劉 鵬，王洋洋

(1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧撫順 123122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧撫順 123122)

0 引言

甲烷氣體的濃度檢測是煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中的重中之重，礦用甲烷傳感器一直是煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。2016年底，國家煤礦安全監(jiān)察局印發(fā)了煤安監(jiān)函[2016]5號(hào)文件，文中對(duì)井下設(shè)備的抗電磁干擾能力提出了更高的要求，并建議推廣使用激光類傳感器。

目前我國甲烷傳感器主要采用催化熱導(dǎo)技術(shù)、紅外檢測技術(shù)，但催化熱導(dǎo)式檢測儀表檢測靈敏度低，測量誤差大，易受交叉氣體干擾，且抗電磁干擾能力較差；紅外檢測技術(shù)由于受粉塵和濕度影響比較嚴(yán)重，誤差也較大。激光氣體傳感技術(shù)是一種新興的氣體檢測技術(shù)，它利用激光光學(xué)方法監(jiān)測氣體濃度，具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、不易受干擾和遠(yuǎn)距離測量等優(yōu)點(diǎn)[1]。本文設(shè)計(jì)了一種TDLAS(tunable diode laser absorption spectroscopy，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器)原理的礦用激光甲烷傳感器，著重在激光甲烷傳感器的探測模塊設(shè)計(jì)、ia級(jí)本質(zhì)安全電路設(shè)計(jì)、低功耗設(shè)計(jì)及整機(jī)抗電磁干擾能力方面進(jìn)行了重點(diǎn)研究。

1 設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的基于TDLAS激光甲烷傳感器主要由傳感器軟件和傳感器硬件2部分構(gòu)成。硬件包括主控模塊、激光甲烷檢測模塊、通訊模塊、電源模塊、自診斷模塊、取氣裝置；軟件部分包括數(shù)據(jù)的采集、軟件濾波算法、曲線擬合等部分，傳感器設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 傳感器設(shè)計(jì)原理框圖

傳感器以CPU控制模塊為中心，把激光甲烷信號(hào)采集處理模塊的信號(hào)進(jìn)行接收和處理，并作出相應(yīng)的邏輯判斷，將判斷結(jié)果交由通訊模塊將信息傳輸?shù)街行恼?，同時(shí)根據(jù)使用要求進(jìn)行聲光報(bào)警、數(shù)碼管顯示及傳感器狀態(tài)的自診斷等。

2 激光甲烷信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

激光甲烷信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)主要基于TDLAS原理，實(shí)現(xiàn)低濃度(可達(dá)10-6量級(jí))甲烷氣體的檢測[2]。可調(diào)諧二極管激光吸收光譜是利用半導(dǎo)體二極管激光的波長掃描和電流調(diào)諧特性對(duì)氣體進(jìn)行測量的一種技術(shù)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為室溫下1個(gè)大氣壓，吸收線的線型函數(shù)可以用洛倫茲線型表示，吸收系數(shù)α(ν)可以表示為

(1)

式中：ν0、α0分別為吸收線中心處的頻率和吸收線數(shù)；γ為吸收線半高半寬。

把吸收線的吸收系數(shù)α(ν)和頻率ν代入Lambert-Beer定律表達(dá)式，將光強(qiáng)I(ν)按傅里葉系數(shù)展開，在頻率調(diào)制幅度να<<γ時(shí)，n次諧波信號(hào)的幅度Hn[6]為

(2)

式中C為待檢測氣體的濃度。

C與諧波信號(hào)的幅度成正比例關(guān)系，因此通過檢測諧波信號(hào)的幅度可以計(jì)算出待檢測氣體濃度。激光檢測模塊框圖如圖2所示。

圖2 激光檢測模塊框圖

在激光檢測甲烷的紅外波段中，1.66 μm波段附近對(duì)甲烷的吸收能力較強(qiáng)，光衰減程度相對(duì)較弱，在1.66 μm波段中1 653.7 nm波長附近吸收強(qiáng)度較大，針對(duì)性較強(qiáng)。所以選擇采用波長是1 653.7 nm的激光器[3]。溫度補(bǔ)償單元主要采用半導(dǎo)體制冷器(TEC)結(jié)合PID等調(diào)節(jié)電路對(duì)溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制，本激光器的溫度影響系數(shù)為0.1 nm/℃，因此通過控制TEC的溫度對(duì)激光器工作環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)。

激光器通過激光驅(qū)動(dòng)電路發(fā)射光信號(hào)，光信號(hào)通過參考腔和測量腔，將不同腔體的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成離散的數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電壓幅值信號(hào)，經(jīng)過對(duì)比參考腔與測量腔的光信號(hào)輸出的電壓幅值信號(hào)，運(yùn)算獲得當(dāng)前測量腔的甲烷濃度值。通過UART串口輸出給主板CPU進(jìn)行顯示。

3 激光甲烷傳感器設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 ia級(jí)本質(zhì)安全電路與電磁兼容設(shè)計(jì)

為使傳感器達(dá)到ia級(jí)本質(zhì)安全，在設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)優(yōu)化傳感器的阻性電路、感性電路和容性電路，通過對(duì)電路的電阻、電容及電感等參數(shù)的篩選和計(jì)算、保證良好的爬電距離等，確保線路板尤其是電源部分在發(fā)生故障或其他異常情況下，故障點(diǎn)釋放的能量遠(yuǎn)低于可燃?xì)怏w環(huán)境下的點(diǎn)燃能量。

電源部分加入自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，設(shè)計(jì)過壓保護(hù)、過流保護(hù)電路，以及在LDO的輸出側(cè)應(yīng)加入多個(gè)并聯(lián)的穩(wěn)壓管，當(dāng)LDO失效時(shí)，單獨(dú)加在穩(wěn)壓管上的鉗位電壓能夠保證后續(xù)電路不被瞬間的高電壓破壞。

PCB走線上避免在小型元器件“腹部”走線。加粗電源地線且走線方式盡量減少共模干擾。對(duì)于PCB安裝孔與整體電路的距離至少為3 mm。

為使傳感器達(dá)到良好的抗干擾性能，應(yīng)加強(qiáng)EMC(電磁兼容性)的設(shè)計(jì)[4]。線路板采用4層PCB設(shè)計(jì)，中間層分別為GND、V+，為減少敷銅帶來的天線效應(yīng)，將敷銅的每個(gè)角采用45°或者圓角；信號(hào)完整性是提高系統(tǒng)EMC能力、提高系統(tǒng)魯棒性的重要手段[5-6]。在本設(shè)計(jì)中包含串口通訊、CAN總線信號(hào)傳輸、SPI總線信號(hào)傳輸，為了更好地保證信號(hào)的完整性，應(yīng)保證信號(hào)傳輸路徑的長度盡可能相等，以降低信號(hào)在終端的衰減程度；各個(gè)信號(hào)線之間距離盡可能加大，以防止信號(hào)的串?dāng)_。由于傳感器采用CAN總線通訊方式，為增強(qiáng)信號(hào)傳輸能力，對(duì)CAN總線增加了驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)將該模塊用DC-DC隔離模塊進(jìn)行隔離，以保證電路具有較強(qiáng)的魯棒性。

3.2 傳感器的超低功耗設(shè)計(jì)

煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中傳感器的供電方式多采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即一個(gè)電源為多個(gè)傳感器供電。傳感器的功耗越低，能夠同時(shí)工作的傳感器數(shù)量隨之增加；同時(shí)，低功耗也保證了傳感器更遠(yuǎn)距離的供電。供電距離是煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)，因此，盡可能地降低傳感器的功耗是十分必要的。本設(shè)計(jì)主要從硬件電路的電源設(shè)計(jì)及拓?fù)湟约败浖牡凸脑O(shè)計(jì)進(jìn)行具體說明。電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

為保證電源的使用效率，設(shè)計(jì)中的1號(hào)與2號(hào)模塊分別采用采用LM22761-5.0和LM22761-3.3；同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)輸入分析各個(gè)電源模塊的負(fù)載情況，對(duì)DC/DC模塊的匹配電容和匹配電感進(jìn)行調(diào)整，使每個(gè)DC/DC模塊電源轉(zhuǎn)化效率在85%以上。

本設(shè)計(jì)采用了Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103系列芯片，搭載μCOSIII操作系統(tǒng)，在軟件部分加入了低功耗邏輯設(shè)計(jì)。在對(duì)CPU資源進(jìn)行分析后，確定使用TIMER定時(shí)器2個(gè)、外部中斷1個(gè)、串口2個(gè)、I/O口若干，然后根據(jù)各個(gè)外設(shè)所需要的工作時(shí)鐘頻率進(jìn)行最低頻率設(shè)置，同時(shí)將其他外設(shè)包括外部I/O進(jìn)行關(guān)閉、時(shí)鐘關(guān)閉；配置GPIO為輸出時(shí)，根據(jù)輸出的常態(tài)選擇上拉/下拉，若輸出閑置為0，則配置為下拉；若輸出閑置為1，則配置上拉。設(shè)計(jì)采用了μCOS-III操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多線程的程序設(shè)計(jì)，降低CPU的工作時(shí)間，充分結(jié)合CPU的睡眠模式、待機(jī)模式、停止模式等電源管理模式，在線程都空閑的狀態(tài)下，將CPU進(jìn)行睡眠處理，以大幅度降低因CPU運(yùn)行帶來的功耗。

3.3 軟件及數(shù)字濾波設(shè)計(jì)

激光模塊在光信號(hào)轉(zhuǎn)化成甲烷濃度值的處理過程中，信號(hào)的噪聲去除、有效信號(hào)的提取等信號(hào)處理工作在硬件電路部分進(jìn)行了充分設(shè)計(jì)處理，但硬件電路也會(huì)引入一些不可避免的信號(hào)噪聲，這些噪聲被信號(hào)處理單元接收并被當(dāng)作有效信號(hào)進(jìn)行處理，導(dǎo)致激光甲烷模塊輸出的甲烷濃度值有所波動(dòng)，這就需要CPU處理單元對(duì)接收到的噪聲信號(hào)進(jìn)行必要的數(shù)字濾波處理。

為了得到精確的甲烷濃度信號(hào)，不僅需要在硬件上進(jìn)行濾波處理，軟件上還需要采用軟件濾波的方式才能最終得到可靠而且有效的幅值信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用了限幅濾波和二階數(shù)字濾波的混合濾波方式，用軟件算法實(shí)現(xiàn)了硬件濾波器的效果，可以隨時(shí)調(diào)整濾波參數(shù)獲得更穩(wěn)定有效的數(shù)據(jù)，既保證測量數(shù)據(jù)的跟隨實(shí)時(shí)性，還可提高的測量的穩(wěn)定性。軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

激光甲烷傳感器在溫度為20 ℃、相對(duì)濕度≤98%(非冷凝)、大氣壓力為100～116 kPa、風(fēng)速不大于8 m/s的環(huán)境下測試，測試結(jié)果見表1。

由表1可見，傳感器精度達(dá)到AQ 6211—2008標(biāo)準(zhǔn)的要求，精準(zhǔn)度較高。

表1 激光甲烷傳感器誤差測試 %

經(jīng)國家檢測檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室檢測，傳感器額定輸入電壓為DC 24 V，額定工作電流為45 mA，功耗為1.08 W；2級(jí)脈沖群抗擾度試驗(yàn)、浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)、射頻電磁輻射抗擾度試驗(yàn)，評(píng)價(jià)等級(jí)均為A級(jí)。

5 結(jié)束語

本文研究的基于TDLAS原理的礦用激光甲烷傳感器精度達(dá)到AQ 6211—2008標(biāo)準(zhǔn)的要求，實(shí)現(xiàn)了校高準(zhǔn)確度、超低功耗及強(qiáng)電磁兼容能力的設(shè)計(jì)目標(biāo)。本研究可為礦用激光甲烷傳感器的設(shè)計(jì)提供新的思路。