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太原理一大学硕十研究生学位论文 高速多测点甲烷浓度网络监测系统的研制 摘要 甲烷( c h 4 ) 是一种易燃易爆气体，是煤矿瓦斯的主要成分，它 是各种地质开采特别是煤炭开采中事故的隐患之一，甲烷浓度检测 成为保障煤矿安全生产的重要手段。论文针对当前甲烷( 瓦斯) 监 测系统存在的无预警能力，网络集成化程度不高，测点较少等共性 问题，提出研制新型的甲烷浓度监测系统，该系统传感器功耗低， 测点多，适合甲烷浓度的全方位测量。通过多点测量，系统可给出 矿井内甲烷浓度分布的全面信息。该系统除具有动态实时监测功能 外，还可与历史数据进行比较，得出甲烷浓度的变化趋势，经过与 内设的预警阈值进行比较提供预警能力。研制的重点是降低甲烷传 感器功耗、提高响应速率、延长数据无误差传输距离，使单个分站 能够容纳更多的传感器，从而确切了解甲烷浓度分布的真实情况。 低功耗智能甲烷传感器的研制从硬件和软件两方面进行。在硬 件电路方面，研制了高效率的d c - d c 转换模块；选用集成高速8 位 a d d a 转换电路、5 1 2 字节数据e e p r o m 、8 k 程序f l a s h 、增强型u a r t 的微控制器p 8 9 l p c 9 3 5 作为c p u ；采用应用成熟的催化燃烧元件作为 敏感元件；数据通信采用远距离、低功耗、高可靠性调制解调芯片 太原理一人学硕十研究生学位论文 m s 1 7 5 1 2 ，传输速率1 2 0 0 b s ，通信距离可达2 0 k m ；设计了遥控接收 电路，配合软件进行报警值、断电值、线性度、零点值等多项参数 的调整；全部数据处理功能集中于单片高速微处理器中，处理速度 快，灵敏度高；整板元件数量少，稳定性高，功耗低。 传感器控制软件是完成监测任务、合理控制系统各硬件资源的 核心。智能传感器在实时检测甲烷气体浓度的同时，还要完成报警 值比较、浓度值显示、数据存储，在接收到上位机指令进行数据传 输以及完成相应任务。传感器软件必须对多种对象同时进行实时控 制，以足够快的速度对各个对象的实时信息进行处理并做出快速响 应。借鉴实时多任务操作系统( r t o s ) ，建立任务状态队列，完成任 务管理程序巡回扫描状态队列进行任务调度，合理分配c p u 资源， 提高系统实时性、并行性与软件结构的模块化。各任务按优先级不 同，分时工作，降低系统平均功耗。 经过上述工作，新型甲烷传感器功耗降由1 2 w 降为0 8 w ，单个 监测分站可带传感器数目多、响应时间快、测量误差小、数据传输 距离远。整个系统工作稳定，测量数据准确，配合计算机及其相应 软件，实现了高速网络化监测，完成了研制目标。 关键词：甲烷，监测，低功耗，催化，本安特性 太原理f ：人学硕十研究生学位论文 i n v e s t i g a t i o no fm e t h a n ec o n c e n t r a t i o nm u l t i p o i n td e t e c t l 0 n n e t w o r ks y s t e mw i t hh i g hs p e e d a b s t r a c t m e t h a n eg a s ，w h i c hi st h em a i nc o m p o n e n tg a si nc o a l ，i st h ei n c i p i e n tf a u l tf o r g e o l o g i c a le s p e c i a l l yc o l l i e r ye x p l o r ef o ri ti sf l a m m a b l ea n de x p l o s i v e t h e r e f o r e ， m e t h a n ed e t e c t i o ni si m p o r t a n tf o rs e c u r i t yi nc o a lm i n e h o w e v e r ，t h ee x i s t e d m e t h a n ed e t e c t i o ns y s t e ma r el o w e r i n t e g r a t e d ，s i n g l ep o i n tm e a s u r e m e n ta n du n a b l e t oi n d i c a t e i nt h i sp a p e r ，i n v e s t i g a t i o no f i n t e l l i g e n tm e t h a n ed e t e c t i o ns y s t e mw a s p r o p o s e d t h ef u l li n f o r m a t i o no fm e t h a n ec o n c e n t r a t i o nc a nb eg i v e nt h r o u g h m u l t i p o i n tm e a s u r e m e n t e x c e p tf o rt h ed y n a m i c a l l yr e a l - t i m ed e t e c t i o n ，h i s t o r yd a t a c a nb ec o m p a r e dw i t h ，a n dt h e nt h ec h a n g et r e n do fm e t h a n ec o n c e n t r a t i o nc a nb e p r e s e n t e d a f t e rc o m p a r i n gw i t ht h et h r e s h o l di n s i d e ，i n d i c a t i o nc a nb eg i v e n i n o r d e rt om a k ee v e r ys t a t i o nt oa c c o m m o d a t em o r es e n s o r s ，a n dt h e nr e a l i z e m u l t i p o i n tm e a s u r e m e n to fc o m p l i c a t e dm e t h a n ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n ，t h e i n v e s t i g a t i o nk e yi st ol o w e rp o w e rc o n s u m p t i o n ，i n c r e a s er e s p o n s er a t ea n de x t e n d t h ed a t at r a n s f e rd i s t a n c ew i t h o u te r r o r i n v e s t i g a t i o no fl o wc o n s u m p t i o ni n t e l l i g e n tm e t h a n es e n s o rc a nb ep r o c e s s e d f r o mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e as p e c i a ld ct od cc o n v e r t e rw i t hh i g he f f i c i e n c yw a s d e s i g n e d ；i n t e g r a t e dh i g hs p e e d8b i t sa dc o n v e r s i o nc i r c u i t ，512b y t e se e p r o m ， i i i 太原理t 人学硕十研究生学位论文 8 kp r o g r a mf l a s ha n de n h a n c e du a r tm i c r o c o n t r o lp 8 9 l p c 9 3 5w e r ec h o s e n f o rc p u ；ac a t a l y t i cc o m p o n e n ta ss e n s o r ；am o d u l a t ec h i pw i t hf a rd i s t a n c e ，l o w c o n s u m p t i o na n dh i g hr e l i a b i l i t yw a su s e df o rd a t ac o m m u n i c a t i o nw h o s et r a n s f e r r a t ei s12 0 0 b sa n dc o m m u n i c a t i o nd i s t a n c ec a na c h i e v et o2 0 k m as p e c i a lr e m o t e c o n t r o lc i r c u i tc o m b i n i n gw i t hs o f t w a r e ，c a na d j u s tp a r a m e t e r ss u c ha st h et h r e s h o l d l e v e lf o ra l a r m ，t u r n o f f , l i n e a r i t ya n ds oo n a l lt h ed a t a - t r e a tf u n c t i o na r ei n t e g r a t e d i nas i n g l em i c r o - p r o c e s s o rw i t hh i g hs p e e d ，s ot h es e n s o r ss e n s i t i v i t ya r ei m p r o v e d a n dn u m b e ro fc o m p o n e n ti nac h i pd e c r e a s e dw h i c hm a k et h es y s t e mm o r es t a b l e a n dt h ep o w e rc o n s u m p t i o nb el o w e r e dg r e a t l y t h es e n s o r sc o n t r o ls o f t w a r ei st h ec o r et oa c c o m p l i s hd e t e c t i o nt a s ka n d c o n t r o le v e r yh a r d w a r er e s o u r c er e a s o n a b l y i n t e l l i g e n ts e n s o rs h o u l dn o to n l yd e t e c t t h eg a sc o n c e n t r a t i o ni nr e a l t i m e ，b u ta l s oa c c o m p l i s hc o m p a r i s o no fa l a r md a t a ， c o n c e n t r a t i o nd i s p l a ya n dd a t am e m o r y s i m u l t a n e o u s l y ，t h e nt r a n s f e rd a t at of u l f i l l t h ec o r r e s p o n d i n gt a s ka f t e rr e c e i v i n gt h ei n s t r u c t i o nf r o mt h ec o m p u t e r t h e r e f o r e t h es e n s o rs o f t w a r em u s tc o n t r o lm u l t i p l eo b j e c t si nr e a l t i m ea to n et i m e ，a n dt r e a t t h em e s s a g ea ss o o na sp o s s i b l et h e nr e s p o n dq u i c k l y f o l l o w i n gt h er e a l - t i m e o p e r a t i n gs y s t e m ( r t o s ) ，a s s i g n m e n ts t a t ea l i g n m e n t sa r ee s t a b l i s h e dt h e nt a s k sa r e a t t e m p e r e dt h r o u g hs c a n n i n gt h es t a t ea l i g n m e n t si nt a s km a n a g ep r o g r a m t h i sk i n d o fs y s t e mc a nd i s t r i b u t ec p ur e s o u r c e sr e a s o n a b l yt oi m p r o v er e a lt i m ea n d p a r a l l e l c h a r a c t e r i s t i c st h e nr e a l i z et h em o d u l a t e ds o f t w a r es t r u c t u r e a ut h et a s k sw o r k s e p a r a t e l ya c c o r d i n gt ot h e i rp r e c e d e n c ew h i c hc a nl o w e rt h ea v e r a g ec o n s u m p t i o ni n s y s t e m a f t e ri n v e s t i g a t i o ni nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h ec o n s u m p t i o no f n e w s t y l e m e t h a n es e n s o rc a nb el o w e r e dt oo 8 w ，a n de v e r yd e t e c t i o ns t a t i o nc o u l ds u p p o s e 12 8w a y s ；t h er e s p o n s ec o m e b a c ki s3 sa n dm e a s u r e m e n te r r o rc a nb el e s st h a n1 o ： i v 太原理i 人学硕十研究生学位论文 t h ed a t at r a n s f e rd i s t a n c ec a nr e a c ht o2 0 k m t h ew h o l es y s t e mw o r k ss t a b l ya n d n e t w o r kd e t e c t i o nw i t hh i g hs p e e di sr e a l i z e d ，w h i c hi so u ra i mt oi n v e s t i g a t e k e yw o r d s ：m e t h a n e ，m o n i t o r ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，c a t a l y s i s ，i n t r i n s i c s a f ec h a r a c t e r i s t i c v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：兰l 墨塑：日期：型! ：! ，丛 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：亟1 盘型日期：型堕! ：! ! 导师签名盟叠 f h17 日期：乙硝o tj 。6 太原理t 大学硕十研究生学位论文 1 i 选题的目的与意义 第一章绪论 2 0 0 4 年1 0 月以来，连续发生3 次死亡百人以上特大煤矿事故，如此频 度在我国近2 0 年来实属罕见； 2 0 0 5 年孙家湾超过2 0 0 人死亡的特大矿难是我国1 9 6 0 年以来的最大煤 矿瓦斯爆炸事故。 中国的煤炭产量约占全球的3 5 ，事故死亡人数则占近8 0 。我国的煤炭 百万吨死亡率2 0 0 4 年约3 人，这一水平是美国的1 0 0 多倍，南非的2 0 多倍，印 度的l o 多倍。当前我国煤矿安全生产的现状是：煤矿瓦斯大，煤与瓦斯突出越 来越严重，危险性增加。我国所有煤矿均为瓦斯矿井，在我国煤矿事故类型当中， 瓦斯与顶板事故最为严重。 甲烷是瓦斯气体的主要成分，规避煤矿事故的发生，必须加强对井下甲烷浓 度的监测。而现有煤矿多数矿的甲烷监控系统装备不全，尚未实现网络化管理， 部分设备功能落后。目前全国原国有煤矿中使用监控系统的矿井共装备瓦斯传感 器9 8 5 4 个，平均每个矿井使用2 9 个。联网传感器共有1 4 1 1 6 个，平均每套4 2 个i ”。在这些已装配的监控系统中，存在的问题主要是：在传输速度上，为了降 低成本，不在高速传输上进行研究，使得地面监控主机所得到的数据只能部分的 反映甲烷浓度的情况，大量的实时数据不能传到地面；在多点检测上，由于甲烷 浓度分布复杂，不同地点浓度不一，同一地点不同高度浓度分布差异也很大，监 测点数较少，根本不能反映甲烷浓度分布的全貌；大部分检测系统采用的载体催 化甲烷传感器，功耗大( 1 2 w 左右) 2 1 ，使多点、网络化监测更是无从谈起。 针对甲烷浓度监测仪的现状，着重解决当前甲烷( 瓦斯) 监测产品存在的无 预警能力，网络集成化程度不高，多是单点测量等共性问题，提出研制智能化的 甲烷浓度监测系统，通过多点测量，可给出矿井内甲烷浓度分布的全面信息，除 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 具有动态实时监测功能外，还可与历史数据进行比较，得出甲烷浓度的变化趋势， 经过与内设的预警阈值进行比较提供预警能力；研制的重点是通过在传感器的硬 件及软件两方面进行大幅度改进，使传感器整体功耗大大降低( o 8 w ) ，传输距 离与传输速率大为提高，单个分站所带传感器数目增加，从而实现高速多测点甲 烷浓度网络监测。 1 2 国内外研究现状 按照所采用的气体浓度传感器的工作原理分类，目前国内外用于甲烷浓度检 测的方法主要有以下几种： 1 ) 半导体式气体传感器。 半导体式气体传感器利用半导体材料表面吸附、脱附气体分子会b i 起半导 体电导率的变化来检测气体。在所有可燃气体传感器中，应用最广的是电学类气 体传感器。其中的半导体气敏元件自1 9 6 2 年s e i y a m a 应用于气体探测以来，以其 灵敏度高、响应时间快、经济可靠等优点而得到迅猛发展，目前已成为世界上产 量最大、应用最广的传感器之一。这类传感器主要有s n 0 2 ，s n o ， f e 2 0 3 三大 类，此外还丌发了许多新材料。如单一金属氧化物材料有w 0 3 ，i n 2 0 3 ，t i 0 2 ， b a 0 2 ，c d o ，v 2 0 5 ，a 1 2 0 3 ，z r 0 2 等；还有混合金属氧化物材料女 1 z n 2 s n 0 4 ， n i c u o ，a 1 v 0 4 ，c d s n 0 3 ；另外还有混合金属氧化物材料如n a 2 s 0 4 一i n 2 0 3 ，z n o c u o ，c d o s n 0 2 ，s n 0 2 一t i 0 2 i n 2 0 3 等。上述半导体气体传感器可按检测 方式不同分为电阻式和非电阻式两类。电阻式半导体气体传感器依据其电阻随气 体含量的不同而变化的特征来检测气体。非电阻式半导体气敏元件则利用其电流 或电压随气体含量的变化来检测气体，主要有m o s - - 极管式和结型二极管式及 场效应管式4 1 。 半导体甲烷传感器响应幅度大、探测范围广、制作工艺简单且基本实现了国 产化，从而得到广泛使用。其缺点是稳定性差，受环境影响较大；尤其是选择性 不强，易受甲烷中含有的其他气体的影响，使输出参数不能精确确定，此外，这 类传感器如果长时间没有遇到探测气体，将会因氧化而进入休眠状态从而对气体 2 太原理i ：人学硕+ 研究生学位论文 泄漏不再做出反应。另外这类传感器的输出信号是非线性的，这使得定标有一定 困难，不宜应用于计量要求准确的场所，现主要应用于家庭气体( 如天然气) 泄 漏报警中。 2 ) 催化燃烧式气体传感器。 催化燃烧式气体传感器利用可燃性气体在气敏元件表面上发生氧化反应，产 生热量从而引起元件电阻值的改变，据此来检验不同浓度的气体；其结构是在铂 丝线圈上包以氧化铝和粘合剂，经烧结而形成球状，外表涂敷铂、钯等稀有金属 的催化层。工作时加热至3 0 0 4 0 0 ，当环境中有可燃性气体时，气体就会在 稀有金属催化层上燃烧，从而引起铂丝线圈温度上升、阻值增大，通过测量这 电阻的变化可测定环境中可燃气体的浓度【5 j 【酣。 接触燃烧式气体传感器使易燃气体在传感器表面接触燃烧从而引起传感器 的电阻改变，将电阻的变化量转换为百分l e l ( 最低爆炸下l 艮1 0 w e re x p l o s i v e l i m i t ) 显示或报警。其主要特点是计量准确，响应快速，寿命较长，传感器的输 出与环境的爆炸危险直接相关，目前在我国的瓦斯检测领域是一类占主导地位的 传感器，主要用于低浓度( 0 - - 4 ) 范围的甲烷气体的检测”。其缺点是在恶劣 环境下使用寿命短，而且元件表面的催化剂接触到一些非可燃性气体时会产生反 应从而容易发生催化剂中毒。 3 ) 热传导式气体传感器。 热传导式气体传感器依据不同可燃性气体的导热系数与空气的差异来测定 气体的浓度，通常利用电路将导热系数的差异转化为电阻的变化。热传导式气体 检测仪的结构是将待测气体送入气室，气室中有热敏元件如热敏电阻、铂丝或钨 丝，对热敏元件加热到一定温度，当待测气体的导热系数较高时，将使热量更容 易从热敏元件上散发，使其电阻减小，通过惠斯登电桥测量这一阻值变化可得到 被测气体的浓度值8 】【9 l 。这种传感器在待测气体浓度高时稳定性较高，所以，一 般用于高浓度甲烷气体( 4 一1 0 0 ) 。 热传导式甲烷传感器一般与催化燃烧式传感器配合使用，组成全量程甲烷浓 3 太原理人学硕十研究生学位论文 度传感器。 4 ) 基于相干光干涉的气体传感器。 干涉式气体传感器的基本原理是应用光的干涉现象来测气体的浓度。 利用 略作改进的迈克尔逊干涉仪作为仪器，将由一个光源发出的光分为两束，分别经 过甲烷与基准气体传输，由于甲烷气体浓度不同造成的折射率的变化使两束光线 光程差不同，由于两条光线是相干光线，在一定条件下就可形成干涉条纹。由于 此干涉条纹中包含了浓度信息，故我们可以根据记录干涉纹的变化来得出气体的 浓度。图卜1 为一种干涉式甲烷传感器原理图。 图1 - 1 干涉式甲烷传感器 f i g 1 - 1i n t e r f e r o m e t r i cm e t h a n es e n s o r 光干涉系统相对于载体催化来讲，在理论上有精度高、测量范围广、稳定 性好等诸多优点。但从干涉系统的设计到c c d 采集信号要求都非常严格，且结构 复杂，成本高，不易于实现小型化【1 0 1 。 5 ) 光声气体检测 光声气体检测方法就是用一定频率的调制光照射密闭的物质组分，物质吸收 光能后，有一部分能量转化为分子热能，并以声压的形式表现出来，检测声压信 号就可以对物质组分进行分析。实验原理图如下示： 4 太原理t 人学硕士研究生学位论文 谶 j ) - 广卜卅- e ；i ia 譬 一 i b 。矿一。l 卜一 靳；蝴w f ，褂 “ 幽1 2 光声气体检测系统 f i g ，1 - 2o p t a c o u s t i c a lm e t h a n es e n s o r 红外光声气体检测技术本质上基于红外吸收。大气中的许多分子和燃烧产物 气体的分子通常都具有一定的红外吸收波长，使得他们可以根据特定吸收波长而 被标识出来。在通常的光声检测中，气体被密封在一个小腔内( 称为光声腔) ，当 用一束调制( 强度随时问周期性变化) 的红外光照射气体时，气体分子吸收光能而 被时变加热，这个温升导致气体膨胀，由此引起的周期性压力波动可以用一只麦 克风检测到。因信号强度与气体浓度相关，因此可以用于气体检测。 光声检测与通常的光谱技术的主要区别在于，光声方法检测的光声信号是直 接取决于物质吸收光能的大小，所以反射光、散射光等对光声检测的干扰很小。 对于弱吸收试样则可增大入射光功率，从而提高信噪比舭】。 6 ) 基于红外吸收的甲烷气体传感器【1 卜1 6 1 红外光谱吸收法是通过检测气体透射光强或反射光强的变化来检测气体浓 度的方法。每种气体分子都有自己的吸收( 或辐射) 谱特征，光源的发射谱只有在 与气体吸收谱重叠的部分才产生吸收，吸收后的光强将发生变化。气体吸收反应 了气体分子或原子的各种可能的能级之间的跃迁。当某物质受到红外光束照射时， 该物质的分子就要吸收一部分光能量并将其转换为分子的振动和转动能量，产生 分子振动能级和转动能级从基态到激发态的跃迁。 光谱中甲烷在1 6 6 ，0 n 波长处。有一吸收峰，而吸收的强弱则由甲烷气体浓 度来决定，所以当一红外光信号衰减程度被测知时，即可据此求得甲烷气体的浓 度。当一束光强为，。输入平行光通过充有甲烷和空气混合气体的气室时，如果光 源光谱覆盖一个或多个气体吸收线，光通过气体时发生衰减，根据b e e r l a m b e r t 5 太原理l ：人学硕十研究生学位论文 定律，输出光强，( 五) 与输入光强i o ( 旯) 和气体浓度之间的关系为 ，( 五) = ，o ( 五) e x p l ( 兄) c ( 1 - 1 ) 式中口( 五) 是一定波长下单位浓度，单位长度的介质吸收系数：l 是吸收路径的 长度；c 是气体浓度。由上式可得 c 叫小t n 端 ( 1 z ) 式表明，如果l 与口( 五) 已知，通过检测，( 五) 和厶( 旯) 就可以测得气体的浓度。 这就是红外光谱吸收方法检测甲烷气体浓度的基本原理。 光谱吸收法检测气体浓度具有很多优点：选择性好。每种气体都有自己 各自的特征红外吸收频率，它们是互相独立，互不干扰的。不易受有害气体的 影响而中毒、老化。灵敏度高。由于采用红外吸收原理检测气体，当浓度发生 变化时，能及时做出响应。采用光信号检测，产生的干扰信号小，系统的信噪 比高。但在一般情况下，测量非常弱的吸收时，透射信号几乎不衰减，可能造成 很大的误差。 红外光谱吸收的测量方法又可分为直接吸收检测、差分吸收检测、谐波检测 等，各种检测方式都可以与应用于光纤甲烷检测系统中，是目前国内外研究的热 点i ”。2 0 1 。 在以上介绍的众多的研究方法中，基于光学器件的检测方法如光干涉法和基 于红外吸收的光纤甲烷检测具有测量范围广( 可实现全量程测量) 、检测精度高、 响应快、选择性好、可连续测量等优点。而目前国内广泛使用的瓦斯检测系统 中采用的催化燃烧式甲烷传感器相对来说有测量范围窄( 0 - - 4 ) ，敏感元件易 中毒、老化快、响应相对较慢，且多是单点测量等缺点22 1 。但同时，与前者相比， 催化燃烧式传感器突出的优点是传感器模块化设计( 检修方便) ，体积小，本质 安全性高，且随着对催化燃烧探头的原理与生产工艺的深入研究，载体催化元件 的稳定性，抗中毒性，输出线性等都有了大幅度的提高，更适合于在恶劣环境下 对煤矿瓦斯的检测【2 3 2 ”。改进工作的重点是进一步降低传感器的功耗、提高数 太原理】：人学硕+ 研究生学位论文 据传输速率与距离，使单个分站能够容纳更多的传感器，从而尽量抵消单点测量 的限制。数量众多的传感器可以实现对分布复杂的浓度多点测量，高的传输速率 可以实现实时测量，这也是本论文的研究目标与重点。 1 3 研制方案 1 研制智能型甲烷浓度传感器 甲烷传感器为整个系统中最为关键的仪器，它将敏感元件输出的数据放大、 处理、经a d 转换，数据打包后，再经通信接口传输到分站。甲烷传感器还要 有报警、显示、数掘调校功能，调校采用遥控器，实现无接触调校。 甲烷传感器在环境恶劣的煤矿井下使用，其功耗是一个非常重要的指标，它 对安全运行有着举足轻重的作用，且功耗也是限制分站所能容纳传感器数量的主 要因素。甲烷传感器的研制目标是减小传感器功耗、提高传输速率与传输距离。 要达到这一目标，有很多工作要做，需要在多个方面进行考虑。从硬件方面，首 先要研制高效率的d c d c 转换模块，降低电平转换中功耗损失。其次选择低功 耗的敏感元件，在整个系统中，敏感元件的功耗相对最大，降低了这一部分的功 耗，系统功耗就有大幅度降低。系统中的其他部件，如运放电路、a d 采样、 c p u 及其它产品的选取上，都采用微功耗的贴片元件，可以大大地减小产品体 积和整体功耗。从软件方面，软件控制各功能模块分时工作，控制系统不忙时进 入休眠状态以进一步降低功耗。 采取多种措施降低传感器功耗，选用高传输速率、高稳定性的通信芯片，搭 建高速率、低功耗通信接口，最终实现传感器研制目标。 2 研制其他各状态量传感器。煤矿井下环境恶劣，必须对除甲烷浓度外其 他环境参数进行实时检测，包括丌停传感器、负压传感器、断电器、c o 传感器、 温度传感器、湿度传感器、水位传感器、煤位传感器、电压传感器、电流传感器、 风速传感器等。各种传感器接口协议一致，统一编号，由传感器集中控制器进行 控制、协调。 7 太原理1 人学硕十研究生学位论文 3 研制传感器集中控制器及其电源，完成数据的集中处理与控制( 包括电 路设计制作、软件编制及调试) 。 4 增加监测点，组成网络化产品。由于有高速传输与低功耗作为硬件支持， 就可以在软件技术的配合下，使一个分站携带更多的传感器，这样，在每个工作 面上可以设置更多的监测点，从而能更真实、准确的反映甲烷浓度的分和情况。 5 编制地面监测主机的监测与控制软件，完善数据分析的理论模型，实现 整个网络系统的预警与控制功能。 8 太原理工大学硕十研究生学位论文 第二章监测系统构成 图2 - 1 监测系统结构 f i g 2 - 1f r a m eo f o b s e r v a t i o ns y s t e m 9 太原理：人学硕+ 研究生学位论文 2 1 监测系统主要设备 1 监控主机( 上位机) 监控主机是整个监测系统的核心控制部分，采用双备份运行形式。多机之间 自动切换，切换后给出当前运行主机提示。主机监控软件出v c n e t 编写，全部 视窗操作，完成对各分站数掘的处理、分析、保存、显示实时曲线和历史曲线的 功能。也可将数据组织成各种报表打印输出。监控软件包含专门的工具集，可对 历史数据进行分析计算，估计甲烷浓度变化趋势，达到预警的目的。此外，监控 主机通过外置联网设备与局域网或广域网连接，组成网络化甲烷监控系统。 2 地面控制器 地面控制器是监控主机与井下分站进行通信的中间机构，完成对主机与分站 的隔离，对总线信号进行处理，使信号能够传远；监测总线信号电平，判断总线 工作情况。另外，地面控制器对监测系统本身的工作信息进行监控，监控内容主 要有：供电电压、本安电压、直流电压、端口电流、电缆检测、通信信号电平、 传感器工作电压等。将这些数据传递给监控主机，使故障判断工作透明化、便于 系统维护与故障排除。 地面控制器内部具有完全独立的两套通信与控制电路，两路之间可通过双口 r a m 进行实时数据交换，当其中一路工作不f 常时，通过软件进行自动切换， 并将自身工作状态传输给监控主机。 3 井下监控分站 井下监控分站在具有甲烷或煤尘爆炸危险的煤矿井下工作，用于连接传感器 与地面装置，接收传感器信号并传送到地面；接收监控主机由控制器发出的控制 信号，控制断电仪，并向传感器供电。 分站主要由电源转换部分与控制部件组成。电源转换部分为一本安腔体，将 2 2 0 v 交流电源经过整流、滤波、稳压后产生2 2 v 与5 v 直流电压。5 v 用于控制 部分c p u 等供电；2 2 v 经过两级限流和双重化限压后输出1 8 v 本安电源。 控制部件为本安结构，由c p u 板、接线端口、信号转换单元组成。断电仪 的控制c p u 与传感器的控制c p u 分丌，独立并行工作，一方面使传感器数据可 1 0 太原理工人学硕十研究生学位论文 靠的被采集，另一方面保证能够在最短的时白j 内完成断电。由于设计了低功耗传 感器，单个分站所带传感器数量达到了1 2 8 路。 4 各参量传感器 为了提高煤矿的安全程度，监测系统除了监测瓦斯之外，还要全面考虑其它 因素的影响，如c o 、风量、负压、设备的开停状态等，同时它还必须具备超限 报警和断电功能，即当瓦斯含量超过设定值时，系统自动发出声光报警，并切断 井下电源，避免爆炸事故发生。各参量传感器输入输出端口定义一致、统一编号， 便于根据井下实际情况选择不同数量搭配到分站。 2 2 系统特点 1 数字化。监控系统各部件之间全部采用数字信号进行数据交换，提高了传输 f 确率与系统稳定性。数据无损传输距离长，提高了系统监测点覆盖范围。 2 模块化。监控系统各部件全部采用标准模块化设计，如将传感器各部分按功 能分为敏感元件、信号放大、信号处理、声光报警、数据传输等几个模块，不同 参量传感器之白j 主要区别为敏感元件不同。每一传感器配置相同的两个敏感元 件，可由软件控制进行切换，延长了单个敏感元件的使用寿命，提高系统冗余度。 模块化设计使系统扩充及故障判别、监测维护十分方便。 3 总线式设计。传感器统一编号，各分站也分别编号，所有数据在同一总线上 分时传输，减少了电缆使用量，数据传输也更加可靠稳定。 4 远程调校。各传感器中配置了低功耗的的e 2 p r o m ，可预存调校参数和保存 实时工作参数，使监测主机可以通过软件对传感器进行远程调校，无须将传感器 从井下取出，简化了调校工作。 太原理1 人学硕十研究生学位论文 第三章智能甲烷传感器研制 3 1 载体催化元件的工作原理 a 1 2 0 图3 - 1 载体催化元件的基本结构【2 8 】 f i g 3 - 1t h eb a s i cs t r u c t u r eo f c a r r i e rc a t a l y t i cs e n s o r 载体催化元件最早层是用o 0 2 0 0 5 m m 的高性能铂丝绕制的螺旋圈，外面是 由a 1 2 0 3 和催化剂组成的催化外壳。铂丝螺旋圈完成加热；a 1 2 0 3 载体有定型、 传热和载附催化剂等功能。催化剂由氯化钯外加稳定剂钍( t u ) 配制而成，有降低起 燃温度、加强选择性、提高稳定性等功能。当载体催化元件遇到甲烷与空气的混 合气体时，在催化剂的作用下，甲烷气体在元件表面发生无焰燃烧，产生的热量 使铂丝的温度升高。如图3 2 为铂丝温度随甲烷浓度变化曲线。 1 2 查壁l 丛堂堡婴室生堂堡垒塞 u 。 l 。 c 图3 - 2 温升曲线( 2 9 j fi g 3 - 2t h ec u r v eo f t e m p e r a t u r er i s i n g 随着铂丝温度的升高，其电阻值变大。在完全燃烧及没有热辐射的情况下， 电阻增量r 与甲烷浓度c 成正比，即有3 叫 a r 2 口。d c q c 。= k c ( 3 1 ) 式中，口，口，c ，q ，c ，分别为铂丝电阻温度系数、催化剂性能常数、甲烷燃烧 热、元件热容。故比例系数是仅与元件及甲烷本身性质有关的常数。将r 转 化为电信号的变化，既可测出甲烷的浓度。 为了去除由于电源电压的变化以及外界环境温度变化引起铂丝电阻值变化 带来的误差，将带有催化剂的元件( 黑元件) 与不带催化剂的元件( 白元件) 配 对使用。配对时选择在纯净空气中阻值相同的黑元件与自元件，将它们成对的封 装在粉术冶金气室中，经过灌封处理，就成为实用的甲烷气体传感头。 1 3 太原理l + 人学硕十研究生学位论文 图3 - 3 载体催化元件输出特性电路图 f i g 3 - 3t h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c sc i r c u i td i a g r a mf o rc a r r i e rc a t a l y t i cs e n s o r 如图3 - 3 所示，在黑元件( r 。) 与白元件( r 。) 串接，两端加恒定的电压 虬，当环境中甲烷气体浓度发生变化时，r 。阻值发生变化，变化量为r ，则 = 爿虬丽r w + a r ( 3 2 ) 在图3 - 3 中取a = 1 ，r ，= 1 0 q ，“。= 3 0 v ，ar 取值从0 开始，得图3 4 图中虚线为线性基准，实线为实测数据。 由图3 4 可知，恒压下，载体催化元件输出电压为非线性，需要在后处理 中对这种非线性进行补偿。 6 5 1 群 0 0040 81 016 2 0 r ( q ) 图3 - 4 载体催化元件输出电压 f i g 3 4o u t p u tv o l t a g ef o rc a r r i e rc a t a l y t i cs e n s o r 1 4 太原理r 人学硕十研究生学位论文 3 2 传感器硬件设计 3 2 1 硬件系统总体设计 在传感器硬件设计中，根据功能分为敏感元件、信号放大、遥控接收、c ? u 、 数字显示、声光报警、输入输出接口几个部分。图3 5 为系统硬件框图。 鏊 d 叫数字显示 元 放 件人 叫声光报警 c p u i 遥控接收i ， - - - t 誓金曾 ii 图3 - 5 硬件系统框图 f i g 3 - 5h a r d w a r es y s t e mc h a r t 系统硬件电路工作原理： l 、信号的产生 本传感器采用催化燃烧式元件( 即黑白元件) 来检测甲烷的浓度。将装配好 的一对元件接入电桥的两个臂上( 图3 - 8 ) ，c p u 通过i o 口输出高低电平经反向 器加在敏感元件电源端，使敏感元件停止或开始工作，在甲烷浓度为零时，调整 电位器r ，使电桥平衡。当有甲烷与黑元件接触时，由于黑元件的高温度使甲烷燃 烧，从而又使黑元件的温度升高，阻值增大( 阻值增量的大小与甲烷浓度成正比 关系) ，电桥失去平衡，产生与甲烷浓度成币比关系的微弱电位差信号，测量这 一电位差信号即测量了甲烷的浓度。 2 、信号的放大 为了便于数据采集，将电桥输出的电位差信号送入差分式放大电路，将双端 输出变为单端输出，得到了0 3 v 电压输出信号，这样的电压输出信号与 p 8 9 l p c 9 3 5 中集成a d 转换器处理的电压信号匹配，便于进行a d 转换。 1 5 太原理1 人学硕十研究生学位论文 3 、显示 电信号放大之后输出到单片机的a d 转换口，经过计算和处理之后变成百分 浓度值在三位数码管上显示。 4 、报警与断电 报警设定值与断电设定值在调校时通过软件写入c p u 的e e p r o m 存储器中， 然后通过软件设定采集的浓度值与之比较，超过报警设定值时则通过蜂鸣器和显 示数码管声光报警；若采集浓度值超过断电设定值，则向分站传送断电信号，由 断电器切断井下电源，避免爆炸事故发生。 5 、遥控调校 传感器在使用时需要定期进行调校。本传感器采用遥控调校方式，传感器内 置遥控信号解码电路，接收遥控手柄发出的调校指令解码后传送c p u 实现调校功 能。 6 、通信接口 传感器设计了通信接口电路，通信方式有f s k 频率调制方式、r s 一4 8 5 通信 方式、l 一5 m a 或4 - 2 0 m a 的电流输出方式、5 - 1 5 h z 或2 0 0 1 0 0 0 h z 频率输出方式 等。当监控主机需要查询井下甲烷浓度时，只要发出相应信息，传感器即可将测 量结果经通信电路传送出去，最长传输距离可达2 0 k m 。 为了降低功耗，所有的元器件均选用低功耗器件，所有集成块的供电均由 软件控制，以使这些器件能分时工作，降低总功耗。在仪器加电时，黑白元件 的冲击电流很大，采用序列加电的方法，逐步给其加电，减少了冲击电流：报 警时由声、光报警分别工作，减小功耗。 3 2 2d c d c 转换模块设计 在监测系统中，甲烷传感器供电由分站输出的1 8 v 本安直流电源提供，传 感器系统工作电压为低功耗的3 v ，所以必须进行电源转换。为此，设计了高效 率、低纹波的d c d c 电源转换电路。 电路的核心元件是m c 3 4 0 6 3 ，它是一种单片双极型线性集成电路，专用于 直流一直流变换器控制部分，片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期 1 6 太原理t 人学硕七研究生学位论文 控制振荡器驱动器和大电流输出丌关，能输出1 5 a 的开关电流。它能使用最少 的外接元件构成丌关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。 m c 3 4 0 6 3 内部电路原理框图如图3 - 6 所示。 图3 - 6m c 3 4 0 6 3 功能框图 f i g