礦井無線激光甲烷傳感器的模塊設計與應用研究

原 恒 王 翔

（山西潞安郭莊煤業有限責任公司，山西 長治 046100）

郭莊煤業井下甲烷氣體監測使用的傳感器擴展性不足，需要人工巡檢，不僅造成數據誤差大，而且存在數據滯后的問題，如果不能及時響應，傳感器則利用數據傳輸電纜線進行介質傳輸。但由于井下大型設備較多，地質環境復雜，作業條件差，經常造成數據傳輸線纜斷線，引發工作面停電[1-2]。因此，設計能在線監測并實時傳輸的無線激光甲烷傳感器，測量精度高、工作穩定、響應速度快，能實現安全高效生產。

1 系統總體設計

無線激光甲烷傳感器的總體設計如圖1。系統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，以數字形式發送到MKL16 處理器中，經處理后通過數碼管顯示電路顯示處理，并通過無線通信模塊傳輸數據。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，聲光報警電路發出警報，通過遙控實現對相關參數的設定。

圖1 系統總體設計

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，激光器產生低速鋸齒波信號和高速正弦波信號，經光電轉換器轉換成電壓信號，對信號進行處理，經二次諧波轉換后提取峰值，通過窄帶低噪聲檢測，消除系統外界干擾，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，實現與探頭的數據交換，同時可以發送和接收相應的數據。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工作，需要精確控制外界的環境溫度。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，環境溫度會出現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，實現對TEC 材料的自動控制。MAX8521 控制芯片可以獨立調節加熱、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，以實現低電流時無死區和非線性溫度控制，如果工作溫度無限接近設置溫度時，控制系統不會隨少量的制冷或加熱而產生振蕩。甲烷氣體在吸收激光器發出的光信號后，轉換成電壓量經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

在井下安全系統中，系統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無線自組網模塊[7]，并入Wave Mesh 自組網協議，選用GFSK 調制方式，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。無線數據的接收和發送是通過組網模塊中的TXD 和RXD 分別與引腳PTE22 和PTE23 連接來實現，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

在系統開啟后，先進行初始化參數，包括對串口、中斷、存儲器等參數的初始化，然后對數碼管、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是否在標定值范圍內。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 現場功能試驗

4.1 構建試驗環境

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，外界環境溫度為15～35 ℃，環境濕度為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，通入標準氣體，通過閥門調節氣瓶的氣體流量。在試驗過程中，給通氣管道內通入不同流量的氣體，觀察現實的數據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功能進行測試，數據測試信息見表1。

表1 試驗數據統計

根據試驗數據結果可以看出，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，在作業環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了無線數據傳輸，顯示值的實時性、響應時間以及誤差等都在規定范圍內，系統在出現甲烷超限或斷線時，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。

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據傳輸中易受干擾、響應遲滯等問題，通過設計各個模塊實現甲烷傳感器的點對點傳輸。

（2）郭莊煤業在使用無線激光甲烷傳感器后，數據能實時傳輸到監控中心，實現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，滿足煤礦安全生產的需求，同時減少了人力成本，提高了安全系數。