一種基于惠斯通電橋原理的礦用濕度傳感器設計

張聰慧

(天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

礦井空氣的濕度主要取決于地面氣溫，尤其是巷道的進風系統隨季節性變化最明顯。夏季地面高溫空氣進入井下后，導致巷道的相對濕度上升，當相對濕度達到100%時出現水珠；冬季地面冷空氣進入井下后，導致巷道的相對濕度下降。礦井濕度的變化對機電設備、機械設備和人的身體健康都有非常重要的影響。準確、及時地測量礦井濕度，對保證煤礦的安全生產和礦工的身體健康起著非常重要的作用。

目前煤礦濕度傳感器主要采用外接催化元件的形式。但使用時間過長，會導致催化元件的性能降低，不能準確、實時地測量實際的濕度。針對以上缺點，設計了一種基于惠斯通電橋原理的礦用濕度傳感器。該傳感器能實時、準確地測量礦井環境的濕度，并具有就地顯示和數據遠傳的功能。

1 惠斯通電橋原理

惠斯通電橋又稱單臂電橋，它是一種可以精確測量電阻的儀器[1]。圖1為一個通用的惠斯通電橋。

圖1 惠斯通電橋

圖1中，電阻R1、R2、R3、R4為電橋的4個臂。當B、C間的電壓為零時，電橋達到平衡。此時，4個臂的阻值滿足一個簡單的關系，利用這一關系就可以測量電阻。同時，改變電橋中任意一個電阻值(如R2)時，B、C間的電壓差隨R2阻值的改變而改變。因此，根據B、C間的電壓且在R1、R3、R4阻值已知的情況下就可以確定R2的阻值。

圖2為惠斯通電橋三線制常用接法。R1、R3和R4采用精密電阻，R2(Rt)采用靈敏度較高的濕敏電阻。Rt的變化直接導致惠斯通電橋參考點電壓Vo的變化。電路單片機采集Vo的變化就可得知Rt的變化，進而得知濕度值。

本設計選用CHM-01濕度模塊采集濕度信號。此模塊為高分子濕敏電阻，其具有工作電壓范圍寬、電流消耗少、濕度測量范圍廣、使用壽命長等特點，特別適合煤礦井下復雜的環境條件使用。

2 傳感器的硬件電路設計

礦用濕度傳感器的硬件由電源部分、數據采集

圖2 惠斯通電橋三線制常用接法

和處理部分及數據顯示傳輸部分組成[2]。

2.1 電源部分

電源部分為整個傳感器的設計基礎。供電電源的穩定性、可靠性，直接決定了傳感器工作的可靠性。煤礦井下特殊的環境決定了其設計的特殊性。圖3為電源設計原理圖。

圖3 傳感器電源設計

VIN為外部本安電源輸入側。為了防止外部電源波動影響傳感器的穩定運行，增加了電源穩壓器D1。外部電壓經過穩壓器D1后輸出V16，供傳感器的內部使用。

2.2 數據采集和處理部分

數據采集和處理部分是整個傳感器設計的核心，其直接決定了傳感器測量的數據是否準確[3]。圖4為數據采集和處理部分原理圖。Vo先進入儀表放大器D5放大后，再進入單片機進行數據處理。

圖4 數據采集和處理部分

2.3 數據顯示傳輸部分

經過高性能單片機處理整合后的數據可以送往數據顯示屏進行就地顯示；同時，數據經過總線接口或頻率、電流等傳輸形式對外提供數據接口，供第三方儀表進行顯示和處理[4-5]。

圖5為CAN總線傳輸接口原理圖。CAN總線信號經過D6的電氣隔離后，進入CAN收發器D7，然后和第三方儀表進行通訊。R60為CAN匹配電阻。如果數據傳輸距離較遠，匹配電阻投入后可以改善傳輸性能，增加信號傳輸距離。

圖5 CAN總線傳輸接口

3 傳感器的軟件設計

礦用濕度傳感器的數據處理軟件分為數據采集、數據轉換、就地顯示、遠程傳輸等部分[3]。主程序是整個軟件的靈魂，起主導作用。主程序的設計直接影響整個設計的進程，它主要通過調用子程序來完成控制命令。通過軟件控制語句、函數等，將這些子程序鏈接起來，組成整個軟件的骨架。主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程

傳感器上電后，首先進行系統自檢；自檢正常后，進行現場數據的采集；采集完成后，單片機進行數據分析、運算和整理，并進行就地顯示、遠程傳輸，周而復始地工作。

4 現場驗證

濕度傳感器開發完成后，首先在實驗室進行了多次驗證。電源輸入采用寬電壓驗證的方式，輸入電壓為DC9-24.5 V。改變實驗室的空氣濕度，將傳感器測量的數據同經過計量的濕度檢測儀測量的數據進行對比。多次監測試驗證明濕度傳感器和濕度檢測儀顯示的實驗室的空氣濕度誤差都在設計允許范圍內。

濕度傳感器經過實驗室驗證并通過安全標準送審后，在多個煤礦井下進行了工業性試驗。結果表明濕度傳感器和經過計量的便攜式濕度檢測儀顯示的誤差完全在允許的范圍內。

5 結論

設計了一種基于惠斯通電橋原理的礦用濕度傳感器。采用惠斯通電橋原理，將礦井現場的濕度信號轉換為惠斯通電橋的電壓差，經放大后送入單片機進行處理，處理后的數據進行就地顯示；同時，將數據轉換為模擬量數據或總線型數據進行遠程傳輸，供第三方儀表進行處理，該傳感器經過實驗室和礦井現場的多場合驗證。驗證結果表明，基于惠斯通電橋原理的礦用濕度傳感器測量的濕度具有準確性高、實時性好、遠程傳輸精度高等特點，為煤礦企業的安全生產提供了保障。