針對目前礦井一氧化碳電化學(xué)測量方法存在穩(wěn)定性差、標(biāo)校周期短、易受井下背景氣干擾等缺點,設(shè)計了一種基于TDLAS的礦用激光一氧化碳傳感器,通過在光譜信號中提取二次諧波的方式實現(xiàn)了一氧化碳實時在線測量,同時本設(shè)計采用中值平均濾波的方式有效抑制了系統(tǒng)噪聲,提高了測量的穩(wěn)定性。實驗結(jié)果表明,該傳感器可靠性高、測量誤差較小。 

【文章來源】：單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用. 2020,20(12)

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【部分圖文】：

圖１傳感器結(jié)構(gòu)框圖

顯示模塊以及通信模塊組成。氣體檢測模塊主要用于將一氧化碳濃度轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)信號；電源模塊用于為傳感器各個模塊供電；信號處理模塊用于實時采集氣體檢測模塊數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為一氧化碳濃度；數(shù)碼顯示模塊用于實時顯示一氧化碳數(shù)值；通信模塊用于將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)骄路终�。傳感器結(jié)構(gòu)框圖如圖１所示。圖１傳感器結(jié)構(gòu)框圖３氣體檢測模塊設(shè)計氣體檢測模塊主要由電流驅(qū)動模塊、溫度控制模塊、激光器、氣室單元、光電檢測器、前置放大電路和信號處理電路組成，如圖２所示。通過電流驅(qū)動模塊以及溫度控制模塊對激光器進(jìn)行調(diào)制，驅(qū)動半導(dǎo)體激光器發(fā)射窄帶光譜信號，窄帶光譜信號通過氣室單元后被光電檢測器接收。通過前置放大電路和信號處理電路可以提取出光譜信號中的二次諧波分量。本設(shè)計激光器工作電流為６０ｍＡ，工作溫度控制在２６℃，激光器中心輸出波長調(diào)節(jié)在２３３０ｎｍ附近。氣體吸收池采用多次光路反射方式，總光程約為１０ｍ。圖３分別為１００、４００、６００、８５０、１０００ｐｐｍ濃度下二次諧波幅值曲線。４電源模塊設(shè)計電源模塊分為緩啟動模塊和電壓轉(zhuǎn)換模塊兩部分。圖２氣體檢測模塊圖圖３二次諧波幅值曲線穩(wěn)壓芯片ＴＬ４３１輸出５Ｖ電壓作用在運(yùn)算放大器Ｕ１正極輸入，運(yùn)算放大器負(fù)極輸入連接電源輸出。傳感器開機(jī)上電的時候進(jìn)入緩啟動模式，輸入電壓為２２．５ＶＤＣ，電阻Ｒ１起到限流作用，當(dāng)電源輸出電壓ＶＣ＋低于５Ｖ時，運(yùn)算放大器Ｕ１輸出高電平；當(dāng)電ＶＣ＋高于５Ｖ時，運(yùn)算放大器輸出低電平，發(fā)光二

ｔｅｍｓ２０２０年第１２期ｗｗｗ．ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ圖４電源模塊原理圖圖５中值平均濾波流程圖過兩次中值濾波去掉計量單元中的兩個極大值和兩個極小值，最后對剩下的６組數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算。通過這種方式有效提高了測量的穩(wěn)定性。５．２標(biāo)定模塊傳感器在使用之前需要標(biāo)定，本設(shè)計一氧化碳傳感器量程為０～１０００ｐｐｍ，標(biāo)定采用遙控操作方式，遙控接收芯片采用ＨＳ００３８Ｂ；標(biāo)定時采用潔凈空氣和５００ｐｐｍ的標(biāo)準(zhǔn)氣樣進(jìn)行標(biāo)定。圖６為標(biāo)定模塊流程圖，在μＣ／ＯＳＩＩ操作系統(tǒng)中建立標(biāo)定任務(wù)，該任務(wù)正常狀態(tài)下處于空閑模式，當(dāng)接收到有效遙控鍵碼后，通過中斷方式發(fā)送信號量觸發(fā)任務(wù)進(jìn)入工作模式。解析鍵碼后進(jìn)行相應(yīng)的零點和增益值校準(zhǔn)。６數(shù)碼顯示模塊設(shè)計顯示模塊通過數(shù)碼管驅(qū)動芯片ＺＬＧ７２８９Ａ控制，該芯片與核心處理器之間通過ＳＰＩ接口進(jìn)行通信。本設(shè)計數(shù)碼管共５位，１位用于顯示傳感器地址，其他４位用于顯示一氧化碳數(shù)值。數(shù)碼管驅(qū)動電路如圖７所示。圖６標(biāo)定任務(wù)流程圖７通信模塊設(shè)計傳感器通信模塊采用ＣＡＮ總線方式，從而實現(xiàn)井下分站和傳感器之間的多主并發(fā)通信，有效提高分站和傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸效率。采用集成芯片ＣＴＭ８２５１ＡＴ作為ＣＡＮ收發(fā)器，為增強(qiáng)信號傳輸質(zhì)量，總線上增加匹配電阻，本設(shè)計匹配電阻為３９０Ω。協(xié)議為ＣＡＮ２．０Ｂ標(biāo)準(zhǔn)中的２９位擴(kuò)展幀標(biāo)識符格式，通信速率為５ｋｂｐｓ。ＣＡＮ收發(fā)電路如圖８所示。具體通信協(xié)議如下：①

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號：2982196