提高CO 傳感器抗干擾能力的研究

張曉綺

（晉能控股煤業集團四老溝礦， 山西 大同 037000）

引言

煤炭在我國的能源生產與使用結構中占有較大的比重，是我國主要的能源形式。煤炭的開采過程中會產生一定的瓦斯等有害氣體，煤礦中對一氧化碳（CO）氣體的檢測常作為對煤層是否安全的判別。CO是有毒的可燃性氣體，在煤層中的自燃、瓦斯爆炸、粉塵爆炸都會產生大量的CO 氣體，采用CO 傳感器對煤礦的CO 進行及時的檢測預報，對煤礦的安全生產具有重要的作用[1]。針對CO 傳感器的抗干擾能力進行研究，提高CO 氣體傳感器的可靠性及精度，為煤礦的安全生產提供保障。

1 CO 傳感器干擾來源的分析

在CO 傳感器的使用中，進行CO 氣體檢測的形式多樣，可利用其物理、化學性質進行檢測，同時電化學傳感器以其檢測范圍大、體積小和較高的測量精度，在煤礦的現場環境檢測及安全生產中得到廣泛的應用[2]。電化學傳感器使用的催化劑活性高，電極容易失效，造成靈敏度降低，從而影響測量的準確性。在煤礦環境中使用的CO 傳感器尤其會受到外界環境的干擾，影響傳感器的可靠性，造成測量精度的降低。

CO 傳感器的主要干擾源在性質上可分為靜電感應、電磁感應及漏電流感應。靜電感應又稱電容型耦合，指兩條電路或者元件之間存在寄生電容，造成電荷的傳輸干擾；電磁感應指兩條電路之間存在互感，電流的變化引起磁場耦合[3]；漏電流感應指電子線路的元件或電路板、外殼等絕緣不良，造成漏電電流的增加，特別是在煤礦井下使用中，由于環境的濕度較大，容易引起絕緣體的阻值下降，導致漏電電流增加。

CO 傳感器的干擾形式主要可以分為供電系統的尖峰脈沖干擾，這是由礦井中電焊機、變頻器及鎮流器等用電設備引起的；供電系統的短時失電或過電壓，這是由井下的大型用電設備引起的電流變化造成的[4]；CO 傳感器的電磁抗干擾能力不足或內部構件的老化造成的可靠性降低。

2 CO 傳感器抗電磁干擾能力的增強

在CO 傳感器的干擾形式中，電磁干擾是主要的干擾類型，電磁干擾的組成模型如圖1 所示，可分為干擾源、耦合路徑及接收器三個組成部分。隨著半導體技術的發展，大量的高速半導體器件在使用過程中的邊沿跳變較快，可產生較大的諧波干擾，分散到傳感器的整個頻譜；耦合路徑是信號傳遞過程中受到噪聲的干擾[5]，并隨之傳遞到傳感器的其他電路部分；接收器是電磁干擾被電子電路接受，對信號產生影響。

圖1 電磁干擾模型的結構組成

2.1 耦合路徑干擾抑制

對于CO 傳感器的耦合路徑進行干擾抑制，在信號線上，改變電流的流向，如下頁圖2 所示，在門驅動電路上連接終端阻抗，提高電路布局的合理性及電路板的制作工藝。連接線的電容通過驅動器的輸出電阻進行放電[6]，信號線的電流經過電源線進行傳輸，從而可以減小電源線上的干擾。

圖2 信號線的布置方式示意

在進行線路的布置時，為節省成本，關鍵線路保持盡量短，有限進行時鐘線、處理器與存儲器之間的地址線、處理器之間的數據線的布置。進行傳感器集成電路的設計時，對進行高頻信息交換的電路應盡量減小線路的長度，保持天線的面積盡量減小。為減小電路板上交叉線對電路的影響作用，將電路板的地端進行組網連接，可以減少網眼的面積，從而可以優化對地連接線的長度[7]，并且減小返回線的長度及天線的面積，多層板設置時，將地線間隔2 mm 進行組網。在電路板的空檔區域敷設銅，從而可以通過最短的路徑連接到地端電勢。

2.2 振蕩接收器的干擾抑制

CO 傳感器進行信號傳輸過程中最高的頻率出現在時鐘發生器上，振蕩接收器的信號采用分頻的形式進行傳輸，將振蕩放大器集成到傳感器的處理器上，則振蕩接收器只需外接晶振電路及電容即可[8]，如圖3 所示。

圖3 晶體振蕩電路的連接形式

對晶體振蕩電路進行干擾抑制，則需要減小電路中流過的電流值，晶振具有電感性，在理論分析中，共振電路的輸入端電壓為正弦形式，其輸出端連接電路的高輸入阻抗，這時流過的電流值較小[9]。對電路板的布置如圖4 所示，將共振電路的電容布置在晶振的旁邊，從而可以減小線路的長度，實現電路的較小電流值通過，從而減小電路的干擾性[10]。

圖4 振蕩接收器的布置方案示意圖

3 CO 傳感器信號傳輸抗干擾能力的增強

傳感器進行數據傳輸的過程中，若線路的接觸不良，如傳感器的接插件氧化、壓線端子松動等會造成虛接，引起信號的錯誤傳輸，形成散亂的脈沖信號，造成數據的不準確。在進行線路連接的過程中，對于傳感器的接插件選用穩定可靠的端子，特別是電源模塊及敏感元件模塊。CO 傳感器的外接端口是干擾傳輸的主要通道，干擾噪聲的電流較小，光電耦合器的二極管導通電流為10～15 mA，采用光電耦合器對傳感器端口進行隔離，可對噪聲進行抑制，噪聲干擾由于沒有足夠的電流而消失[11]，適合于CO 傳感器在煤礦的長距離傳輸，可以切斷控制系統與驅動器之間的電路聯系。

CO 傳感器在井下運行的過程中，井下的變頻設備眾多，在變頻設備工作時會釋放強烈的電磁干擾，對信號的傳輸造成影響，特別是由于井下的空間狹小，難以對傳感器的連線及井下的動力電纜進行分開鋪設，煤礦現場中甚至將電纜布置在同一線路管道內，設備的啟停形成的電磁干擾會導致傳感器信號的嚴重擾亂甚至被淹沒。在CO 傳感器進行信號傳輸的過程中，采用數字通訊和頻率通訊相結合的方式進行信號傳輸，傳感器的檢測信息以數字的形式進行傳輸，經過信號轉換器轉換為頻率型信號進行分站的傳輸，由此可提高傳感器抗干擾的能力。

4 結語

CO 傳感器是煤礦開采過程中使用較多的傳感器，對工作面CO 氣體的檢測對煤礦的安全生產具有重要的作用。CO 傳感器在井下的使用過程中，由于存在多種形式的干擾，造成傳感器的可靠性及精度不足，影響煤礦的安全檢測及生產。研究表明，CO 傳感器電磁抗干擾能力不足是主要原因，針對電磁干擾的耦合路徑及接收器電路，進行電路的優化設計，提高電路板自身抗電磁干擾的能力。進一步針對CO 傳感器在信號傳輸過程中受到的電磁干擾進行分析，采用光電耦合器對傳感器的端口進行隔離，并將數字通訊和頻率通信的方式相結合進行信號增強，從而在整體上增強CO 傳感器的抗干擾能力，保證使用過程中的穩定性，對煤礦的安全生產提供保障。