原 恒 王 翔

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責任公司，山西 長治 046100）

郭莊煤業(yè)井下甲烷氣體監(jiān)測使用的傳感器擴展性不足，需要人工巡檢，不僅造成數(shù)據(jù)誤差大，而且存在數(shù)據(jù)滯后的問題，如果不能及時響應，傳感器則利用數(shù)據(jù)傳輸電纜線進行介質傳輸。但由于井下大型設備較多，地質環(huán)境復雜，作業(yè)條件差，經(jīng)常造成數(shù)據(jù)傳輸線纜斷線，引發(fā)工作面停電[1-2]。因此，設計能在線監(jiān)測并實時傳輸?shù)臒o線激光甲烷傳感器，測量精度高、工作穩(wěn)定、響應速度快，能實現(xiàn)安全高效生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)總體設計

無線激光甲烷傳感器的總體設計如圖1。系統(tǒng)包含鋰電池供電電路、遙控電路、甲烷濃度采集電路、存儲電路、聲光報警電路以及無線通信電路等模塊，采用MKL16 處理器[3]，通過激光甲烷探頭采集大氣中甲烷氣體濃度，以數(shù)字形式發(fā)送到MKL16 處理器中，經(jīng)處理后通過數(shù)碼管顯示電路顯示處理，并通過無線通信模塊傳輸數(shù)據(jù)。傳感器通過鋰電池供電，在電池電量較低時，傳感器會自動上傳電量較低，當甲烷濃度超限時，聲光報警電路發(fā)出警報，通過遙控實現(xiàn)對相關參數(shù)的設定。

圖1 系統(tǒng)總體設計

2 傳感器模塊設計

2.1 激光探頭設計

激光甲烷傳感器探頭采用波長調(diào)制型激光器[4]，可以輸出不同電流、不同波長的激光，在激光刺激下，激光器產(chǎn)生低速鋸齒波信號和高速正弦波信號，經(jīng)光電轉換器轉換成電壓信號，對信號進行處理，經(jīng)二次諧波轉換后提取峰值，通過窄帶低噪聲檢測，消除系統(tǒng)外界干擾，得到甲烷濃度測量值，對濃度值進行擬合后，最終以數(shù)字信號形式輸出甲烷濃度。其中，處理器的引腳PTA1 和PTA2 分別與TXD0和RXD0 通信接口連接，實現(xiàn)與探頭的數(shù)據(jù)交換，同時可以發(fā)送和接收相應的數(shù)據(jù)。激光甲烷傳感器探頭工作流程如圖2。

圖2 激光甲烷傳感器探頭工作流程

2.2 溫度補償設計

在無線激光甲烷傳感器工作過程中，隨著溫度的不斷變化，激光器輸出的波長也在不斷變化。為了確保激光器在一定的波長內(nèi)工作，需要精確控制外界的環(huán)境溫度。采用TEC 材料對激光甲烷傳感器進行溫度控制[5]，當TEC 材料中有不同方向的電流流過時，環(huán)境溫度會出現(xiàn)不同程度的制冷和加熱，采用MAX8521 溫度控制芯片，通過熱敏電阻來檢測激光器的溫度，實現(xiàn)對TEC 材料的自動控制。MAX8521 控制芯片可以獨立調(diào)節(jié)加熱、冷卻電流限制、電壓限制，降低電流浪涌的影響。將TEC 連接在兩個同步轉換器輸出上，以實現(xiàn)低電流時無死區(qū)和非線性溫度控制，如果工作溫度無限接近設置溫度時，控制系統(tǒng)不會隨少量的制冷或加熱而產(chǎn)生振蕩。甲烷氣體在吸收激光器發(fā)出的光信號后，轉換成電壓量經(jīng)A/D 模塊進入微控制器中，對信號進行處理后得到甲烷氣體濃度信息。

2.3 壓力補償設計

在井下安全系統(tǒng)中，系統(tǒng)的壓力檢測范圍一般小于130 kPa，因此要合理地選擇壓力檢測元件的量程。根據(jù)傳感器的結構空間，采用微型NPP-301系列壓力傳感元件，壓力范圍為0～200 kPa，可以滿足井下使用要求。壓力傳感元件的內(nèi)部含有半導體電阻應變片，以惠斯頓電橋作為測量基礎電路[6]，通過恒壓驅動進行供電，其外圍電路設計比較簡單，不需要復雜的檢測電路，使用微處理器差分采集功能，使輸出電壓和施加壓力成線性。

2.4 無線通信接口設計

無線通信接口選擇功耗低、功率小的BM200N無線自組網(wǎng)模塊[7]，并入Wave Mesh 自組網(wǎng)協(xié)議，選用GFSK 調(diào)制方式，其工作頻率為433 MHz，具有15 個輔助通信單元和1 個基本通信單元。無線數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送是通過組網(wǎng)模塊中的TXD 和RXD 分別與引腳PTE22 和PTE23 連接來實現(xiàn)，RESET 引腳是低電平模塊復位，SET 引腳用于選擇工作模式，低電平時是配置模式，高電平時是工作模式。

3 軟件設計

無線激光甲烷傳感器的軟件流程圖如圖3。

圖3 軟件流程圖

在系統(tǒng)開啟后，先進行初始化參數(shù)，包括對串口、中斷、存儲器等參數(shù)的初始化，然后對數(shù)碼管、輸出信號等進行自檢。待自檢完成后，傳感器顯示當前的甲烷濃度，通過紅外遙控判斷各參數(shù)是否在標定值范圍內(nèi)。如果不，判斷甲烷濃度是否超出報警值，如果超過報警值，聲光報警顯示。

4 現(xiàn)場功能試驗

4.1 構建試驗環(huán)境

對設計的無線激光甲烷傳感器功能進行測試，試驗要求具備一定濃度的甲烷氣體和氣體流通管路[8]，試驗的標準大氣壓力為86～106 kPa，外界環(huán)境溫度為15～35 ℃，環(huán)境濕度為45%～75%，再配備標準濃度的甲烷氣瓶。

4.2 試驗測試

將無線激光甲烷傳感器放在通氣管道內(nèi)，通入標準氣體，通過閥門調(diào)節(jié)氣瓶的氣體流量。在試驗過程中，給通氣管道內(nèi)通入不同流量的氣體，觀察現(xiàn)實的數(shù)據(jù)以及傳感器報警情況，從而對設計的無線激光甲烷傳感器系統(tǒng)功能進行測試，數(shù)據(jù)測試信息見表1。

表1 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)結果可以看出，所設計的無線激光甲烷傳感器能準確檢測環(huán)境中的甲烷氣體濃度，并實時顯示，且顯示誤差較小，在甲烷氣體濃度超出報警值時進行聲光報警。同時對無線激光甲烷傳感器的傳輸距離進行測試，在作業(yè)環(huán)境比較惡劣時傳輸距離達95 m。

通過測試和觀察，無線激光傳感器各模塊很好地實現(xiàn)了無線數(shù)據(jù)傳輸，顯示值的實時性、響應時間以及誤差等都在規(guī)定范圍內(nèi)，系統(tǒng)在出現(xiàn)甲烷超限或斷線時，能實時報警和自動斷電，克服了有限傳感器的局限，減少了人力成本，提高了安全系數(shù)。

5 結論

通過使用無線激光傳感器，得到如下結果：

（1）很好地解決了有線傳感器在數(shù)據(jù)傳輸中易受干擾、響應遲滯等問題，通過設計各個模塊實現(xiàn)甲烷傳感器的點對點傳輸。

（2）郭莊煤業(yè)在使用無線激光甲烷傳感器后，數(shù)據(jù)能實時傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，實現(xiàn)對甲烷濃度的檢測以及實時報警，且精度較高，響應速度更快，滿足煤礦安全生產(chǎn)的需求，同時減少了人力成本，提高了安全系數(shù)。