甲烷傳感器安裝合規性檢測裝置的設計

趙東升，秦海初，單 鵬

(1.中煤華晉集團有限公司， 山西 河津 043300；2.中國煤礦機械裝備有限責任公司， 北京 100011)

煤礦瓦斯災害是影響煤礦安全生產的主要災害之一，瓦斯事故的發生直接威脅井下煤礦工人的人身安全，給煤礦企業帶來巨大損失。瓦斯防治的重要手段就是利用甲烷傳感器對甲烷氣體進行有效、持續的檢測。甲烷傳感器對甲烷的檢測效果不僅決定于傳感器本身的測量精度和穩定性等技術指標和性能，還決定于其安裝位置和安裝質量。為了規范甲烷傳感器的安裝，《煤礦安全規程》和《煤礦安全監控系統及檢測儀器使用管理規范》中對甲烷傳感器的安裝有具體的規定：甲烷傳感器應垂直懸掛，距頂板(頂梁、屋頂)不得大于300 mm，距巷道側壁(墻壁)不得小于200 mm[1-2].

目前，甲烷傳感器的安裝是否合乎規范要求還沒有有效的技術檢測手段，完全依靠人工判斷和保證。甲烷傳感器安裝位置較高，照明條件差，在地面不易看清并判斷其安裝質量，隨意性較強，特別是檢測地點需要經常調整的地方，比如采煤工作面一直向前推進，瓦斯傳感器的安裝地點需要隨工作面的推進進行調整，工人為了趕工，將瓦斯傳感器隨意安裝，往往達不到規范要求，甚至有些礦工擔心甲烷傳感器檢測到甲烷超限后斷電影響生產，將甲烷傳感器故意放在偏僻角落躲避檢測，給煤礦安全生產帶來很大的隱患。

針對上述問題，本文提出一種能夠檢測甲烷傳感器安裝合規性的裝置。該裝置內置在甲烷傳感器中，包括兩組測距模塊和一組測角模塊，兩組測距模塊分別測量甲烷傳感器到頂板(頂梁)和到巷道側壁(墻壁)的距離，測角模塊測量甲烷傳感器與水平面的夾角，從而檢測出甲烷傳感器安裝是否符合規范要求。

1 測距模塊設計

1.1 硬件設計

該裝置的測距模塊采用意法半導體公司(STMicroelectronics)的激光測距芯片VL53L0X.VL53L0X是基于Time-of-Flight(ToF，飛行時間)進行測距的芯片模塊，最大測量距離2 m，測量誤差在3%左右，滿足本方案的設計要求。VL53L0X內部集成了測距傳感器和微控制器，提供了I2C接口，進行模塊控制和數據傳送。測距模塊電路原理見圖1.

如圖1所示，VL53L0X與主機通信采用I2C，接口比較簡潔。本模塊采用主機端3.3 V供電，滿足芯片工作電壓2.6～3.5 V要求。串口數據線SDA和串口時鐘線SCL經上拉后與主機相連，實現I2C通信。GPIO1管腳是中斷管腳，當VL53L0X設置為中斷方式工作時，GPIO1管腳會在主機中產生中斷信號。本模塊采用了查詢方式，因此本管腳未與主機連接。XSHUT管腳可以控制VL53L0X的工作狀態：上電以后，XSHUT處于高電平狀態，VL53L0X處于工作狀態，可以根據設置進行測距；不需要測距時，將XSHUT設置為低電平，VL53L0X處于待機狀態，降低設備功耗。本模塊將XSHUT管腳與主機的GPIO連接，控制VL53L0X的工作狀態。

圖1 測距模塊電路原理圖

1.2 軟件設計

VL53L0X有4種工作配置模式：缺省配置、高速配置、高精度配置和長距離配置。本模塊配置為高精度。VL53L0X提供3種測距模式：單次測距、連續測距、周期測距。單次測距每調用一次測距函數僅測距一次。連續測距是在調用測距函數后，連續不間斷進行測距。周期測距也是連續進行，與連續測距不同的是可以定義兩次測距的間隔時間。本裝置采用單次測距的方式，由主機控制何時進行測距。

模塊工作流程見圖2.模塊初始化主要進行I2C通信初始化和VL53L0X自身工作模式和測距模式的設置。主機調用開始測量函數開始測量，結果就緒后，調用獲取數據函數得到測距結果，如果是連續測量或周期測量，模塊自動進行下次測量，如果是單次測量，主機需要再次調用開始測量函數以獲得新的測距結果。

2 測角模塊設計

2.1 硬件設計

本裝置的測角模塊采用了美國VTI公司的SCA100T傾角傳感器芯片。SCA100T是基于3D-MEMS的高精度雙軸傾角傳感器芯片，對溫度不敏感，分辨率高，噪聲低，在傾角測量中得到廣泛應用。SCA100T芯片在傳感元件內部增加了阻尼，對振動有良好的適應能力，能夠承受高達20 000 g的機械沖擊力，適合在煤礦井下惡劣環境中使用。SCA100T可以實現雙軸X、Y軸傾角測量，測量范圍±30°(D01)和±90°(D02).

圖2 測距模塊工作流程圖

測角模塊電路原理圖見圖3.測角模塊的主要元件是SCA100T芯片。SCA100T采用5 V供電，為了與主機端MCU直接連接，本模塊設計了3.3～5 V的電源轉換電路(見原理圖)。SCA100T通信接口為SPI串行接口，SPI是四線的同步串行接口，通過選擇從設備或者CS端口來允許通信。數據通過三線接口來傳輸，分別是串行數據輸入線(MOSI)、串行數據輸出(MISO)和串行時鐘(SCK).

2.2 軟件設計

SCA100T上電后默認工作模式是測量模式，測量后產生11位數據格式的數字量，存儲在RDAX和RDAY數據寄存器中。程序通過SPI讀取對應通道的數值。在讀出測量值后，需轉換為角度值，公式如下：

其中，Dout為測量值;Dout0為0°時的測量值，為1 024;Sens為芯片靈敏度，為819.經本公式計算的角度單位為(°).

3 測試與結果分析

測距模塊在200 mm、300 mm、400 mm處分別進行距離測試，每個測試距離采用斷電重啟的方式進行

圖3 測角模塊原理圖

5次測量，每次測量取10次讀數的平均值，結果見表1.從測試結果看出，距離在200～400 mm時，測量誤差在±4.5%，距離越小，誤差百分比越大，最大誤差為-17 mm.對于規范中要求的距頂板(頂梁、屋頂)不得大于300 mm,距巷道側壁(墻壁)不得小于200 mm的測量要求可以滿足。

表1 測距模塊測量結果表

測角模塊在0°、30°、45°、60°、90°處分別進行傾角測試，每個測試位置采用斷電重啟的方式進行5次測量，每次測量取10次讀數的平均值，結果見表2.從測試結果看出，測量數據總體偏小，測量誤差在±4.7%，水平位置測量誤差最大為0.84°，垂直位置測量誤差最大為2.27°，對于測量甲烷傳感器的垂直度(水平度)是滿足要求的。

表2 測角模塊測量結果表

4 結 語

本文設計實現了一個能夠檢測甲烷傳感器安裝是否符合規范要求的裝置。該裝置內置在甲烷傳感器中，包括兩組測距模塊和一組測角模塊，兩組測距模塊分別測量甲烷傳感器到頂板(頂梁)和到巷道側壁(墻壁)的距離，測角模塊測量甲烷傳感器與水平面的夾角，從而檢測出甲烷傳感器安裝是否符合規范要求。經測試，該裝置測量精度高，工作穩定可靠，功耗低，體積小，可以集成到甲烷傳感器中，也可以用在一氧化碳傳感器和溫度傳感器等對安裝有要求的傳感器中。