瓦斯传感器范文（精选7篇）
瓦斯传感器 第1篇
1 总体设计
本设计的基本出发点是利用现有工艺条件,采用单片机处理技术,提高传感器的精度等级和工作稳定性,拓展其功能并赋予其智能化特征,不仅能使传感器及时准确地检测瓦斯的质量浓度,还可减少不必要的人工操作,提高工作效率。
在智能传感器的总体设计方案中,设计者围绕优化设计原则,采用硬件电路设计与软件设计相结合优化硬件电路,一些由硬件实现的功能可用软件来实现,反之亦然。用软件实现硬件的功能时,可简化硬件结构,提高硬件电路的可靠性,同时降低成本。因此,本设计在满足可行性和实时性的前提下,尽可能地将硬件功能用软件来实现。另外,功能扩展是否灵活也是衡量优劣的一项重要指标。
2 硬件设计
智能瓦斯传感器结构见图1。
2.1 CPU处理模块
本系统选用PIC 16F877作为CPU,它在多个方面较其他系列单片机更有优越性,其最大优点表现在引脚少、功能强,具有低耗能的工作方式,可较简便地实现掉电保护。同时I/O端口驱动负载的能力较强,每个I/O引脚吸入和输出电流的最大值可达到2 mA和20 mA,可直接带LED负载,具有两个捕获、比较、脉宽调制模式,多通道10位A/D转换器,带有SPI和IC的同步串行端口SSP和9位地址检测的同步、异步接收发送USART(USART/SCI),8位宽并行从属端口(PSP),有节电锁定复位的节电检测电路等。外围配置简单、明晰,提高了整机的可靠性,并且具有较强的抗干扰性,可大大提高本机控制和抵御外界电磁干扰的能力。
2.2 传感元件
传感元件的工作原理是利用可燃气体在催化剂作用下进行无焰燃烧以产生热量,使桥路失去平衡,输出电压变量。该电压变量随气体的质量浓度增大而成正比例增大,从而预测瓦斯的质量浓度。它是一种化学原理的气敏传感器,具有体积小、重量轻、构造简单、使用方便、消耗功率小、性能稳定、精度较高、输出信号较大且不受其他烟气、灰尘影响等优点,因此成为国内外自动检测矿井瓦斯质量浓度的主要传感器,对保障煤矿安全生产、防止瓦斯爆炸事故的发生发挥了重要的作用。基于以上优点,本系统选用载体催化剂元件作为前端瓦斯检测。
2.3 信号输入模块
由于电桥输出的电压为毫伏级,所以设计者首先要进行放大处理。由于在一定的电压范围内,可通过压缩Vref+和Vref-之间的电压差值来提高转换器的分辨率,所以将放大器的输出电压调整在0～3.5 V之间,其输出接至单片机的模拟量输入端口RAO。单片机PIC16F877的A/D转换器的参考电压采用外部输入,这就需要在单片机外部电路中增加一个精度高、温度漂移小的电压基准专用芯片,设计者选用LM2671开关电源以及LM358运算放大器构成参考电压电路。ADC模块的内部结构包含8选1选择开关、双刀双掷切换开关、A/D转换电路和采样/保持电路4个组成部分。
2.4 信号输出模块
根据《煤矿用低浓度载体催化式甲烷传感器技术条件》,矿用传感器输出信号必须满足以下要求:第一,优先使用的直流模拟量信号应在1 mA～5 mA;第二,现用于地面的直流模拟量信号为4 m A～20 mA;第三,优先使用的频率模拟量信号为200 Hz～1 000 Hz;第四,开关量信号为1 mA～5 mA。
使用频率信号可提高模拟量信号的传输精度和抗干扰能力,且具有隔离性好、模拟量的采集成本低等优点。基于以上考虑,本系统的模拟量信号选用频率信号,传感器输出频率范围为200 Hz～1 000 Hz。
2.5 自校准电路模块
为延长瓦斯传感器的连续使用时间,可通过自校准电路,使仪器在足够长的时间内自动调整零点、自动补偿漂移。自校准电路原理见图2。
3 软件设计
PIC16F877具有独特的语言开发环境,与一般的语言版本相比,增加了针对单片机硬件本身的操作,如端口、引脚的输入输出和寄存器的位操作等。设计者可选用PIC的汇编语言在MPLAB集成环境下运行、调试和完成。
3.1 初始化子程序
初始化子程序主要由控制端口的初始化、A/D转换的初始化以及其他基本功能的初始化三部分组成。控制端口的初始化PIC16F877A的数字或模拟输入/输出模块大多是基本功能和一般I/O口复用,其主要目的是划分基本功能和I/O口以及输入、输出口的数据传输方向。A/D转换的初始化包括设置触发方式、在什么情况下开始或结束转换、转换通道的设定和转换时钟的预标定。其他基本功能的初始化,如CCP模块的初始化是为频率输出做准备。
3.2 自检子程序
自检子程序模块主要是为故障诊断功能设计的,一般检测电压值。它主要是对电源、转换、单片机的工作状态进行检测,如果检测过程中遇到故障,除了做出应急反应外,还应通过简单的故障方式进行指示。
3.3 参数设定子程序
在首次开机时,需要对零点、精度点、高端补偿点、报警点、断电点和复电点等参数进行初始化设置。在对传感器校准后,这些参数就要进行相应修改并保存,而在非首次开机时是读取中的参数值。
3.4 数据处理子程序
数据处理子程序包括二级滤波、零位漂移自校准、非线性自校准三部分。
数字滤波是按统计规律用软件消除随机误差的算法,具有成本低、可靠性高、滤波稳定等特点,且通过修改滤波程序和运算参数,可改变滤波的特性。本设计中采用的移动式算术平均法是以克服随机误差对最终读数的影响,如将n设为32,即求32次的移动平均值,仍发现数据变化太快,随后改为两层移动算术平均法滤波,这样才能起到很好的稳定读数的作用。
另外,在软件中使用零位漂移自校准的方法,可使系统在长时间工作后仍能精确读数。单片机在加电复位时将E2PROM中的零点补偿值读出,以后定期、自动给测量电路输出门限电压,测得零点补偿值去刷新旧值,每测到一个数据都减去零点补偿值即可。这样,可以实时地更新零点补偿值,实现自动校准零位。
但由于载体催化元件的电器特性会随着使用时间的变化而发生很大的变化,所以用户要每隔7d就用标准气进行校准,一般情况下,同一型号的传感器因生产工艺相同,导致漂移特性基本一致。补偿漂移的办法是用同一型号传感器中的几台做等效老化实验,再把取得的统计数据存入单片机存储器中,在使用时,传感器内部的单片机不断记录使用时间,然后由单片机根据使用时间与存储的实验记录项做比较和分析,并按统计数据进行跟踪补偿。如果在使用前已对传感器进行过标定,使用时可以认为电路放大系统是稳定的,零点和灵敏度以及线性的时间漂移补偿是在不触及硬件静态参数的条件下以软件的办法实现,所以在相对较长时间内是有效的。因此,可大大延长校验周期,极大地方便了用户。
综上所述,智能瓦斯传感器通过优化算法和编程,实现了非线性补偿等多种智能化特性,使传感器具有较高的智能化特性。
摘要：通过具体介绍数字化智能瓦斯传感器的总体设计、硬件设计和软件设计，提出集数据采集、分析处理、控制及数据通讯等功能于一体的数字化智能瓦斯传感器设计方案。
关键词：智能传感器,单片机,自校电路,传感元件
参考文献
[1]李学海．单片机原理[M]．北京：航空航天大学出版社，2005．
[2]国家煤矿安全监察局．煤矿安全规程[M]．北京：煤炭工业出版社，2001．
[3]邓奇根，魏建平基于网络技术的煤矿安全监控系统[J]．河南理工大学学报：自然科学版，2007，16(3)：241-245．
无线瓦斯传感器的设计 第2篇
无线传感器顾名思义就是具有无线通信功能的各种传感器, 市场上各类传统的传感器如瓦斯传感器、温度传感器、CO传感器等只要加上无线通信的功能就是实际意义上的无线传感器。无线传感器克服了传统传感器数据通信上的局限。传统意义上的传感器的一般通信方式都是有线的, 通过传输线将监测到的数据上传到监控中心, 甚至有些传感器根本没有通信能力, 只能作为单点的监测使用, 存在很大的局限性, 即使组成网络也只是局部的几个设置点, 监控的也只是固定地点的传感数据, 缺乏灵活性和覆盖能力。我国煤矿使用着各种各样的传感器, 绝大多数都是传统的有线传感器, 井下布线繁琐、线路依赖性强、安装布设维护成本很高, 一旦出现事故, 特别是发生爆炸事故时, 传感器设备及线缆往往会受到致命的破坏, 不能为搜救工作及事态检测提供信息。另外, 大多传输线都以基带信号的形式传输传感器信号, 信号很容易受电阻、电容等因素的影响而衰减, 外部电磁干扰也会加快信号的衰减。
无线传感器由于具有无线通信的功能, 克服了以上传统传感器的缺陷。它能够实时监测井下任何地点的传感器数据, 覆盖范围广, 通信的可靠性好, 灵活性也强。一旦组成无线传感网络, 将会形成一个实用性很强的网络, 在军事、环境、医疗及其它工业领域具有广阔的应用前景和较高的应用价值。在传输方面, 无线信号采用扩频通信, 它在提高信号接收质量、抗干扰、保密性、增加系统容量方面都有突出的优点。
目前, 我国煤炭企业安全生产形势较为严峻, 安全问题已成为制约煤炭工业发展的突出问题之一。由于其本身地域环境比较恶劣, 情况比较复杂, 针对煤矿行业的一系列监测监控系统产品的研制是非常必要的。在这些煤矿安全事故中, 瓦斯爆炸一直是一个最具有杀伤力的杀手, 我国每年死于煤矿事故的罹难者中有80%是因为煤矿瓦斯爆炸, 特大的瓦斯爆炸事故可致几十到上百人于死地, 因此, 对瓦斯气体浓度的监测将变得很重要。针对无线传感器的众多优点, 笔者设计了一款无线瓦斯传感器, 监测的瓦斯数据可通过无线形式实时地汇送到监控中心。
1 无线瓦斯传感器的硬件组成
图1为无线瓦斯传感器的硬件框图。MC13211为无线瓦斯传感器的核心芯片, 内置Freescale公司生产的HCS08系列单片机和无线射频Modem, 所有的硬件模块都是围绕它来设计的。电源部分用的是可充电的锰酸锂电池, 工作电压为3.2～4.2 V, 分取电池电压值的一半作为欠压检测的模拟量输入。电源稳压芯片TPS76328提供2.8 V输出给传感头和主芯片供电, 主芯片的工作电压不低于2.7 V, 只要锂电池的电压不低于3 V, 无线瓦斯传感器就能正常工作, 处于3～3.3 V时无线瓦斯传感器正常工作并处于欠压报警状态, 低于3 V时无线瓦斯传感器无法正常工作, 默认关机电压可设为3.2～3.3 V。
载体催化元件用来采集瓦斯气体的浓度, 经运放电路放大后送给MC13211进行数据采集处理。处理好的数据通过外接的液晶显示模块显示, 同时打包并发送。另外无线瓦斯传感器对采集的每一组数据都进行相应的超标检测, 一旦瓦斯浓度超标 (瓦斯报警点可以自己设定) 就立即报警。无线射频电路 (RF电路) 含发送和接收2个电路, 共用一个天线, 所以同一时刻只能运行发送和接收中的一个状态, 属于半双工通信。显示电路用的是液晶模块LCM046, 该电路带有液晶驱动芯片, 并带有蓝色的背光屏, 可以在井下黑暗无光线处清楚显示, 显示屏共有4位段码, 可以显示4个阿拉伯数字, 本无线瓦斯传感器只用了其中的3个, 瓦斯浓度精确到小数点后面2位, 测量范围为0.00%～4.00%。
2 无线瓦斯传感器的软件设计
无线瓦斯传感器的软件处理芯片使用的是Freescale公司HCS08系列中的MC9S08GB60单片机。它是一款集成在射频Modem中的8位单片机, 有ADC模块、SPI模块、I2C模块、定时计数器、UART模块等资源。本设计中, 该单片机主要完成的任务:瓦斯浓度处理、显示、超标检测、电池电量检测、欠压报警关机、无线Modem的SPI驱动、打包发送与接收、声光报警等。关机时单片机处于低功耗状态, 并关闭外围的所有电路 (除电源模块部分) , 使功耗尽可能地降为最低, 按键主动关机或欠压自动关机都可使无线瓦斯传感器进入关机低功耗状态。软件程序的流程如图2所示。
为了提高无线瓦斯传感器的稳定性和可靠性, 无线瓦斯传感器在程序环节加了很多容错与优化措施:
(1) 瓦斯采集部分增加重复检测方法:在检测瓦斯浓度时, 采用重复检测的方法提高瓦斯浓度采集的稳定性与准确性, 每个周期采集10次, 每隔1 ms (ADC转换时间为μs级) 采集一次, 采满10次后丢弃最大值和最小值, 然后取剩下8组数据的平均值作为这个周期瓦斯采集的转换值。电池电压检测部分采用同样的方法采集电量值。
(2) 欠压检测部分重复检测: 每隔1 min进行一次欠压检测, 若检测到一次欠压, 则接下来每隔1 ms检测一次电池电压, 如果连续10次检测都是欠压状态, 则认为传感器处于欠压状态并报警显示电池电量, 低于关机电压则关机。若10次中有一次不是欠压状态, 则消除欠压报警, 恢复正常的工作状态。
(3) 瓦斯参数冗余保存:瓦斯曲线部分的零点值、放大倍数、非线性系数、报警点值等关键参数保存在闪速存储器FLASH中, 这样即使掉电, 这些重要的参数也不会丢失。为了提高数据存储的准确性, 对这些参数进行不同扇区的冗余保存, 上电后分别从这2个扇区读取这些参数, 若两者一致, 则成功上电并初始化。
(4) 软件拦截:当窜入单片机系统的干扰作用在CPU部位时将使系统失灵。最典型的故障是破坏程序计数器PC的状态, 导致程序从一个区域跳转到另一个区域, 或者程序在地址空间内乱飞, 或者陷入死循环。为了防止程序在地址空间内“乱飞”问题, 程序中设置了一个环环相扣的变量flag, 基本思想如下:
这种方法对程序“乱飞”现象有比较好的抑制效果, 而对于死循环问题, 本程序采用看门狗单点喂食的方法来解决。
3 无线瓦斯传感器通信网络
无线瓦斯传感器的通信网络采用树型拓扑结构, 如图3所示。网络由2个重要组成部分:无线基站与无线瓦斯传感器节点。其中无线瓦斯传感器节点又分多种等级, 与无线基站直接相连的为路由节点, 与路由节点相连的为一级节点, 与一级节点相连的为二级节点, ……。该路由采用TDM和FDM相结合的方式, 发送和接收分不同的时间和信道, 节点在向上级节点传输数据的时候是按照属于自己的时间和信道来传输的。
每个无线瓦斯传感器接入网络时默认为路由节点, 与无线基站链接, 若得到无线基站的确认则该传感器节点即为路由节点, 否则降级为一级节点, 寻找路由节点与其链接, 得到路由节点的确认则该节点即为一级节点, 否则继续降级为二级节点, ……。整个通信过程中所有节点大部分时间处于接收侦听状态, 保证下级节点数据的可靠接收, 剩下一部分时间用来向上级节点发送数据, 发送完成后等待上级节点的确认, 若在设定时间内没有收到上级节点的确认, 则重新发送一次。若连续3次发送都没有收到上级节点的确认, 则认为该节点断开网络, 重新进入网络链接状态。为了防止数据的累积泛滥, 下级节点在向上级节点发送数据并得到上级节点的确认后, 清除缓冲区中保存的所有数据。
4 结语
本文重点介绍了无线瓦斯传感器的硬件和软件设计。该无线瓦斯传感器克服了传统传感器的缺陷, 可实时监测井下任何地点的瓦斯浓度, 具有瓦斯浓度的采集处理与显示、 电源电量的采集检测与显示、瓦斯浓度超标报警 (可任意设置瓦斯报警点) 和电源电量欠压报警、按键控制运行模式的转换、瓦斯浓度数据的无线发送、低功耗省电模式等功能, 覆盖范围广、通信可靠性好、灵活性强。
目前, 该无线瓦斯传感器已进入测试工作阶段, 测试数据证明, 不管是甲烷浓度测量还是无线通信都达到了较好的效果。计划在未来时间内推向市场, 进行少批量的市场跟踪。
参考文献
[1]于海斌, 曾鹏, 梁桦.智能无线传感器网络系统[M].北京:科学出版社, 2006.
[2]朱洲, 曹长修.ZigBee技术及其应用[J].电子测量与仪器学报, 2005 (增) .
[3]周怡挺, 凌志浩, 郑丽国.短程无线通信协议技术ZigBee进展及其应用[C]//2005年全国单片机与嵌入式系统学术交流会论文集.北京:北京航空航天大学出版社, 2005.
[4]彭瑜.低功耗、低成本、高可靠性、低复杂度的无线电通信协议——ZigBee[J].自动化仪表, 2005 (3) .
[5]陈淑娟.Zigbee技术简介及其在无线传感网络中的应用研究[C]//中国航海学会通信导航专业委员会2004学术年会论文集.大连:大连海事大学出版社, 2004.
复合式烟雾瓦斯传感器的设计 第3篇
关键词：复合式,烟雾,瓦斯,声光报警
目前天然气、液化气、煤气等以瓦斯为主要成分的气体燃料在生产生活中的应用越来越广泛,但这些气体对易爆炸、隐患事故多,尤其是发生泄露又不及时发现和处理时,一旦发生爆炸会给周围环境带来灾难性的后果。另外在一些国民经济和社会生活中起至关重要作用的特殊场所(如图文档案信息中心、邮电枢纽、生产车间、发电站、矿山开采)越来越多。由于其内部各种电气设备高度集中且长期运行工作,从而存在较多的火险隐患,一旦发生火灾,将会给国家造成极大的经济损失,给社会带来重大影响[1]。
因此如何及时、准确无误的预测瓦斯泄露和火灾险情成为社会焦点,该文介绍了一种基于气敏元件技术的复合式瓦斯与烟雾传感器的设计与实现。将甲烷气敏探头重新设计测试回路,实现瓦斯与烟雾双重测试功能,降低功耗、成本,提高测量准确度和稳定性,实现瓦斯泄露与烟雾探测复用传感器。
1 气敏元件的选取
1.1 MQ214气敏元件的介绍
本设计中采用的气敏元件为MQ214,MQ214全称为可燃气体检测用半导体气敏元件,为燃烧式工作方式,因此适用于家庭和工厂的可燃性气体泄漏监测装置,适宜于甲烷、天然气、液化气、氢气的检测。其特点如下:
a)高灵敏度
b)快速响应恢复
c)长寿命
d)简单的驱动电路
结构和外形如图1所示:由微型SnO2敏感体,测量电极构成的敏感元件固定在塑料或金属制成的腔体内。封装好的气敏元件有2只针状管脚,用于信号取出。(管脚1接电源正极),基本测试回路如图2所示。
图3给出了MQ214气敏元件在不同气体中的灵敏度特性。其中:
温度:20℃相对湿度:65%
氧气浓度:21% RL=50Ω
Rs:元件的不同气体,不同浓度下的电阻值;
Ro:气敏元件在洁净空气中得电阻值[2]。
在气敏元件特征曲线中,虽然烟雾的特征线与甲烷的特征线相隔较远,也就是二者的特性差别较大,但曲线给出的是RL在50Ω时的特征曲线,在操作手册中有以下说明:当元件预热或工作时,切勿将回路电压(Vcc)直接加于元件两端,需串联一只30Ω-100Ω电阻,否则元件将可能损坏。也就是说测试回路中RL的阻值范围为30Ω-100Ω,该电阻选取范围给气敏元件的复用提供了可能。
1.2 气敏元件的复用化设计
任意选取两只老化后的气敏元件,在2%瓦斯(空气配气)和用烟雾发生器发发生烟雾两种情况下,改变测试回路中得RL阻值测量取样电压大小,数据如表1所示。
从测试数据表格可以发现在测试回路中RL阻止为70Ω时,2%瓦斯浓度和有烟情况下取样电压值基本相同,可知在取样电阻为70Ω时可以用来做复用传感器的探头组件使用[3]。
2 硬件设计
2.1 功能要求
解决了核心探头的设计,达到预期目的后,复合式瓦斯烟雾传感器还要具备其他功能,声光报警功能、灵敏度可调功能,另外气敏元件在刚上电时有一段时间的稳定期,在这段时间内,气敏元件工作不稳定,容易出现错误信号。因此要设计延时电路保证传感器上电初期正常工作[4]。
为了减少功耗,提高传感器工作稳定性,决定全部电路都用硬件实现,无CPU,根据性能要求设计了图4所示的整体电路图。
2.2 信号采集电路
信号采集电路由图中U1、R4、R5、气敏元件、取样电阻及调节电位器R9组成。取样电阻采集电压信号与调节电位器R9在电源电压上分得的电压相比较,当取样电阻上电压大于比较电压时,U1输出高电平信号,做为控制信号输出。通过R9可以调节传感器的灵敏度,使其适应不同的工作场合。
2.3 延时电路
前文已述气敏元件在上电之初会有一段时间的不稳定期,因此在电路里设计硬件延时电路,消除掉上电不稳定期对传感器测量的影响。图4中PNP三极管V3、电阻R3、R8和电容C1组成延时控制电路,利用R3和C1组成的阻容延时电路,上电后R3和C1充电需要一段时间,在C1电压到达一定的范围之前,V3处于导通状态,强制拉低信号采集电路输出的信号,使输出电路不产生动作。
当C1端电压充电到设定值时,V3截止,信号采集电路输出的控制信号就可以对输出电路有作用。通过调节R3和C1的参数可以调节充电时间,从而达到延时的目的。
2.4 声光报警电路
声光报警电路采用传统的三极管驱动蜂鸣器和发光二极管的方式。图中的V1,V2就是驱动三极管,驱动蜂鸣器和发光二极管,在有烟或者瓦斯超限时进行声光报警[5]。
3 结束语
针对生产生活中对瓦斯和烟雾需要越来越大的现实,通过对MQ214气敏元件性能的研究,设计出可以同时检测瓦斯和烟雾的复合式传感器,并给出了其工作电路。该实验电路在实验室进行实验,效果良好,对气体传感器的设计给出了新的思路。由于MQ214本身的特点使其对使用环境要求较高,还需要对该气敏元件进行深入研究,扩大其适用范围。
参考文献
[1]王进贤,王泉,等.一种无线烟雾传感器节点的设计与实现[J].中国仪器仪表,2008(增刊):132-135.
[2]夏晓剑,宁永海,沈森,等.基于HART协议的低功耗智能变送器研究[J].中国仪器仪表,2008(增刊):105-106.
[3]谢宝卫,李国斌.催化燃烧型的瓦斯检测仪器性能特征及影响因素简析[J].煤矿安全,2002(3):54-55.
[4]刘志海,王绪本.瓦斯检测仪中的数据采集与处理[J].中国仪器仪表,2008(8):43-45.
催化燃烧式瓦斯传感器技术研究进展 第4篇
瓦斯传感器是物联网系统中的一类重要的前端感知设备,在煤炭、石化等领域有着重要的应用[1,2],尤其在煤矿领域,已成为安全生产监控的一个重要保障。
目前,煤矿中广泛应用的瓦斯传感器主要使用基于载体催化燃烧原理的敏感元件(俗称“黑白件”)[3,4],这类传感器价格低廉,但普遍存在测量精度不高、稳定性不好(零点易漂移)、满刻度调校不快捷、不一致性(即不同的产品对瓦斯浓度的检测结果存在着差异)、“中毒”(指瓦检仪在浓度突然大幅增高时,其浓度指示无法跟踪浓度的变化,瓦检仪完全失灵,并且无法恢复)、双值特性(指当瓦斯浓度超过某一限定值后,其浓度指示曲线与浓度的增长方向相反,这种抛物曲线使得检测结果具有双值特征)等问题[5,6,7]。“中毒”现象及双值特性是黑白件的固有性质,难以通过生产工艺以外的方式予以克服,但稳定性与一致性问题可以通过数据处理措施予以改进。
除了催化燃烧式瓦斯传感器外,其他检测瓦斯浓度的技术还有红外[8,9,10,11]、声表面波[12]、半导体[13,14]、光学[15,16,17]等技术。但是这些技术有的尚未成熟,有的尚未在煤矿推广普及。尽管催化燃烧式瓦斯检测技术存在着很多弱点,但在目前井下瓦斯检测中仍占主导地位,在煤矿中使用率超过99%。所以,研究并克服瓦斯传感器的现有不足是当前主要的技术趋势。
1 催化燃烧式瓦斯传感器工作原理分析
催化燃烧式瓦斯传感器的工作原理为:给载体催化元件通以恒定的电流,加热至500℃左右,敏感元件对瓦斯的催化作用会使瓦斯在元件表面上发生无焰燃烧并释放出热量,元件温度随之上升,敏感元件铂丝的电阻值随之增加。利用惠斯登电桥测量电路(如图1所示)可测出敏感元件电阻值的变化量,并可以进一步推算出相应的瓦斯含量。
图1中的r2为敏感元件,r1为补偿元件。r1与r2制作材料相同,r1表面未涂催化剂,不参与催化反应。在无瓦斯的新鲜空气中,r2≈r1,调整电桥使之平衡,信号输出端电压UAB=0。当有瓦斯时,在敏感元件r2表面发生催化燃烧,r2的阻值增加为r2+△r2,但r1阻值不变,从而导致电桥失去平衡。当采用恒压电源E供电时,电桥输出的不平衡电压为:
设r2=r1=r>>△r2,则有:
式(2)表明,电桥输出电压与瓦斯浓度近似成正比。因此在一定的范围内,电桥输出电压与瓦斯浓度呈线性关系,根据测得的电压值便可推算出瓦斯浓度值。
2 催化燃烧式瓦斯传感器的标定与补偿技术
2.1 传统的标定技术
国内生产的瓦斯传感器,很长一段时间都是采用人工标定技术,人工标定方法是给探头施加标准气样后直接观察读数窗口,然后通过手动调整显示值使其与标准气样一致,所调整的主要是传感器电路中的电位器。用这种方法需要将标准气样带到现场进行调校非常麻烦,所以调校人员也经常将瓦斯传感器带到实验室统一调校,但这样又不能保证调校的及时性,甚至有些传感器故障在带离现场后也很难判定,从而使得测量准确性得不到保障。
国外同类产品较早实现自动标定。自动标定时,也需要给探头施加标准气样,但无需通过手动调整电位器,调校标定工作均由传感器自带的微处理器自动处理完成。微处理器完成任务实质上就是对传感器的非线性补偿,常用的方法有查表法、曲线拟合法等。自动标定法与人工标定法相比,更加准确快捷,而且还可以克服人工调校造成的误差[18]。自动标定所用的微处理器多为8位或16位单片机,如只是做分段线性补偿,运算能力还够用,但若处理精度更高的复杂曲线拟合或附加其他智能处理功能,则显得有些力不从心,在响应速度和处理功能方面还有改进的余地[19]。
2.2 新型调校技术
文献[14]认为,通过开发新的调校技术可以有效提高瓦斯传感器的可靠性,如动态配对工艺、变流恒温检测法和自动调校技术。
催化燃烧式瓦斯传感器采用载体催化传感元件和补偿电阻配合工作。补偿元件可以对催化元件的参数变化及环境因素的影响进行补偿,克服零点漂移问题。但两类元件如仅考虑静态配对条件下的参数设置,其补偿效果往往不尽人意。所以有必要研发催化传感元件和补偿元件的动态配对工艺,以达到更佳的动态补偿效果。
催化燃烧式瓦斯传感器常用的惠斯登电桥测量电路(如图1所示)为恒压电路,主要是依靠检测元件表面催化燃烧时阻值改变引起电桥输出电压的变化来检测瓦斯浓度。但燃烧过程会改变催化元件的属性,造成灵敏度、稳定性的一些不确定性的变化,影响检测精度[20]。而通过变流恒温检测方法则不失为另一条可探索的途径[21]。
瓦斯传感器的零点漂移、灵敏度衰减及补偿问题则可以通过为传感器配套电路来解决[22,23]。开发配套电路的关键是研究自动补偿的方法。研究表明[6],催化燃烧式瓦斯传感器的输出可以用式(3)来表示。
其中,U为输出值,S为传感器灵敏度,C为体积分数(即被测气体中的瓦斯体积除以总体积),U0为C=0时的输出。由于催化燃烧式瓦斯传感器的固有特性,S和U0都会随着时间、温度和湿度的变化而发生漂移,这种漂移具有一定的规律性。文献[6]通过理论和实验研究,建立了这种漂移的数学模型,并通过修正体积分数C实现了自动补偿,如式(4)所示,该方法取得了较好的补偿效果。
其中,U(t,Tt,Ht)表示t时刻、环境温度为Tt、湿度为Ht时的传感器输出,式(4)中的数值系数都是通过对实测数据用最小二乘法拟合推导出来的。上述仅仅是自动补偿方法的一种,通过配套电路实现后,即可实现瓦斯传感器的自动调校。
2.3 智能补偿技术
近几年嵌入式系统和计算智能技术发展迅速并被广泛应用到传感器领域,智能型瓦斯传感器也随之取得了快速的发展[24]。传感器的智能化不但能够提高瓦斯检测的精确性、可靠性,而且还可以更加方便地实现零点和灵敏度的自动校正和非线性补偿,此外,还可以使传感器具备故障自动诊断的能力[25,26,27],发展前景非常看好。
传统的传感器非线性补偿技术缺乏智能处理能力,往往因为数据样本的不完备性而导致补偿精度不够[28,29]。最近研究人员又开发了基于神经网络[30,31]、支持向量机[32]、遗传算法[33]、小波分析[34]、灰色理论[35]、分时补偿[36]、数据融合[37]等新方法的非线性补偿技术。但是目前这些补偿技术都是建立在随机优化技术基础之上的,众所周知,随机优化算法达到最优解的收敛条件是非常苛刻的,往往都是以时间上的无穷次迭代为前提的。因此,这又对传感器配套电路的微处理器提出了更高的要求。
3 技术发展趋势展望
原有的补偿方法都是孤立地解决零点漂移导致的不稳定性问题,而没有考虑到产品的不一致性问题。下一步研究中,研究人员应该从催化燃烧式瓦斯传感器的稳定性和一致性角度综合考虑问题,这是瓦斯传感器向智能化方向发展必须首先要研究清楚的两个密切相关的基础性问题。
催化燃烧式瓦斯传感器是通过燃烧元件与未燃烧的元件的电路特性进行比较,从而建立瓦斯浓度与电路特征的关系曲线,由于在瓦斯爆炸的浓度区间,上述曲线近似直线,因此瓦检仪取直线关系作为测量的依据。由于两个金属丝的原始特性很难保持绝对的一致,同时,不同的黑白件配对后会使这种差异性进一步复杂化,因而造成了产品在初始阶段的不一致性。尽管国家已对这种初始差异限定了技术指标,但这种不一致性会随着使用时间及瓦斯浓度变化进一步增大。其漂移特征主要是由于随时间及浓度及变化,使得其电路特性发生了变化,即脱离了原来理论上的曲线规律,因而造成使用一段时间后,其零点发生了严重漂移,即不再归零。这种变化主要与瓦斯浓度及时间的积分有关,这就导致在使用时不得不进行周期性校正,然而这种校正已不可能保持原先设计的线性关系,而不得不减少使用寿命。这种情况使产品瓦斯检测的差异性进一步扩大,以致复杂化。
综合考虑催化燃烧式瓦斯传感器的稳定性和一致性,探索研究在初始不一致和工作过程不稳定的双重作用下,传感器数据的变化规律,通过智能信息处理的方法予以动态补偿,将是下一步需要研究的主要方向。
摘要：首先分析了催化燃烧式瓦斯传感器的工作原理,然后综述了催化燃烧式瓦斯传感器的标定与补偿技术现状,最后指出,综合考虑催化燃烧式瓦斯传感器的稳定性和一致性,探索研究在初始不一致和工作过程不稳定的双重作用下,传感器数据的变化规律,通过智能信息处理的方法予以动态补偿,将是下一步需要研究的主要方向。
瓦斯传感器 第5篇
1 瓦斯监测节点硬件设计
瓦斯监测节点的主要功能是采集瓦斯浓度数据,并将数据通过汇聚节点传送至远程主机。监测节点硬件主要包括ZigBee模块和瓦斯报警传感器模块两部分。瓦斯传感器采用广谱催化元件LXK-3,适用于天然气(甲烷)、液化石油气及城市煤气等多种可燃气体的监测,具有长期稳定性和快速响应等特点。已在煤矿使用多年,由带催化剂的检测元件和不带催化剂的补偿元件及相应的匹配电阻组成电桥, 瓦斯浓度变化时检测元件电阻值改变,LXK-3差分输出电压反映了瓦斯的浓度变化,根据LXK-3的输出特性曲线,即可得到瓦斯的浓度值。由于LXK-3对电源稳定性要求较高,需要设计一个电源管理模块来确保电源输出稳定的电压。LXK-3输出电压范围为-50～+50mV,CC2430片内基准电压为1.8V,因此对差分电压放大40倍比较合适,放大电路如图1所示[2]。
采用低功耗的无线射频芯片CC2430和瓦斯传感器相连接,该芯片结合一个高性能的2.4GHz射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器,满足以ZigBee为基础的2.4GHz波段应用。CC2430内部已集成包括定时器、数模转换电路、存储器及RSSI指示器等必要电路,只需要较少的外围电路就可以运行。经过试验验证,该瓦斯报警电路能在空气中瓦斯浓度超过0.3%时准确报警,完全达到矿井瓦斯报警要求。节点硬件结构如图2所示。
2 节点通信设计
由于在矿井下都是长而复杂的巷道,LEACH分簇结构可以应用在矿井巷道中[3],延长网络生存时间。节点工作状态分为建簇阶段和稳定工作阶段。在网络初始化时,以一定算法选取簇头,为了节省簇头能量,定期重新选择簇头。节点被选举为簇头之后向邻居节点广播簇头信息,其他节点根据消息强度来选择加入哪个簇。建簇完成之后,节点就进入稳定工作状态,簇内节点将采集到的监测信息传输至簇头节点,为了减少数据传输量,簇头节点可以对簇内数据进行必要的数据融合,然后以多跳形式传输给中继节点,再至地面监控中心。簇内节点可采用睡眠/定时机制来节省能量。节点通信流程如图3所示。
3 节点定位算法
无线传感器网络定位就是依靠少量的位置已知的锚节点,来确定区域内其他节点的位置。根据定位过程中是否需要测量锚节点到目标节点的距离,无线传感器网络定位方法可分为距离无关(range-free)定位算法和基于距离(range-based)定位算法。
距离无关定位算法利用估计距离来计算节点位置,对节点要求均匀布置,网络连通度要求较高,矿井环境下空间受限,网络拓扑结构的不规则和可能存在的遮挡,难以满足要求,使很多距离无关定位算法失效[4]。基于距离定位算法由两个阶段组成:第1阶段是测距阶段,测量未知节点与锚节点之间的距离或角度;第2阶段是定位阶段,利用测距阶段获得的测距信息计算目标节点的位置。RSSI(Received Signal Strength Indicator)是测距的常用方法[5],CC2430芯片中内置了RSSI指示器,自身具有测定RSSI功能,采用RSSI方法进行测距,不需要额外的硬件设备,成本低廉、能耗低,而且在井下50m范围内RSSI定位是有效的,因此采用RSSI算法进行井下人员定位是可行的[6] 。
3.1 RSSI数值与距离关系
RSSI算法原理是已知发射功率,在接收点测量接收功率,根据信号的衰减程度,依照信号传输损耗模型将传播损耗转换为距离。无线信号传输模型主要有3种基本模式:自由空间模型、双向的地面反射模型和屏蔽模型。前两种模型假定通信环境为理想环境,通过计算无线信号在传输中的损耗来确定信号的传输距离,但在实际中由于多径传播的影响,接收到的信号功率为随机值。屏蔽模型结合实际环境对理想的圆形模型进行扩展,得到广泛应用。研究表明,尽管矿井下环境复杂,煤矿安全监测布局无线传感器网络节点间传输可用屏蔽模型[7]来表述:
undefined
式中 d——传输距离;
d0 ——参考距离,一般取d0=1;
pr(d) ——信号在传输距离d之后的损耗;
pr(d0) ——信号在传输距离d0之后的损耗;
α ——路径损耗系数,通常由实地测量而得的经验值。
不难得出:undefined
CC2430模块的RSSI存储器中的数值为十六进制数,在0×56～0×97之间,在井下试验环境中,RSSI数值与距离的关系见表1。
3.2 加权质心算法
目标节点与锚节点的距离测量之后,采用加权质心算法计算节点具体位置。加权质心算法在普通质心算法的基础上引入加权因子,加权因子为每两个参与定位的锚节点与测量点的距离和的倒数,引入加权因子反映了距离测量精度对定位精度的影响[8,9]。设3个锚节点的坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),则目标节点的坐标为:
undefined
定位过程如图4所示。
选择与目标节点距离最近的3个锚节点进行定位计算,精度较高且计算量小[10]。目标节点至少要收到3个锚节点信息才能完成定位过程,锚节点在发送信息时可采用功率控制的方法。
3.3 定位仿真
在仿真中采用多跳传输分簇网络结构,用一个15m×150m的长方形模拟井下矩形巷道,布设20个节点,每个节点间的距离不大于15m,定位误差见表2。
由表中可以看出节点的定位误差在1.06～1.83m之间,可以满足矿井瓦斯监测点的定位需要。
4 结束语
广谱催化元件LXK-3具有长期稳定性及快速响应等特点,已在煤矿使用多年,将其和CC2430结合用于井下瓦斯监测,并且利用CC2430中内置的RSSI指示功能进行监测点的定位,不需要额外的硬件设备,具有成本低廉、能耗低的优势,并且井下利用分簇结构进行数据的采集传输可以提高网络的生存周期,使得对瓦斯的监测、定位十分有效。
参考文献
[1]于泓博,朱恒军,李会.基于CAN总线和ZigBee的矿井瓦斯监测系统设计[J].化工自动化及仪表,2011,38(6):722～725.
[2]雷霖,董华莉.基于ZigBee协议的煤矿瓦斯和温湿度监测节点设计[J].工矿自动化,2011,(1):31～33.
[3]刘晓文,闫静杰,苗锦.矿井无线传感器网络LEACH协议的改进[J].煤炭科学技术,2009,37(4):46～49.
[4]裴忠民,邓志东,巫天华.矿井无线传感器网络三阶段定位方法[J].中国矿业大学学报,2010,39(1):87～92.
[5]谢钦,林靖宇.无线传感器网络中RSSI衰减特性的实验分析[J].化工自动化及仪表,2010,37(1):60～62.
[6]乔钢柱,曾建潮.信标节点链式部署的井下无线传感器网络定位算法[J].煤炭学报,2010,35(7):1229～1233.
[7]张治斌,徐小玲.基于ZigBee井下无线传感器网络的定位方法[J].煤炭学报,2009,34(1):125～129.
[8]陈维克,李文峰.基于RSSI的无线传感器网络加权质心定位算法[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2006,30(2):265～269.
[9]淡勇,李俊蔻,朱哲.天然气采气管线的状态评估[J].化工机械,2009,36(5):491～495.
瓦斯传感器 第6篇
在煤炭开采的过程中存在着很多安全隐患,各种安全事故时有发生,特别是瓦斯事故,严重地危害了矿工的生命安全,极大地影响着煤炭工业的发展。目前,国内大多数的矿用瓦斯监测系统多采用有线方式传输信号,这种监测方式存在很多的缺陷:有线传输成本较高、施工复杂度高、维护不方便、维护成本高等。因此,本文应用更先进的瓦斯监测仪器构建矿井灾害无线监测与预警信息平台,建立了用于井下瓦斯监测的无线传感器网络系统。该系统相对于传统的有线系统有着很大的优势:它不仅可以与有线网络监测系统相互补充,实现井下安全监测的无缝覆盖,还可以跟随采掘深度而同步延伸,减少了布线难度,降低了成本,提高了数据的安全性和稳定性。另外,该系统还可在无线传感器网络平台上搭建各种不同类型的传感器及监测设备,对环境变量及生产参数进行实时监测,以发现事故隐患,防患于未然[6]。
1 系统总体结构
1.1 系统方案设计
由于矿井的位置是固定的,而员工的位置是随时变化的,所以,本文所设计的用于井下瓦斯监测的无线传感器网络系统,根据需要将无线传感器网络节点分为固定数据采集节点和移动数据采集节点2类[4]。
第一类节点固定分布在整个矿井内,用来采集矿井的瓦斯浓度数据并定时传回监测中心,一旦出现瓦斯浓度过高的情况则发送报警信号。第二类节点在开采过程中由矿工随身携带,实时监测瓦斯浓度,解决在开采过程中可能出现的瓦斯突出问题。
1.2 系统结构
用于井下瓦斯监测的无线传感器网络系统结构如图1所示。各部分的功能如下:
(1) 传感器节点:包括固定数据采集节点和移动数据采集节点,负责采集井下多点数据,分别被部署在矿井工作面上的最底层以及矿工身上。
(2) 网关节点:接收整个检测区域内的数据并进行解析、融合、协议转换等处理工作。
(3) 传输网络:负责协同各个网关节点信息的接收与转发,配合网关节点之间的通信。
(4) 基站:接收传输网络送来的整个检测区域内的数据,发送到Internet,并将传感器数据保存到本地数据库中,然后将基站信息通过Internet连接到监测中心。
(5) 监测中心:分析处理接收到的数据,实时准确监测井下环境指标,及时发布预警消息。
2 系统硬件设计
2.1 硬件结构
传感器节点分为4个模块:传感器模块(检测模块)、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块(电源模块)[1],如图2所示。
传感器模块主要负责监测区域内信息的采集和数据转换。由于传感器输出信号格式与处理器输入电平不一致,因此,传感器信号需进行模数转换,然后再送入处理器;处理器模块负责控制整个网络的传感器节点,处理采集到的以及其它节点发送来的数据;无线通信模块负责与其它传感器节点进行无线通信,交换控制信息和收发采集数据;能量供应模块负责为其它功能模块提供电源[7]。
2.2 系统主要器件的选取
(1) 传感器模块
本文采用MID04型智能红外甲烷传感器,其检测原理:不同气体对红外光有不同的吸收光谱,某种气体的特征光谱吸收强度与该气体的浓度相关。利用这一原理,易于监测井下瓦斯浓度[2]。
(2) 处理器模块
处理器模块是节点控制的核心,本文采用8位低功耗微控制器ATmega128L。 ATmega128L外形小、集成度高、支持睡眠模式、运行速度快,同时具有丰富的资源,除了正常操作模式外,还具有6种不同等级的低能耗操作模式,适用于无线传感器网络对节能的需求[3]。
(3) 无线通信模块
收发器是无线通信模块的关键部分,本文采用RFM公司的TR1000模块。TR1000模块工作频率稳定可靠、发射功率低、接收灵敏度高、数据传输速率可达到115.2 kbps,理想传输环境下有效通信距离为1 000 m,同时具有集成度高、体积小和功耗低等特点。
(4) 能量供应模块
能量供应模块采取2种模式供电,即电池供电和直流电源供电模式。在电池供电模式下,由4节3 V电池供电。
3 系统软件设计
无线传感器网络由多个网络协调器及传感器组合而成。网络协调器是整个无线传感器网络的中心[1],每个网络协调器可连接多达255个节点,它主要负责网络的建立、维持、管理以及分配网络地址,同时还负责给各个节点设置不同的唤醒时间。系统按照设定的时间,对传感器节点实行定时供电,当到达设定的时间时,相应的节点将自动唤醒,并主动与相邻的汇集节点连接,上报该节点采集的数据。传感器节点与汇集节点以及网络协调器之间、汇集节点与网络协调器之间信息的无线交换,本文采用ZigBee技术实现。
下面主要以汇集节点与网络协调器之间的通信为例介绍节点间的通信流程,传感器节点与网络协调器以及汇集节点与传感器节点之间的通信与此类似。
ZigBee模块进行通信前,首先要进行初始化,如图3所示。初始化结束后,无线传感器网络信息处理流程如图4所示,网络协调器处于从工作模式,等待汇集节点发送连接请求信令,而当定时时间到时,汇集节点主动请求连接网络协调器,并向网络协调器上报检测到的井下安全信息,从而完成整个监测过程。
4 实验结果
通过串口线将任意一个传感器节点与PC机相连,打开Code::Blocks导入程序编译,通过Jennic Flash Programmer 将程序下载到JN5139,重新上电运行,可以看到节点上的LED_RED周期性闪烁。打开串口调试助手,设置波特率为19 200 bps,串口接收数据区每5 s上传1次数据,包含温度、湿度、以及当前电源电压值。实验电源采用2节5号电池供电。传感器信号采集数据结果如图5所示。
通过图5可看出,该无线传感器网络系统节点基本上能够达到预期目标,采集的数据可无线传播到指定节点。
5 结语
瓦斯传感器 第7篇
瓦斯传感器是安全监测系统的核心设备。目前煤矿广泛采用的是载体催化型瓦斯传感器。该类传感器价格低廉、易更换,但也有易中毒、易发生零点漂移的缺点[1],所以需要定期校验(《煤矿安全规程》规定每7 d必须校验一次),以确保测量的准确性。传统的瓦斯传感器校验仪每次只能校验一台传感器,效率低下。一些可实现多台校验的仪器体积较大,校验点较少,且准确度不高。本文设计了一种基于DSP的瓦斯传感器校验仪,该校验仪可同时校验8台瓦斯传感器,大大节省了工作时间。
1 校验仪总体结构
校验仪可同时校验8台瓦斯传感器,需处理的数据量较大,而且对实时性有一定要求,所以选用TI公司生产的DSP芯片TMS320LF2407作为主控芯片,该芯片能满足较高的控制要求且功耗低。校验仪总体结构如图1所示。
2 校验仪硬件设计
2.1 频率输入信号调理电路
瓦斯传感器输出信号的频率范围一般为200～1 000 Hz,校验仪要同时采集8路信号,所以选用两块可控光电耦合器TLP521-4隔离各路信号,以减小高频信号对电路的干扰。信号隔离后再通过8路缓冲器SN74LS244N缓冲,使输出信号电压在DSP允许的电压范围内,频率输入信号调理电路如图2所示。
2.2 模拟输入信号调理电路
流量计输出的是0～5 V的电压信号,要先调理才能输入DSP中。模拟输入信号调理电路由低通滤波、电压跟随和差分比例运算构成,如图3所示。采用RC低通滤波使高频干扰信号大幅衰减,采用LM358组成的跟随器减小采集电路对ECU的影响,并将流量测量电路和DSP电路隔离,以达到缓冲、隔离、提高带负载能力的效果。再通过LM358和4个电阻组成的差分比例运算电路将信号调整到DSP允许的电压范围。
2.3 模拟信号输出及调理电路
校验时通入的标准气流量的稳定性决定了气体浓度测量值的准确性。为避免产生误差,采用闭环控制气流量,使每台传感器的气流量保持在200 mL/min(由于各瓦斯传感器生产厂家执行的标准不同,因此提供了不同的给定值以供选择)。将给定值与流量计测得的实际值进行比较,将得到的差值输入流量控制器以调节阀门开度。DSP输出的是数字信号,因此要先进行DA转换,再将信号调理到流量控制器允许的输入范围。
DA转换选用TLV5620C芯片实现,模拟信号输出调理电路如图4所示。该芯片具有4路电压输出,输出数据由11位构成(A1,A0,DRNG,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0),其中A1、A0组合后用于选择D/A通道,DRNG用于选择输出范围,D0～D7为数据位。每个通道的输出电压V0为
式中:VREF为相应通道基准电压;DCODE为由数据位计算出的十进制数。
2.4 开关信号输出及调理电路
校验仪的8路继电器控制电磁阀上电,另外8路继电器控制瓦斯传感器上电,DSP通过I/O口输出控制信号控制继电器动作。控制信号先通过可控光电耦合器TLP521-4进行隔离,再通过译码器SN74LS273译成对应的高、低电平信号,最后经由ULN2803达林顿管驱动继电器动作[2],开关信号输出及调理电路如图5所示。
2.5 键盘接口电路
校验仪选用5×5矩阵式25键键盘。由于要同时校验8台传感器,各键功能设计:传感器个数键、气体浓度选择键各8个(浓度分别为0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、4.0%),确定键1个,剩余8个作为功能键,功能包括传感器个数选择、气体浓度选择、传感器零点调节、自动调节方式、手动调节方式、校验数据查询、显示模式(轮流显示或固定显示)、菜单键(进入调校过程)。键盘接口电路如图6所示。
3 校验仪软件设计
校验仪软件包括主程序、初始化子程序、流量控制子程序、调校子程序、继电器控制子程序、AD转换子程序等[4]。本文主要介绍主程序、流量控制子程序和调校子程序。
3.1 主程序
校验仪上电后首先初始化DSP及外设,待有按键输入时进入相应的子程序执行校验功能,并将结果通过LCD显示[5]。主程序流程如图7所示。
3.2 流量控制子程序
标准气的流量控制采用闭环控制系统实现。可选用的控制方式有很多,最基本且目前应用比较广泛的是单纯的PID控制,该方式具有结构简单、可靠性强、易实现等优点,但在实际工程应用中具有时变不确定性,非线性系统很难达到理想的控制效果。因此校验仪选用模糊RBF神经网络PID控制方式。该方式具有调节速度快、超调量小、抗干扰能力强、适应性好、硬件实现方便等优点。流量控制子程序流程如图8所示。
3.3 调校子程序
校验仪可同时校验1～8台瓦斯传感器,所以程序开始后要先确定传感器数量和所在通道,使继电器与对应传感器接通,然后选择标准气浓度,待气体浓度稳定后,将传感器输出的频率信号与给定的标准值进行比较,如误差超出允许范围则通过LCD显示,否则校验下一点,直至8个测量点全部校验完毕。调校子程序流程如图9所示。
4 结语
基于DSP的瓦斯传感器校验仪可同时校验8台瓦斯传感器,大大提高了工作效率,节省了工作时间;以DSP为主控芯片,实时数据采集和处理能力强,校验结果准确度高;外形小巧,便于携带;操作过程简单,便于仪表校验人员使用。
摘要：针对传统的瓦斯传感器校验仪校验点少、准确度不高、体积大的问题,设计了一种基于DSP的瓦斯传感器校验仪,详细介绍了该校验仪的软硬件设计。该校验仪以DSP芯片TMS320LF2407为主控芯片,实现了对8台瓦斯传感器的同时校验,且校验结果准确度高,大大提高了工作效率,节省了工作时间。
关键词：煤矿,瓦斯传感器,校验仪,DSP
参考文献
[1]王义强.矿用气体传感器检定系统的开发研究[D].西安:西安科技大学,2009.
[2]刘和平,邓力,江渝,等.DSP原理及电机控制应用——基于TMS320LF240x系列[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.
[3]宋永献,陈娇.基于TMS320LF2407的数据采集与处理系统的设计[J].自动化与仪表,2007(6):75-78.
[4]鞠剑平.C语言程序设计教程[M].武汉:华中科技大学出版社,2009.