基于光纖傳感的瓦斯監測系統的設計

孫建兵

（華陽集團三礦，山西 陽泉 045008）

引言

在各種煤炭行業的災難事故中瓦斯爆炸是最嚴重、影響最大、傷亡率最高的災害。在中國，瓦斯爆炸導致的大型事故和死亡人數分別占煤礦總事故和死亡人數的66.52%和68.72%[1]。由此可見，預防瓦斯爆炸災害是煤炭行業安全生產最重要的環節，而瓦斯監測系統在防止煤礦事故中發揮著重要作用。

1 監測系統總體方案

目前，國內的煤礦安全檢測系統均采用集散型結構，監控系統大致可以分為四種方案，本文采用的是最新的檢測系統方案，即基于工業以太網的檢測系統，其結構圖如圖1 所示。

圖1 基于工業以太網的檢測系統結構圖

基于工業以太網的檢測系統具有點如下特點：一是可實現一體化網絡，不同設備商家通過網絡協議即可互聯，方便、快捷、開放；二是隨著以太網的開放性以及技術的日漸成熟，用戶可以選擇更多的檢測設備以及軟件開發環境，即擁有更多的選擇權；三是以太網有較高的通訊速率，具有較大的發展空間。

在井下分布著網速為100 Mbps的互聯網，并將此互聯網作為監測系統的核心，網絡的傳輸速率以及穩定性至關重要。本監測系統主要由以太網交換機、地面監控、阻燃光纜等部分組成。其中環型光纖網是根據監控的礦區面積來安裝設備，本方案通過主干網的互聯來構成以遠程計算機為核心的監控系統。

2 瓦斯傳感器的設計

2.1 瓦斯傳感器的原理

本文所設計的瓦斯傳感器部分原理如圖2 所示。

圖2 瓦斯光傳感器系統原理圖

此設計是基于氣體的光譜吸收原理[2]，與黑白原件的瓦斯傳感器相比具有測量度高、穩定、使用壽命長等特點。光纖瓦斯傳感器在正常使用的情況下，調校周期大約可以維持1～3 個月，故光纖瓦斯傳感器可以節省大量人力。在光纖傳感器內部有輻射的紅外線光源，控制系統和數據的測量系統包括大量數模轉換器以及通訊、數據處理模塊。

本文設計利用TDLAS 技術測量氣體的體積分數。在實際應用過程中需要將高頻電流注入到激光二極管中，可以對氣體所吸收的微弱的光譜進行調制，改變其波長，使得氣體信息更容易被捕捉到。由于諧波干擾以及噪聲干擾，本文通過鎖相放大技術來獲取氣體濃度信息的諧波信號，進而來抑制外部的干擾，提高檢測的靈敏度。本文的靈敏度可以達到ppm 等級。

2.2 光電轉換部分

由于在監測控制系統中均是以電信號進行信息的傳播與控制，但是氣室中只能產生光信號，因此就需要模塊將光信號轉換為電信號，而光電轉換部分即為光電二極管。光信號通過光電二極管后即可變為電信號，轉換后的電流信號很小，需要進行前置放大。前置放大器的核心為運算放大器，運算放大器的性能會直接影響前置放大器的性能。

本文所采用的運算放大器為TLC2272 雙運算放大器，其工作參數如表1 所示。

表1 TLC2272 雙運算放大器工作參數表

2.3 紅外遙控

本文設計的檢測裝置具有警報功能，可以使用遙控器來設定傳感器的報警點。由于傳感器的外包裝無法被打開來操作，需要設計紅外遙控收發裝置。

遠程遙控器和遠程接收器是紅外遙控裝置的主要組成部分。遙控接收器對信號進行檢測和放大，最后解調出編碼脈沖，在發射部分采用NB9148 芯片作為遙控發射裝置。在紅外接收部分采用H20038作為接收組件，其內部含有紅外發生裝置、放大模塊、解調模塊。在濾波環節采用NB9149，其作用是濾除38 kHz的載波信號，進而得到輸入信號的調制信號。

2.4 系統軟件

本文所設計的系統采用S3C44BOX 處理器[3]，其中集成了電源控制器、計數器、存儲器、數模轉換器等大量外設控制器。S3C44BOX 處理器相關參數如表2 所示。

表2 S3C44BOX 處理器相關參數

本處理器可以實現如下功能：

1）產生調制斜波；

2）對數據進行數模轉換；

3）可將方波轉換為光源驅動所需要的高頻正弦波和鎖相放大器所需要的參考信號；

4）完成傳感器報警點的存儲和設定；

5）輸出特定的高頻信號（200～1 000 Hz）。

3 監測分站的設計

3.1 監測分站工作原理

井下監控分站是煤礦井下瓦斯檢測系統的核心，因此監測分站可靠性以及穩定性直接決定了煤礦井下安全系統能否正常運行[4]。監測分站的工作大致分成兩個方面：一方面是通過分站所連接的傳感器來通信，另一方面是通過該部分連接瓦斯傳感器與地面控制中心，進而實現瓦斯傳感器與地面中心站之間的數據傳輸。煤礦井下監測分站的功能框架圖如圖3 所示。

圖3 監測分站整體框架圖

其中監測分站的核心是基于單片機的中央處理單元，中央處理單元主要負責處理每個子傳感器所接收到的數據，它既可以實現數據輸入通道的切換，又可以控制信號的類型。

當系統正常工作時，如果出現系統電壓失穩或軟件程序在運行階段出現問題，則系統會發送出危險信號，同時“看門狗”電路會立刻向中央處理器模塊發出警報，要求監測分站復位，進而保障安全監測分站的穩定運行。

數據采集模塊采集來自于監測分站的信號，此模塊應該直接與井下數據采集傳感器進行通信。在數據采集模塊中，為使得工作效率最大化，在模塊中安裝了8 個通道，因此可以使得井下8 個數據同時被檢測。煤礦井下監測分站會由于傳輸器輸出型號的不同，而導致接收到頻率型和非頻率型兩種制式的信號。其中，頻率型信號經過整形可以被單片機接收，非頻率型信號進行相應的變換后才可以被中央處理單元接收。

智能監測分站在信號傳輸過程中采用RS485通信方式，信號在處理電路中會被驅動、放大、整形等，最后被處理后上傳至地面中心站。

3.2 監測分站功能

本文所設計的檢測分站具有如下功能：

1）傳感器將井下的瓦斯濃度信號上傳到智能監測分站中，進而對濃度信號進行實時的分析處理；

2）礦井下的分站具有獨立的初始化能力，每個分站都可以獨立地將檢測到的信號上傳到地面的控制中心，再由中心站對上傳數據進行分析處理；

3）監測分站在接收到危險信號的情況下，仍然可以進行控制。

3.3 監測分站的硬件與軟件

在智能監測分站中，硬件是功能實現的核心。對于硬件部分的設計，其中中央處理器是由三星公司設計的S3C44BOX 處理器，采用32 位精簡指令集。存儲器模塊是SDRAM以及Flash 兩種存儲器，鑒于經濟性考慮，采用AM29LV1608 作為Flash 存儲器的芯片，采用HY57V561620的芯片作為SDRAM。

對于軟件部分的設計，首先需要對與中央處理器所連接的硬件進行初始化，然后利用驅動控制芯片創建操作系統的工作環境，最后建立數據的實時通信。整個過程需要利用定時器來啟動。

4 結論

基于光纖傳感的瓦斯監測系統，采用基于氣體光譜吸收原理的光纖瓦斯傳感器，傳感器與系統監控分站連接通信，每個分站都可以獨立地將檢測到的信號上傳到地面的控制中心，再由中心站對上傳數據進行分析處理，可以有效防止瓦斯爆炸所帶來的嚴重損害。