基于TDLAS的一氧化碳传感器设计
发布时间：2021-01-17 04:20
针对目前矿井一氧化碳电化学测量方法存在稳定性差、标校周期短、易受井下背景气干扰等缺点,设计了一种基于TDLAS的矿用激光一氧化碳传感器,通过在光谱信号中提取二次谐波的方式实现了一氧化碳实时在线测量,同时本设计采用中值平均滤波的方式有效抑制了系统噪声,提高了测量的稳定性。实验结果表明,该传感器可靠性高、测量误差较小。
【文章来源】：单片机与嵌入式系统应用. 2020,20(12)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图１传感器结构框图
显示模块以及通信模块组成。气体检测模块主要用于将一氧化碳浓度转换为光强信号；电源模块用于为传感器各个模块供电；信号处理模块用于实时采集气体检测模块数据并转换为一氧化碳浓度；数码显示模块用于实时显示一氧化碳数值；通信模块用于将数据实时传输到井下分站。传感器结构框图如图１所示。图１传感器结构框图３气体检测模块设计气体检测模块主要由电流驱动模块、温度控制模块、激光器、气室单元、光电检测器、前置放大电路和信号处理电路组成，如图２所示。通过电流驱动模块以及温度控制模块对激光器进行调制，驱动半导体激光器发射窄带光谱信号，窄带光谱信号通过气室单元后被光电检测器接收。通过前置放大电路和信号处理电路可以提取出光谱信号中的二次谐波分量。本设计激光器工作电流为６０ｍＡ，工作温度控制在２６℃，激光器中心输出波长调节在２３３０ｎｍ附近。气体吸收池采用多次光路反射方式，总光程约为１０ｍ。图３分别为１００、４００、６００、８５０、１０００ｐｐｍ浓度下二次谐波幅值曲线。４电源模块设计电源模块分为缓启动模块和电压转换模块两部分。图２气体检测模块图图３二次谐波幅值曲线稳压芯片ＴＬ４３１输出５Ｖ电压作用在运算放大器Ｕ１正极输入，运算放大器负极输入连接电源输出。传感器开机上电的时候进入缓启动模式，输入电压为２２．５ＶＤＣ，电阻Ｒ１起到限流作用，当电源输出电压ＶＣ＋低于５Ｖ时，运算放大器Ｕ１输出高电平；当电ＶＣ＋高于５Ｖ时，运算放大器输出低电平，发光二
ｔｅｍｓ２０２０年第１２期ｗｗｗ．ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ图４电源模块原理图图５中值平均滤波流程图过两次中值滤波去掉计量单元中的两个极大值和两个极小值，最后对剩下的６组数据进行算术平均运算。通过这种方式有效提高了测量的稳定性。５．２标定模块传感器在使用之前需要标定，本设计一氧化碳传感器量程为０～１０００ｐｐｍ，标定采用遥控操作方式，遥控接收芯片采用ＨＳ００３８Ｂ；标定时采用洁净空气和５００ｐｐｍ的标准气样进行标定。图６为标定模块流程图，在μＣ／ＯＳＩＩ操作系统中建立标定任务，该任务正常状态下处于空闲模式，当接收到有效遥控键码后，通过中断方式发送信号量触发任务进入工作模式。解析键码后进行相应的零点和增益值校准。６数码显示模块设计显示模块通过数码管驱动芯片ＺＬＧ７２８９Ａ控制，该芯片与核心处理器之间通过ＳＰＩ接口进行通信。本设计数码管共５位，１位用于显示传感器地址，其他４位用于显示一氧化碳数值。数码管驱动电路如图７所示。图６标定任务流程图７通信模块设计传感器通信模块采用ＣＡＮ总线方式，从而实现井下分站和传感器之间的多主并发通信，有效提高分站和传感器之间的数据传输效率。采用集成芯片ＣＴＭ８２５１ＡＴ作为ＣＡＮ收发器，为增强信号传输质量，总线上增加匹配电阻，本设计匹配电阻为３９０Ω。协议为ＣＡＮ２．０Ｂ标准中的２９位扩展帧标识符格式，通信速率为５ｋｂｐｓ。ＣＡＮ收发电路如图８所示。具体通信协议如下：①
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于TDLAS的气体检测技术研究[J]. 李伟,贾军伟,柴昊,张书锋,张明志,崔鸿飞,刘敬敏,刘展. 宇航计测技术. 2019(04)
[2]用于单光路TDLAS气体检测的激光器降噪驱动系统设计[J]. 王彪,陈越,黄硕,戴童欣,连厚泉,许玥,李奥奇. 激光杂志. 2019(07)
[3]TDLAS一氧化碳检测系统[J]. 顾利帅,裴彦军,王立娜,郭海雷. 舰船科学技术. 2019(09)
[4]基于TDLAS技术在线监测烟气排放一氧化碳的应用[J]. 刘立富,邱梦春,温作乐,陈东,于志伟. 中国环保产业. 2019(04)
[5]煤矿井下一氧化碳异常原因及处理对策[J]. 张清. 煤矿现代化. 2019(03)
[6]面向矿山安全物联网的光纤传感器[J]. 刘统玉,王纪强,孟祥军,李伟,金光贤,胡杰,魏玉宾,王振平,胡宾鑫,宋广东,马俊鹏,王金玉,宋成祥,张婷婷,李艳芳,王风雪. 工矿自动化. 2018(03)
[7]一种数字式煤矿安全监控系统设计[J]. 魏峰. 工矿自动化. 2017(02)
[8]基于无线Mesh网络技术的一氧化碳传感器设计[J]. 赵庆川. 工矿自动化. 2016(07)
[9]煤矿监控新技术与新装备[J]. 孙继平. 工矿自动化. 2015(01)
[10]基于TDLAS的一氧化碳浓度检测的研究[J]. 高瑞平,杨特育. 合肥学院学报(自然科学版). 2011(03)
本文编号：2982196
【文章来源】：单片机与嵌入式系统应用. 2020,20(12)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图１传感器结构框图
显示模块以及通信模块组成。气体检测模块主要用于将一氧化碳浓度转换为光强信号；电源模块用于为传感器各个模块供电；信号处理模块用于实时采集气体检测模块数据并转换为一氧化碳浓度；数码显示模块用于实时显示一氧化碳数值；通信模块用于将数据实时传输到井下分站。传感器结构框图如图１所示。图１传感器结构框图３气体检测模块设计气体检测模块主要由电流驱动模块、温度控制模块、激光器、气室单元、光电检测器、前置放大电路和信号处理电路组成，如图２所示。通过电流驱动模块以及温度控制模块对激光器进行调制，驱动半导体激光器发射窄带光谱信号，窄带光谱信号通过气室单元后被光电检测器接收。通过前置放大电路和信号处理电路可以提取出光谱信号中的二次谐波分量。本设计激光器工作电流为６０ｍＡ，工作温度控制在２６℃，激光器中心输出波长调节在２３３０ｎｍ附近。气体吸收池采用多次光路反射方式，总光程约为１０ｍ。图３分别为１００、４００、６００、８５０、１０００ｐｐｍ浓度下二次谐波幅值曲线。４电源模块设计电源模块分为缓启动模块和电压转换模块两部分。图２气体检测模块图图３二次谐波幅值曲线稳压芯片ＴＬ４３１输出５Ｖ电压作用在运算放大器Ｕ１正极输入，运算放大器负极输入连接电源输出。传感器开机上电的时候进入缓启动模式，输入电压为２２．５ＶＤＣ，电阻Ｒ１起到限流作用，当电源输出电压ＶＣ＋低于５Ｖ时，运算放大器Ｕ１输出高电平；当电ＶＣ＋高于５Ｖ时，运算放大器输出低电平，发光二
ｔｅｍｓ２０２０年第１２期ｗｗｗ．ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ图４电源模块原理图图５中值平均滤波流程图过两次中值滤波去掉计量单元中的两个极大值和两个极小值，最后对剩下的６组数据进行算术平均运算。通过这种方式有效提高了测量的稳定性。５．２标定模块传感器在使用之前需要标定，本设计一氧化碳传感器量程为０～１０００ｐｐｍ，标定采用遥控操作方式，遥控接收芯片采用ＨＳ００３８Ｂ；标定时采用洁净空气和５００ｐｐｍ的标准气样进行标定。图６为标定模块流程图，在μＣ／ＯＳＩＩ操作系统中建立标定任务，该任务正常状态下处于空闲模式，当接收到有效遥控键码后，通过中断方式发送信号量触发任务进入工作模式。解析键码后进行相应的零点和增益值校准。６数码显示模块设计显示模块通过数码管驱动芯片ＺＬＧ７２８９Ａ控制，该芯片与核心处理器之间通过ＳＰＩ接口进行通信。本设计数码管共５位，１位用于显示传感器地址，其他４位用于显示一氧化碳数值。数码管驱动电路如图７所示。图６标定任务流程图７通信模块设计传感器通信模块采用ＣＡＮ总线方式，从而实现井下分站和传感器之间的多主并发通信，有效提高分站和传感器之间的数据传输效率。采用集成芯片ＣＴＭ８２５１ＡＴ作为ＣＡＮ收发器，为增强信号传输质量，总线上增加匹配电阻，本设计匹配电阻为３９０Ω。协议为ＣＡＮ２．０Ｂ标准中的２９位扩展帧标识符格式，通信速率为５ｋｂｐｓ。ＣＡＮ收发电路如图８所示。具体通信协议如下：①
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于TDLAS的气体检测技术研究[J]. 李伟,贾军伟,柴昊,张书锋,张明志,崔鸿飞,刘敬敏,刘展. 宇航计测技术. 2019(04)
[2]用于单光路TDLAS气体检测的激光器降噪驱动系统设计[J]. 王彪,陈越,黄硕,戴童欣,连厚泉,许玥,李奥奇. 激光杂志. 2019(07)
[3]TDLAS一氧化碳检测系统[J]. 顾利帅,裴彦军,王立娜,郭海雷. 舰船科学技术. 2019(09)
[4]基于TDLAS技术在线监测烟气排放一氧化碳的应用[J]. 刘立富,邱梦春,温作乐,陈东,于志伟. 中国环保产业. 2019(04)
[5]煤矿井下一氧化碳异常原因及处理对策[J]. 张清. 煤矿现代化. 2019(03)
[6]面向矿山安全物联网的光纤传感器[J]. 刘统玉,王纪强,孟祥军,李伟,金光贤,胡杰,魏玉宾,王振平,胡宾鑫,宋广东,马俊鹏,王金玉,宋成祥,张婷婷,李艳芳,王风雪. 工矿自动化. 2018(03)
[7]一种数字式煤矿安全监控系统设计[J]. 魏峰. 工矿自动化. 2017(02)
[8]基于无线Mesh网络技术的一氧化碳传感器设计[J]. 赵庆川. 工矿自动化. 2016(07)
[9]煤矿监控新技术与新装备[J]. 孙继平. 工矿自动化. 2015(01)
[10]基于TDLAS的一氧化碳浓度检测的研究[J]. 高瑞平,杨特育. 合肥学院学报(自然科学版). 2011(03)
本文编号：2982196
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