基于姿態識別技術的風筒風量開關傳感器設計

張遠征

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶　400039；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室， 重慶　400037)

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基于姿態識別技術的風筒風量開關傳感器設計

張遠征1,2

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶400039；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室， 重慶400037)

針對現有鐵架式風筒風量開關傳感器存在生產調試復雜、安裝維護不便、 抗電磁干擾能力弱等問題，設計了一種基于姿態識別技術的風筒風量開關傳感器。該傳感器采用三軸加速度傳感芯片靜態姿態檢測原理,實現了風筒風量開關狀態檢測。實際應用表明,該傳感器檢測可靠穩定，調試安裝簡便，抗電磁干擾能力強。

礦用風筒; 風量開關傳感器; 姿態識別; 姿態檢測； 判決門限自動更新; 三軸加速度傳感芯片

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160902.1008.003.html

0　引言

礦井通風是煤礦安全生產的重要保障，風筒風量開關傳感器是檢測礦用軟質風筒通風狀態的重要設備。目前該類傳感器幾乎都是鐵架式，如圖1所示。它采用掛環懸掛安裝，鐵架環抱騎跨于風筒之上。當風筒有風時，風筒鼓脹撐開鐵架，使得磁鐵靠近主機，觸發主機內部干簧管導通；當風筒風量不足時，風筒干癟下垂，鐵架收攏，使得磁鐵遠離主機，觸發內部干簧管斷開。

該類傳感器存在以下問題：① 體積大、質量重，從生產運輸到安裝維護十分不便。② 生產、調試比較復雜，常見的礦用風筒以直徑不同分為多種規格，每個規格的風筒需要對應規格的鐵架[1-2]，每個規格所需的生產、調試標準也不同。③ 長時間處于井下會因銹蝕而難以動作，進而失效。④ 采用的干簧管磁場接近檢測原理本身對電磁干擾抵抗能力較差。

針對上述問題，筆者設計了一種基于姿態識別技術的礦用風筒風量開關傳感器。將2片三軸加速度傳感芯片內置于傳感器的2個表頭，表頭與柔性風筒表面用安裝帶捆綁固定。當風筒內部風量出現變化時，風筒出現干癟或鼓脹的形變，表頭內三軸加速度傳感芯片姿態也發生變化。根據該姿態中的關鍵信息和判決門限，即可判定風筒內部是否有充足風量通過。實驗結果證明，該傳感器檢測準確性高，生產調試、安裝維護方便，抗電磁干擾能力強。

圖1　鐵架式風筒風量開關傳感器組成

1　三軸加速度姿態識別技術原理

利用加速度計對靜止物體進行姿態檢測是一種成熟、可靠的方式，成本低廉，運算簡單。

三軸加速度姿態檢測原理：三軸加速度傳感芯片靜止時只受到重力作用，重力g在芯片的XYZ三軸的分量即可表征物體的姿態。三軸與芯片封裝棱邊重合，相互垂直。當芯片水平放置時，X軸和Y軸位于水平面(0g場)，Z軸與水平面垂直(1g場)，方向與重力相反。在描述芯片的姿態時，將三軸的坐標系作為參考姿態[3]，如圖2(a)所示。當芯片發生姿態變化，三軸指向隨之改變，如圖2(b)所示。θ為芯片X軸與參考坐標X軸的夾角，Ψ為芯片Y軸與參考坐標Y軸的夾角，φ為芯片Z軸與參考坐標Z軸的夾角。靜止狀態下，通過檢測芯片XYZ軸上的重力分量AXout，AYout和AZout，可計算出θ，Ψ和φ[4-6]。計算公式為

(1)

(2)

(3)

通過對夾角θ，Ψ和φ的檢測，即可對物體姿態進行描述，從而對特定姿態進行識別判斷。

2　傳感器設計

風筒通風情況變化所引起的最顯著形變在風筒的截面。無風時，風筒干癟下垂呈“I”型；通風時，風筒鼓脹呈“O”型。而三軸加速度傳感芯片的姿態檢測是立體的，在實際應用中只需檢測風筒截面所在平面的姿態變化，提取較大的角度變化，作為主要的判別量即可。

(b) 姿態變化

2.1傳感器總體方案設計

傳感器由主副表頭(內含三軸加速度傳感芯片)、掛環、表頭通信線和捆綁帶組成，如圖3所示。主副表頭騎跨于風筒上部，掛環用于固定懸掛，捆綁帶從下部環抱風筒，使得2個表頭緊貼風筒。2個表頭間的夾角為α。當風筒內部風量變化時，表頭姿態發生變化，最明顯的變化就是表頭夾角α，其值在無風時較小，有風時較大。對姿態的檢測即是對該夾角的檢測。通過檢測芯片在XOZ平面的傾角變化就可以計算出α。而Y軸分量可輔助檢測傳感器安裝姿態是否正確，提高了穩定性。

圖3　傳感器組成

(4)

(5)

式中:AXout,Z，AYout,Z和AZout,Z分別為重力g在X1軸，Y1軸和Z1軸上的分量；AXout,F，AYout,F和AZout,F分別為重力g在X2軸，Y2軸和Z2軸上的分量。

圖4　表頭夾角計算示意圖

傳感器在檢測表頭夾角α之后，與設定門限比較，輸出1/5 mA開關量電流信號，并用紅綠雙色發光二極管指示通風狀態。判決門限必須為雙門限，即開門限和關門限不同，存在一定裕量，以防止角度在門限附近時頻繁觸發，造成誤報。

2.2傳感器硬件電路設計

根據測量原理和設計功能，傳感器硬件電路組成如圖5所示，主要包括三軸加速度傳感芯片電路、單片機、1/5 mA開關量電流輸出電路、風筒通風狀態指示電路。其中，三軸加速度傳感芯片電路和1/5 mA開關量電流輸出電路是設計的關鍵點。

圖5　傳感器硬件電路組成

2.2.1三軸加速度傳感芯片電路

傳感器采用ADXL335三軸加速度傳感芯片，它具有功耗低、抗沖擊能力強、溫漂小和驅動能力強的特點。三軸加速度傳感芯片結構如圖6所示。

圖6　三軸加速度傳感芯片結構

每片ADXL335有3個模擬輸出引腳分別對應X，Y，Z三軸，在輸出端添加濾波電容CX，CY，CZ，可抑制風筒上的高頻振動干擾。除此之外，芯片還有自測引腳，單片機施加測試有效信號后，芯片模擬輸出會出現固定幅值的變化。利用這個功能引腳，傳感器實現了故障檢測功能。

2.2.21/5 mA開關量電流輸出電路

傳感器的1/5 mA開關量電流輸出電路采用LDO芯片與光耦來實現，如圖7所示。單片機的控制信號為En和Ctrl，電流輸出信號為Iout。LDO芯片IC3的電源輸出由En控制，當其置低時，IC3無電源輸出，Iout為0；當En置高時，IC3有12 V電源輸入。在IC3的Vout與Adj之間的電壓固定為1.25 V，Adj的漏電流在μA量級，因此，Iout由2條回路得到：一路由R1構成，調節其電阻大小即可輸出1 mA電流；另一路由R2和光耦IC4構成，調節R2電阻大小可使該路輸出4 mA電流。單片機輸出的控制信號Ctrl可控制后者通斷，實現1/5 mA電流的輸出。

圖7　1/5 mA開關量電流輸出電路

2.3傳感器軟件設計

2.3.1表頭夾角α的計算

單片機首先對2個表頭內的三軸加速度傳感芯片進行AD采樣，然后通過計算得到每軸上的重力分量AXout，Z，AYout，Z，AZout，Z，AXout，F，AYout，F，AZout，F，最后通過式(4)、式(5)計算得到α。

(6)

2.3.2判決門限自動更新算法

傳感器程序根據開門限、關門限和傳感器當前狀態來調整下一狀態輸出。當α大于開門限時，判定風筒有風；當α小于關門限時，判定風筒無風；當α不小于關門限且不大于開門限時，則維持當前有、無風狀態進行輸出。初次上電后，如果因安裝不當,使得α在30～60°時，傳感器發出錯誤指示，要求重新安裝。

為加快傳感器的響應時間，軟件設計了判決門限自動更新功能。當檢測到α在連續一段時間內處于一個比較穩定的數值時，則會根據這個角度更新判決門限，進而提高判決的響應速度。開門限和關門限的自動更新流程如圖8所示。

圖8　判決門限自動更新流程

3　傳感器校準

ADXL335三軸加速度傳感芯片輸出的是模擬量，每個軸的重力分量都是通過單片機AD采集再計算獲得。因此，必須對每軸的1g(或-1g)和0g進行校準，才能準確計算每軸上的重力分量，如圖9所示。

在水平桌面上，傳感器整機采用平放、側放、豎放3個姿態， 分別對應步驟1、2、3。

步驟1：擺放穩定后，主、副表頭Z軸上分量均為1g，Y軸和X軸上分量均為0g，按下專用按鍵，傳感器記錄AD數據。

步驟2：擺放穩定后，主表頭Y軸上分量為-1g，副表頭Y軸上分量為1g，2個表頭的X軸和Z軸上分量均為0g，按下專用按鍵，傳感器記錄AD數據。

步驟3：擺放穩定后，主、副表頭X軸上分量均為1g，Y軸和Z軸上分量均為0g，按下專用按鍵，傳感器記錄AD數據。

整個校準過程，每軸進行1次1g(或-1g)的AD數據記錄，進行2次0g的AD數據記錄(結果取平均值)。這樣就可以根據這些參數，計算出每軸的重力分量。

(a) 校準步驟1

(b) 校準步驟2

(c) 校準步驟3

4　結語

基于姿態識別技術的風筒風量開關傳感器生產調試簡單，安裝維護方便，抗電磁干擾能力強，已在山西、吉林、四川、貴州等地煤礦現場使用。對風筒通風狀態的檢測結果表明，該傳感器穩定可靠，受到了用戶的高度好評。

[1]陳祖云,金波,鄔長福,等.局部通風風筒直徑的選擇[J].中國安全生產科學技術,2012,8(11):81-84.

[2]李紅慶,謝楠.新型煤礦用風筒風量開關的研究與發明[J].科技傳播,2011,3(17):91.

[3]CHRISTOPHERJF.Usinganaccelerometerforinclinationsensing[EB/OL]. (2008-05-16)[2016-07-21].http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN-1057.pdf.

[4]郭敏,尹光洪,田曦,等.基于三軸加速度計的傾斜角傳感器的研究與設計[J].現代電子技術,2010,33(8):173-177.

[5]侯文生,戴加滿,鄭小林,等.基于加速度傳感器的前臂運動姿態檢測[J].傳感器與微系統,2009,28(1):106-108.

[6]吳黎明,張力鍇,李怡凡.基于ANN和單個三軸加速度傳感器的汽車運動姿態測量[J].傳感技術學報,2011,24(6):923-927.

Design of air flow switch sensor of air duct based on attitude recognition technology

ZHANG Yuanzheng1,2

(1.CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400039，China； 2.State Key Laboratory of the Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling，Chongqing 400037，China)

In view of problems of complex production and commissioning, inconvenient installation and maintenance, poor anti-electromagnetic interference existed in air flow sensor of coal mine air duct based on iron frame, an air flow switch sensor of air duct based on attitude recognition technology was designed. The sensor adopts principle of 3-axis acceleration sensor chip attitude detection to achieve state detection of air flow switch of air duct. The practical application shows that the sensor has advantages such as stable and reliable in detection, simple and convenience in installation and maintenance, strong in anti-electromagnetic interference.

mine-used air duct; air flow switch sensor; attitude recognition; attitude detection; threshold automatic update; 3-axis acceleration sensor chip

1671-251X(2016)09-0009-04

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.09.003

2016-01-19；

2016-05-16；責任編輯：張強。

重慶市煤監局2014年煤炭發展專項資金項目(渝煤[2014]-kj-09);中國煤炭科工集團有限公司科技創新基金面上項目(2014MS025)。

張遠征(1981-)，男，重慶人，助理研究員，碩士，現主要從事礦用安全儀器儀表的研發工作，E-mail：livelyzyz@126.com。

TD723

A網絡出版時間：2016-09-02 10:08

張遠征.基于姿態識別技術的風筒風量開關傳感器設計[J].工礦自動化，2016,42(9)：9-12.