矿井无线激光甲烷传感器的模块设计与应用研究

原 恒 王 翔

（山西潞安郭庄煤业有限责任公司，山西 长治 046100）

郭庄煤业井下甲烷气体监测使用的传感器扩展性不足，需要人工巡检，不仅造成数据误差大，而且存在数据滞后的问题，如果不能及时响应，传感器则利用数据传输电缆线进行介质传输。但由于井下大型设备较多，地质环境复杂，作业条件差，经常造成数据传输线缆断线，引发工作面停电[1-2]。因此，设计能在线监测并实时传输的无线激光甲烷传感器，测量精度高、工作稳定、响应速度快，能实现安全高效生产。

1 系统总体设计

无线激光甲烷传感器的总体设计如图1。系统包含锂电池供电电路、遥控电路、甲烷浓度采集电路、存储电路、声光报警电路以及无线通信电路等模块，采用MKL16 处理器[3]，通过激光甲烷探头采集大气中甲烷气体浓度，以数字形式发送到MKL16 处理器中，经处理后通过数码管显示电路显示处理，并通过无线通信模块传输数据。传感器通过锂电池供电，在电池电量较低时，传感器会自动上传电量较低，当甲烷浓度超限时，声光报警电路发出警报，通过遥控实现对相关参数的设定。

图1 系统总体设计

2 传感器模块设计

2.1 激光探头设计

激光甲烷传感器探头采用波长调制型激光器[4]，可以输出不同电流、不同波长的激光，在激光刺激下，激光器产生低速锯齿波信号和高速正弦波信号，经光电转换器转换成电压信号，对信号进行处理，经二次谐波转换后提取峰值，通过窄带低噪声检测，消除系统外界干扰，得到甲烷浓度测量值，对浓度值进行拟合后，最终以数字信号形式输出甲烷浓度。其中，处理器的引脚PTA1 和PTA2 分别与TXD0和RXD0 通信接口连接，实现与探头的数据交换，同时可以发送和接收相应的数据。激光甲烷传感器探头工作流程如图2。

图2 激光甲烷传感器探头工作流程

2.2 温度补偿设计

在无线激光甲烷传感器工作过程中，随着温度的不断变化，激光器输出的波长也在不断变化。为了确保激光器在一定的波长内工作，需要精确控制外界的环境温度。采用TEC 材料对激光甲烷传感器进行温度控制[5]，当TEC 材料中有不同方向的电流流过时，环境温度会出现不同程度的制冷和加热，采用MAX8521 温度控制芯片，通过热敏电阻来检测激光器的温度，实现对TEC 材料的自动控制。MAX8521 控制芯片可以独立调节加热、冷却电流限制、电压限制，降低电流浪涌的影响。将TEC 连接在两个同步转换器输出上，以实现低电流时无死区和非线性温度控制，如果工作温度无限接近设置温度时，控制系统不会随少量的制冷或加热而产生振荡。甲烷气体在吸收激光器发出的光信号后，转换成电压量经A/D 模块进入微控制器中，对信号进行处理后得到甲烷气体浓度信息。

2.3 压力补偿设计

在井下安全系统中，系统的压力检测范围一般小于130 kPa，因此要合理地选择压力检测元件的量程。根据传感器的结构空间，采用微型NPP-301系列压力传感元件，压力范围为0～200 kPa，可以满足井下使用要求。压力传感元件的内部含有半导体电阻应变片，以惠斯顿电桥作为测量基础电路[6]，通过恒压驱动进行供电，其外围电路设计比较简单，不需要复杂的检测电路，使用微处理器差分采集功能，使输出电压和施加压力成线性。

2.4 无线通信接口设计

无线通信接口选择功耗低、功率小的BM200N无线自组网模块[7]，并入Wave Mesh 自组网协议，选用GFSK 调制方式，其工作频率为433 MHz，具有15 个辅助通信单元和1 个基本通信单元。无线数据的接收和发送是通过组网模块中的TXD 和RXD 分别与引脚PTE22 和PTE23 连接来实现，RESET 引脚是低电平模块复位，SET 引脚用于选择工作模式，低电平时是配置模式，高电平时是工作模式。

3 软件设计

无线激光甲烷传感器的软件流程图如图3。

图3 软件流程图

在系统开启后，先进行初始化参数，包括对串口、中断、存储器等参数的初始化，然后对数码管、输出信号等进行自检。待自检完成后，传感器显示当前的甲烷浓度，通过红外遥控判断各参数是否在标定值范围内。如果不，判断甲烷浓度是否超出报警值，如果超过报警值，声光报警显示。

4 现场功能试验

4.1 构建试验环境

对设计的无线激光甲烷传感器功能进行测试，试验要求具备一定浓度的甲烷气体和气体流通管路[8]，试验的标准大气压力为86～106 kPa，外界环境温度为15～35 ℃，环境湿度为45%～75%，再配备标准浓度的甲烷气瓶。

4.2 试验测试

将无线激光甲烷传感器放在通气管道内，通入标准气体，通过阀门调节气瓶的气体流量。在试验过程中，给通气管道内通入不同流量的气体，观察现实的数据以及传感器报警情况，从而对设计的无线激光甲烷传感器系统功能进行测试，数据测试信息见表1。

表1 试验数据统计

根据试验数据结果可以看出，所设计的无线激光甲烷传感器能准确检测环境中的甲烷气体浓度，并实时显示，且显示误差较小，在甲烷气体浓度超出报警值时进行声光报警。同时对无线激光甲烷传感器的传输距离进行测试，在作业环境比较恶劣时传输距离达95 m。

通过测试和观察，无线激光传感器各模块很好地实现了无线数据传输，显示值的实时性、响应时间以及误差等都在规定范围内，系统在出现甲烷超限或断线时，能实时报警和自动断电，克服了有限传感器的局限，减少了人力成本，提高了安全系数。

5 结论

通过使用无线激光传感器，得到如下结果：

（1）很好地解决了有线传感器在数据传输中易受干扰、响应迟滞等问题，通过设计各个模块实现甲烷传感器的点对点传输。

（2）郭庄煤业在使用无线激光甲烷传感器后，数据能实时传输到监控中心，实现对甲烷浓度的检测以及实时报警，且精度较高，响应速度更快，满足煤矿安全生产的需求，同时减少了人力成本，提高了安全系数。