宋 玉

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長(zhǎng)治 046100）

1 一氧化碳傳感器硬件設(shè)計(jì)

傳感器功能的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)CPU、供電電源模塊、氣體檢測(cè)模塊、通信等模塊協(xié)同合作實(shí)現(xiàn)的，以下是結(jié)構(gòu)示意圖1[1]。

圖1 一氧化碳傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 傳感器一氧化碳檢測(cè)模塊簡(jiǎn)介

傳感器上的一氧化碳成分檢測(cè)主要分為兩部分：一氧化碳傳感元件和檢測(cè)電路。

在一氧化碳傳感器中，具體檢測(cè)工作是通過(guò)電化學(xué)三級(jí)元件實(shí)現(xiàn)的。具體工作原理是簡(jiǎn)單的電化學(xué)氧化過(guò)程，主要是保持預(yù)設(shè)電解槽中的電極兩端形成合適電位，所需要檢測(cè)的氣體在電解槽中會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，由于在整個(gè)過(guò)程中幾乎不產(chǎn)生電流，故可以將其忽略，所以認(rèn)為一氧化碳氧化反應(yīng)產(chǎn)生的電流和濃度正相關(guān)，并遵循法拉第定律，表現(xiàn)為電位變動(dòng)，利用這個(gè)關(guān)系，依據(jù)測(cè)量電流從側(cè)面來(lái)反映一氧化碳的濃度。電化學(xué)一氧化碳傳感器的特性曲線如圖2 所示，從圖2 中反映出設(shè)備的低功耗、高精度、高靈敏度等優(yōu)勢(shì)，適合采礦應(yīng)用。

圖2 電化學(xué)一氧化碳傳感器的特性

設(shè)備檢測(cè)電路是一個(gè)普適性的電路。電信號(hào)的輸出主要是敏感元件通過(guò)釋放微弱電流形式實(shí)現(xiàn)的，再經(jīng)過(guò)放大處理轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，隨后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊完成轉(zhuǎn)換工作。傳感器中使用的放大器具有靜態(tài)電流低和失調(diào)電壓低的優(yōu)勢(shì)，保證信號(hào)的穩(wěn)定輸出。

1.2 傳感器電源模塊簡(jiǎn)介

傳感器電源轉(zhuǎn)換單元的原理如下頁(yè)圖3 所示。電源轉(zhuǎn)換單元出現(xiàn)在所有的傳感器設(shè)備中，本安電源的輸入端口由J1 連接，電池轉(zhuǎn)換單元輸入端口接入＋10 V，轉(zhuǎn)換單元再將供電電源轉(zhuǎn)換為+5 V，CPU轉(zhuǎn)換模塊再次完成轉(zhuǎn)換工作輸出3.3 V，用3.3 V 輸出端口連接輸出。

圖3 傳感器電源轉(zhuǎn)換單元原理圖

1.3 傳感器微處理器簡(jiǎn)介

設(shè)計(jì)中的傳感器的微處理器采用STM32F103系列芯片。其特點(diǎn)：最大工作頻率，集成兩種存儲(chǔ)器，多轉(zhuǎn)換通道，最多通信接口，表現(xiàn)強(qiáng)大的功能，達(dá)到礦井對(duì)氣體傳感器要求的高標(biāo)準(zhǔn)。此外，采用設(shè)備精度高且低復(fù)雜性和成本。微處理器收集并轉(zhuǎn)換電壓信號(hào)，根據(jù)多種濾波分析方式完成數(shù)字濾波的處理相關(guān)工作，將設(shè)備反饋收集的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)相結(jié)合，得到校正后的精確測(cè)量的一氧化碳濃度數(shù)據(jù)，隨后完成具體數(shù)值數(shù)據(jù)的上傳工作。

1.4 傳感器通信單元簡(jiǎn)介

為了使得設(shè)備具有更為強(qiáng)大的普適性，采用雙模式進(jìn)行工作，即為WiFi 無(wú)線通信和多標(biāo)準(zhǔn)有線通信。其中的WiFi 無(wú)線模塊，一氧化碳傳感器適合多種開(kāi)發(fā)文檔的WiFi 模塊，滿(mǎn)足各種形式接口。另外的有線通信模塊，輸出電路功能強(qiáng)大，各種制式信號(hào)都可以輸出，同時(shí)，要想改變輸出的制式，還可以通過(guò)遙控器來(lái)實(shí)現(xiàn)。再者該設(shè)備還擁有RS485 通信接口，信號(hào)收發(fā)器采用耗能較低的版本，可以將具體氣體濃度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步發(fā)送，保證數(shù)據(jù)的得到及時(shí)處理，最終使得設(shè)備的自動(dòng)校正功能得以實(shí)現(xiàn)[2]，具體電路圖如圖4 所示。

圖4 電流/頻率輸出電路和RS485 通信單元原理圖

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器元件的自動(dòng)校準(zhǔn)方法

一氧化碳傳感器的電化學(xué)傳感器由于長(zhǎng)期使用和不斷變化的使用環(huán)境的影響而老化。因此，一氧化碳傳感器煤礦井下標(biāo)定周期為15 d，工作量大，存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

傳感元件的輸出數(shù)與實(shí)際測(cè)量的氣體濃度有一階函數(shù)的關(guān)系，所以設(shè)備一氧化碳濃度計(jì)算方法為：

式中：x 為化學(xué)檢測(cè)元件輸出值，μA；b 為常量，10-6；k 為函數(shù)斜率，10-6/μA。

因此，設(shè)備的校準(zhǔn)工作在遵照兩點(diǎn)確定直線的原則下進(jìn)行。整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程為：在濃度值不同的兩組一氧化碳?xì)怏w環(huán)境，設(shè)備自動(dòng)完成氣體濃度數(shù)據(jù)采集工作，并且計(jì)算出k 和b 值，那么最終y 就是準(zhǔn)確測(cè)量的濃度H。

根據(jù)上述原理，經(jīng)過(guò)在眾多煤礦數(shù)據(jù)收集以及整理工作，得到經(jīng)過(guò)標(biāo)定具體環(huán)境情況的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)就建立起來(lái)了。那么設(shè)備就可以根據(jù)當(dāng)前具體參數(shù)情況匹配數(shù)據(jù)庫(kù)中的參考的k、d 值，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自行校正。

2.2 自診斷原理

從功能的實(shí)現(xiàn)角度進(jìn)行劃分，一氧化碳傳感器自診斷包含以下四部分：首先硬件方面是電化學(xué)一氧化碳傳感器，隨后是前期信號(hào)預(yù)處理部分，再者是故障診斷部分，最后是生成輸出數(shù)據(jù)部分。當(dāng)傳感器靈敏度僅僅只有15%時(shí)，預(yù)示著傳感器使用壽命的終止。預(yù)處理單元完成信號(hào)放大輸出、濾波以及進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換等工作。故障診斷功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠算法以及反應(yīng)的設(shè)備信息評(píng)估當(dāng)前的傳感器工作情況，判斷設(shè)備異常。輸出數(shù)據(jù)單元功能的實(shí)現(xiàn)主要是故障診斷的結(jié)果進(jìn)行故障分類(lèi)和集體測(cè)量值以及原始數(shù)據(jù)的輸出[3]。

2.3 傳感器運(yùn)行程序流程

傳感器的控制系統(tǒng)整體通過(guò)單片機(jī)來(lái)完成，實(shí)現(xiàn)一氧化碳關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)值的輸出功能?？刂栖浖幊虄?nèi)容通過(guò)C 語(yǔ)言來(lái)完成，具體的編程形式上采用相互獨(dú)立的模塊編程，能夠最大程度上保持模塊之間的獨(dú)立運(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn)重復(fù)設(shè)計(jì)情況，很大程度上保持各自的獨(dú)立運(yùn)行。主程序的基本流程如下頁(yè)圖5 所示。

圖5 主程序基本流程

3 一氧化碳傳感器自動(dòng)校正功能的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)前，多個(gè)煤礦已經(jīng)使用了此校正方法，驗(yàn)證該型一氧化碳傳感器的自動(dòng)校正性能。在進(jìn)行自行校準(zhǔn)過(guò)程中，上位機(jī)以前置的環(huán)境參數(shù)和時(shí)間等條件，以15 d 為一個(gè)周期，傳感器將定期接收到數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的k 和b 值，從而進(jìn)行一氧化碳傳感器進(jìn)行函數(shù)的自我更新，使得一氧化碳傳感器自行校正的功能得以實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前的煤礦一氧化碳檢測(cè)精度不足而導(dǎo)致事故頻發(fā)的問(wèn)題，提出一種能夠?qū)υM(jìn)行自動(dòng)校正的一氧化碳傳感器。該設(shè)計(jì)基于實(shí)際數(shù)據(jù)庫(kù)，完成參數(shù)的自行校正。并且能夠?qū)崿F(xiàn)元件、電源、電路等部分的自我診斷。這種傳感器的研究將會(huì)對(duì)整個(gè)高危氣體檢測(cè)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。