传感元件( 俗称黑元件) 和一个不带催化剂的补 偿元件( 俗称白元件) 组成，白元件与黑元件的结构尺寸完全相同，但自元件表面没有催 化剂，仅起环境温度补偿作用。 黑元件由铂丝线圈、a 1 2 0 3 载体和表面的催化剂组成。其中铂丝线圈用于通电加热 黑元件，提供瓦斯催化燃烧反应所需的温度；同时瓦斯燃烧放出的热量使其升温，通过 测量其电阻变化，就可测得空气中瓦斯的浓度。a 1 2 0 3 载体用来固定铂丝线圈，增强元 件的机械强度。涂在元件表面的铂( p t ) 和钯( p d ) 等重金属催化剂，使吸附在元件表面的瓦 斯无焰燃烧。由于白元件表面没有催化剂，因此瓦斯不会在白元件表面燃烧，白元件铂 丝线圈的电阻变化仅与环境温度有关。将黑元件和白元件点焊到元件架上成为一个完整 的元件。把两个阻值相近的黑白元件选配在一起( 称为配对) ，装上元件帽，成对地封装 在粉术冶金气室中，经过灌封处理，就成为实用的甲烷传感头【5 儿6 j 俗称黑白元件， 瓦斯在载体催化元件上的反应是一种气固相催化反应过程，即为多相催化。多相催 化反应是在固体催化剂的表面进行，即把反应物吸附在催化剂表面上，并在催化剂表面 上发生反应，其反应物也吸附在表面上。为了使载体催化反应能连续不断地在表面上发 生，产物必须不断地从表面上解析出来。载体催化元件使用p t ，p d 等金属催化剂。p t ，p d 等过渡金属元素是较好的加氢脱氢催化剂，可以化学吸附甲烷，使甲烷离解，一般称为 离解化学吸附，即 c h 4 + 2 m c h 3 m + h m 6 2 系统原理及方案设计 式中：m 一表面金属原子。 甲烷是饱和烃，在金属催化剂上吸附保留时间极短，属难氧化气体。由于离解化学 吸附作用，使甲烷分子的价键力发生变化，降低了反应活化能，产生催化反应。因此， 采用载体催化元件检测瓦斯时，只要维持甲烷一空气混合气体中有足够量的氧，并维持 一定的高温条件，就会在元件表面产生无焰燃烧。甲烷氧化过程如下【7 j c h 。+ 三d 2 p 加t , 热p _ _ _ _ _ d dc h 3 0 h + 1 2 9 砌 c h 3 0 h + 芝10 2 p 加t , 热p dc h s o + s o + 1 4 7 5 l ( j c h ，0 + ! d 掣h c o o h + 2 7 5 心 一 2刀口泵 h c o 。h + 1 2o ：面p t , 万p dc 0 2 + h 2 d + 2 4 2 8 l ( j 总的反应方程式为 c h 4 + 2 0 2 p 删t 絮p d ￥c 0 2 + 2 h 2 d + 7 9 5 5 k j 催化反应过程中无焰燃烧放出热量，增加了敏感元件铂丝的电阻值，采用惠斯顿电 桥可以测量载体催化元件的电阻变化量。将催化元件、补偿元件和电阻构成惠斯顿电桥， 当检测甲烷气体时，催化元件中含有的催化剂使甲烷气体在其表面氧化燃烧，产生大量 的热量，使催化元件的温度升高，阻值增大，电桥输出一个不平衡电压信号，用于反映 被测甲烷气体的浓度。载体催化元件俗称黑白元件，由一个黑元件和一个白元件构成， 黑元件为催化元件，白元件为补偿元件。检测电路如图2 2 所示。其中，v s 为输入电压， v o 为输出电压，粕为调零电位器，r 为固定电阻，d 检测元件，c 为补偿元件。 图2 2 黑白原件检测电路 然而由于黑白元件本身的阻值就非常小，因此当环境中的瓦斯浓度发生变化时黑白 元件的阻值变化也很小，这样电桥的输出电压变化也非常小，在实际应用中需要对该输 出电压进行放大之后才能进行瓦斯浓度的判断。 7 西安科技大学硕士学位论文 2 3系统的设计要求 矿用气体传感器检定系统主要是检定各种矿用气体传感器、各种便携仪、甲烷传感 器及报警灯。同时适用于各种传感仪、各种便携仪、甲烷传感器及报警灯的调试、故障 检测及维修的专用设备。其主要指标为： 1 检测范围：0 0 0 - - 4 0 0 c h 4 ，流量误差不大于4 0 级。 2 频率检测范围：o 1 0 0 0 k h z ，最小分辨率是1 h z ，基本误差是0 5 级。 3 输出电压：8 - - - 2 5 v 任意调节，能满足3 6 v 、1 8 v 、2 1 v 等各种便携仪及各种断 电仪传感器的正常工作及电压波动的试验，电压显示误差不大于l 。 该检定系统配上各种标准气样形成完整的检定系统，并具有如下功能： 1 检测各种便携仪器( 需要气体校验的) ； 2 检测甲烷传感器( 一次校验4 台) 模拟控制传输距离1 0 0 0 米和2 0 0 0 米； 3 检测各种传感器的输出频率； 4 检测各种传感器的工作电压、电流； 5 对报警矿灯进行调试。 2 4矿用气体传感器的检定原理 所谓“检定 ，是指为评定矿用气体传感器的特性是否合格而进行的全部工作。其 中包括外观检查和在规定的标定点检查其输出量值大小和稳定程度是否符合标准规范。 矿用气体传感器的检定步骤和检定周期按国家计量部门制定的“检定规程”进行。 矿用气体传感器检定示意图如图2 3 所示。标准气样钢瓶中装有标定点所需的标准 气样，压力表显示钢瓶中气样的压力值。标准气样通过减压阀、阀门、流量计沿硅橡胶 管进入被检定传感器的测试腔与传感器接触。此时，被检定传感器显示对应气体的浓度 值同时输出与该标定点成一定比例关系的频率信号，将此频率信号送入频率计。频率计 读取的频率值与标准频率值进行对比、计算，判断该被检传感器是否合格。 由上述过程可以看出，整个检定过程比较复杂。如果检定一氧化碳传感器其预热时 间为1 5 - - - 2 0 分钟，这样每检定一次所用的检定时间较长，如果批量检定会造成不必要 的时间浪费，且对技术工人的熟练程度和水平有一定的要求。考虑到批量检定的预热时 间和检定时间，本文设计的检定系统可同时预热4 台矿用气体传感器。 8 2 系统原理及方案设计 234567 1 、标准气样钢瓶2 、压力表3 、阀门4 、流量计5 、调节阀 6 、胶皮管7 、测试腔8 、被检定传感器9 、信号线1 0 、频率计 图2 3 传感器检定示意图 2 5 频率的测量 根据检定系统的检定原理可知，频率测量部分主要完成读取矿用气体传感器输出的 频率值，直接反映被检定传感器的特性，其测量准确性直接影响检定结果。为此，设计 了基于等精度测频的频率测量电路。此外为了能够将测试、采集的数据上传至上位机， 该频率测量部分配备了r s 4 8 5 通信接口。 所谓“频率就是周期性信号在单位时间( 1 s ) 内变化的次数。如果在一定时间间隔 t 内周期信号重复变化了n 次，则其频率可表达为 r 厂= 等 式( 2 1 ) 2 5 1 频率测量的方法 频率测量方法的分类【8 】如图2 4 所示，分别为：直读法、比较法、计数法。 频率测量方法丁模拟法1 比较法仨兰f 李沙育图形法 9 西安科技大学硕士学位论文 得到过应用的测频方法与仪器主要有以下几种： ( 1 ) 谐振法：使用l c 回路，通过调节电容使其回路电流最大，此时谐振频率与被测 信号频率相同。这种测量方法主要是利用l c 回路的谐振特性进行测频( 如谐振式波长表 可测无源l c 回路的固有谐振频率) ，测频范围为0 5 1 5 0 0m h z 。 ( 2 ) 差频法：差频法是将标准信号与被测信号进行混合以得到一个差频信号，当差 频为零时读取频率。外差式频率计是其代表，这种测量方法可测高达3 0 0 0m h z 的微弱 信号的频率，测频精确度为1 0 。6 左右。 ( 3 ) 示波法：在示波器上根据李沙育图形或信号波形的周期个数进行测频。这种方 法受到示波器x 通道频率响应的限制，当频率比较高时难以稳定，所以只适用于低频测 量。由于调节不变，已很少使用。用宽带示波器通过测量周期的方法获得被测信号的频 率值，虽然误差较大，但对于要求不太高的场合是比较方便的。 ( 4 ) 电子计数器法：直接计数单位时间内被测信号的脉冲数，然后以数字形式显示 频率值。这种方法测量精确度高、快速，适合不同频率、不同精确度测频的需要，是目 前最好的方法。 2 5 2 电子计数器的基本组成 根据测量的原理与实现的功能，电子计数器的组成应当包含以下几个功能部件吲： 实现量化的比较电路；被转换量的输入电路；量化的标准单位( t o 或岛) 产生电路； 转换结果n 的计数与显示电路。图2 5 是通用计数器的简化框图。分别介绍如下： 图2 5 电子计数器的简化框图 ( 1 ) 时基产生电路：产生计数器所使用的标准频率或时间间隔。晶振产生一个振荡频 率稳定的脉冲，通过分频整形、门控双稳后，产生所需宽度的基准时间t 的脉冲，又称 闸门时间脉冲。为了测量需要，在实际的电子计数式频率计中，时间基准旋转开关分若 干档位。因此时基电路有两个特点。 1 0 2 系统原理及方案设计 标准性时基是量化的标准，若其值不准将直接影响转换精度。作为时间或频率 的基准源应当是一个具有高稳定度( 要求达1 0 击1 0 1 0 量级) 的信号源，在各类振荡器中， 只有石英晶体振荡器才能充当这种标准信号源。 多值性为了便于对各种输入值的量化比较，要求电子计数器中备有多种量化单 位值，闸门时间t 不一定为1 s ，应让用户根据测频精度和速度的不同要求自由选择，如 1 0 s ，l s ，l o o m s ，1 0 m s ，l m s 等几种。 ( 2 ) 计数脉冲形成电路( 输入电路) ：将被测信号变换为可计数的窄脉冲，其输出受闸 门脉冲的控制。主门：因为是主要的核心门电路，故称之为主门。被测输入周期信号( 频 率为最、周期为t x ) 经放大、整形、微分得到周期t x 的窄脉冲送到主门的一个输入端。 主门的另一控制端输入的是闸门脉冲，在闸门脉冲开启主门期间，周期为t x 的窄脉冲 才能经过主门，在主门的输出端产生输出。在闸门脉冲关闭主门期间，周期为t 。的窄 脉冲不能在主门的输出端产生输出。 ( 3 ) 计数显示电路：对被测信号进行计数( 累计被测周期信号重复的次数) ，显示被测 信号的频率。它一般由计数电路、逻辑控制电路、译码器和显示器组成。在逻辑电路的 控制下，计数器对主门输出的计数脉冲实施二进制计数、其输出经译码器转换为十进制 数，送数码管或显示器显示。因为时基都是1 0 的整数次幂倍秒，所以显示出的十进制 数就是被测信号的频率，其单位可能是h z 、k h z 、m h z 。 计数器一般采用多位1 0 进制计数器；控制逻辑电路控制计数的工作程序：准备、 计数、显示、复位和准备下一次测量。其中十进制计数器要求具有计数使能端c n t e n 、 复位端c l r 、进位输出端c o 。 ( 4 ) 控制电路( 控制逻辑) 控制电路的作用是产生各种控制信号，去控制各电路单元 的工作，使整机按一定的工作程序完成自动测量的任务。在控制电路的统一指挥下，电 子计数器的工作按照“复零测量一显示”的程序自动地进行，其流程如图2 6 所示 图2 6 电子计数器的工作流程 西安科技大学硕士学位论文 测频时，电子计数器的工作过程如下： ( 1 ) 准备期在开始进行一次测量之前应当做好的准备工作是使各计数电路回到原始 状态，并将读数清零，这一过程称为“复零 。在“复零 完成后，控制电路撤掉对门控 双稳的闭锁信号( 解锁) ，门控双稳处于等待状态，等待一个闸门信号( 秒信号) 的触发。 ( 2 ) n 量期通过闸门信号选择开关，从时基电路选取适当的频标信号作为开门时间 控制信号。门控双稳在所选频标信号的触发下产生单位长度的脉冲，使主门准确地开启 一段固定时间。在这段固定时间内，输入信号通过主i - j n 计数电路计数。这段时间称为 测量时间。 ( 3 ) 显示期在一次测量完成后，关闭主门，把计数结果送到显示电路去显示。为了 便于读取或记录测量结果，显示的读数应当保持一定的时间( 显示时间长短应该是可调 的，如在0 1 - - 2 0 s ) 。在这段时间内，主门应当被关闭。这段时间称为显示时间。显示时 间结束后，再做下一次测量的准备工作。 2 5 3 电子计数器测频原理 电子计数器测频率时，是把被测频率作为计数脉冲，对标准时间t 进行量化。根 据计数器的计数值可得到两者的比值n ，其原理框图如图2 5 所示，其对应点的工作波 形如图2 7 所示。被测信号经放大、整形后，形成重复频率等于被测信号频率最的计数 脉冲，把它加至闸门的一个输入端。门控电路将时基信号变换为控制闸门开启的门控信 号。只有在闸门开通时间t 。内。被计数的脉冲才能通过闸门，并由计数器对计数脉冲计 数，设计数值为n ，则被测信号的频率为： a r 六= 詈= 蜕 式( 2 2 ) 一f 童 式中t 广门控时间( 闸门时间) ， 卜时基频率。 a b c d 图2 7 工作波形图 1 2 2 系统原理及方案设计 2 5 4 电子计数器测周原理 当被测信号频率较低时，利用计数器直接测频，量化误差将会大到不可允许的程 度。所以，为了提高测量低频时的准确度，可改成先测量周期t x ，然后计算f x = l t x 。 计数器测量周期的原理，如图2 8 所示。 被测信号t x 通过b 输入通道的放大器放大后，进入整形器变为一个周期的方波信 号加到门控电路，控制主门的开闭，主门导通的时间就正好等于被测信号的周期。晶振 经分频后产生的时标脉冲同时送至主门的另一输入端，在主门开启的时间内对输入的时 标脉冲计数。若时标信号周期为t o ，计数值为n ，则被测信号周期的表达式为t x = n t o ， ， 被测信号频率的表达式为疋= j _ ，l o ， 图2 8 测量周期的原理方框图 2 5 5 电子计数器的测量误差 ( 1 ) 测量误差来源 量化误差：由前述频率测量f ；_ n t 。= n 和周期测量t x = n t o ，可见，由于计数值 n 为整数，& 和t x 必然产生“截断误差 ，该误差即为“量化误差。也称为“士l 误 差”，它是所有数字化仪器都存在的误差。 量化误差并非由于计数值n 的不准确( 也并非标准频率源f s 或时标t o 的不准确) 造 成。而是由于闸门开启和关闭的时间与被测信号不同步引起( 亦即开门和关门时刻与被 测信号出现的时刻是随机的) ，使得在闸门开始和结束时刻有一部分时间零头没有被计 算在内而造成的测量误差。 触发误差：测周期时，被测信号经放大、整形，转换为门控信号。转换过程中存 1 3 西安科技大学硕士学位论文 在着各种干扰和噪声的影响，以及利用施密特电路进行转换时，触发电平本身也可能产 生抖动，从而引入触发误差。所以触发误差也称转换误差。误差的大小与被测信号的大 小和转换电路的信噪比有关【l 。 施密特电路具有上、下两个触发电平，即具有回差特性。被测信号进入通道放大后， 加至施密特触发器，如果不存在干扰和噪声，它都会在信号的同一相位点上触发，施密 特电路则输出周期与被测周期相同的矩形波，如图2 9 ( a ) 所示。 如果被测信号叠加了干扰，且干扰较大，可能在被测信号的一个周期内使信号电平 多次在上、下触发电平e l 、e 2 之间摆动，从而产生宽度不等的多个脉冲输出，即产生 了额外触发，如图2 9 ( b ) 所示，很显然，这种情况会产生很大的测量误差。这时的测量 值应视为坏值，予以避免。 7il 蟪、|廖。毫 。 川 q 矽 7 l i i 伊 e “)( 6 )( c ) 图2 9 信号叠加干扰后对转换的影响 如果叠加了干扰，但是干扰并不大，则会出现如图2 9 ( c ) 所示的情况。在信号的一 个周期内，仍然只输出一个脉冲。这时如果仪器是用于测量频率，因为被测信号的每个 周期仅产生一个计数脉冲，对测量是没有影响的。可见当用计数器测量频率时，为保证 测量准确，应尽量提高信噪比，以减弱干扰的影响。调整仪器时应尽量不使信号衰减过 大。 若图2 9 ( c ) 的情况是用于周期测量，则仍然有影响。因为触发点的信号相位发生了 摆动。转换为门控脉冲信号后，其宽度也会发生变化，仍然存在触发误差。 标准频率误差：标准频率误差是指由于电子计数器所采用的频率基准( 如晶振等) 受外界环境或自身结构性能等因素的影响产生漂移而给测量结果引入的误差。 ( 2 ) 直接测频误差分析 误差表达式 由频率测量表达式：f ；= n 厂r 。= n f s ，计数器直接测频的误差主要由两项组成：即量化 误差( 士l 误差) 和标准频率误差。总误差采用分项误差绝对值合成，即： 等= 等+ 等 式c 2 渤 l n s 1 4 2 系统原理及方案设计 式中， a 即为“误差，其最大值为a = 1 ，而2 芝2 e 正，由于石由晶振仉) 分 频得到，设f 产肌，则竽：竽于是，频率测量的误差表达式可写成： jlj c 等= ( 去+ 脚f c 蛔， 六l i 六 ll 、 式中第一项乏万是量化误差，第二项篮f c 标准频率误差。具体分析如下： 量化误差或士1 误差 量化误差的示意图如图2 1 0 所示。在开始和结束时产生零头时间a t l ，t 2 。在上图 中被测量与标准单位不是整数倍的关系。当主闸门开启时与被计数的第一个脉冲上升沿 不一致，闸门滞后a t l 时间：主闸门关闭时与最后一个被计数脉冲上升沿不一致，闸门 滞后t 时间： a b ts il ii n iil 厶t xr 。 图2 1 0 量化误差示意图 丁= n t x + f l + ( c 一乞) ：( + 1 - i a t l - a t 2 ) t x x a t l 、a t 2 大小不固定，但在o t x 之间取值，则可能出现的情况为： 当a t l = a t 2 时，a n = 0 ； 当a t l = 0 ，a t 2 = t x ，时，a n = 一l ； 当a t l = t x ，a t 2 = 0 ，时，a n = + 1 ； 即最大计数误差为士1 个数，故计数器的量化误差又n q 士l 误差。则有： 一a n 望：+ j 二 nnt s f x 式中，t 。为闸门时间；& 为被测频率。 1 5 式( 2 5 ) 式( 2 6 ) 西安科技大学硕士学位论文 标准频率误差 影响频率测量的另一个因素，是闸门开启时间的相对误差。它决定于晶振的频率稳 定度、准确度、分频电路和闸门开关速度及其稳定性等因素。在设计计数器时，若能尽 量减小和消除整形、分频电路和闸门开关速度的影响，则闸门时间的相对误差在数值上 等于本机标准频率( 即时基) 的相对误差。 瓦=