CN103454195A - 一种基于静电感应的矿井粉尘浓度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明基于静电感应的矿井粉尘浓度传感器，包括金属支架、金属屏蔽罩、绝缘管、左右密封环、金属电极、风机外罩、风机和电路盒。金属屏蔽罩和绝缘管通过左右密封环扣合，绝缘管与金属屏蔽罩间形成密闭的屏蔽空间。绝缘管构成直通式风道，风机外罩固定连接在金属屏蔽罩右端，风机安装在风机外罩内。3个金属电极经金属连接板相互连接，位于绝缘管内壁的凹槽中。金属支架屏蔽接地，金属屏蔽罩上方的电路盒安装有控制电路模块，金属电极的感应信号经控制电路模块输出粉尘浓度的监测信号。本发明有效地解决了探头表面因粉尘粘附、堆积、分布变化等造成传感器灵敏度降低的问题，能够很好地克服光学传感器的缺点，抗干扰能力强，灵敏度高，结构简单。

Description

一种基于静电感应的矿井粉尘浓度传感器

技术领域

本发明涉及检测技术，特别涉及一种基于静电感应的矿井粉尘浓度传感器。

背景技术

粉尘是煤矿主要灾害之一，长期吸入，可引起尘肺病，而且粉尘具有爆炸性，给煤矿生产造成安全隐患。因此，必须对煤矿井下粉尘进行准确、实时检测，掌握井下粉尘浓度变化情况。目前普遍采用的粉尘传感器是激光散射传感器，其操作简单，测量速度快。但是这类传感器采用的是光学原理，粉尘容易堆积在光学镜头上，需要定期清理镜头，不然就会导致传感器的灵敏度降低，而且光散射传感器内部的风道过于复杂，容易沉积粉尘从而堵塞风道，影响传感器寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的技术缺陷，提供一种可以有效解决表面因粉尘粘附、堆积、分布变化等造成传感器灵敏度降低的问题，并能够很好地克服光学传感器的缺点，抗干扰能力强，灵敏度高的结构简单的基于静电感应的矿井粉尘浓度传感器。

为达到上述目的，本发明提供的基于静电感应的矿井粉尘浓度传感器，包括金属支架，还包括金属屏蔽罩、绝缘管、左密封环、右密封环、金属电极、风机外罩、风机和电路盒，其中：金属屏蔽罩和绝缘管均呈圆筒形，金属屏蔽罩的左端和绝缘管的左端通过左密封环扣合相连接，金属屏蔽罩的右端和绝缘管的右端通过右密封环扣合相连接，绝缘管外壁与金属屏蔽罩内壁之间形成一个密闭的屏蔽空间，绝缘管的内壁构成直通式风道，风机外罩呈喇叭形，固定连接在金属屏蔽罩的右端，风机安装在风机外罩内；金属电极为3个，均呈圆环形，3个金属电极通过金属连接板相互连接，绝缘管的内壁中部设有等间距的电极凹槽，电极凹槽通过水平的连接凹槽相互连接在一起，3个金属电极分别位于电极凹槽中，金属连接板位于连接凹槽中；金属支架设有屏蔽接地，金属屏蔽罩安装在金属支架上，电路盒安装在金属屏蔽罩上方，电路盒内腔中安装有控制电路模块，电路盒的前方设有窗口，窗口处安装有数码管显示模块，金属屏蔽罩的上壁和电路盒的下壁分别设有通孔，金属电极的连接导线穿过两通孔与控制电路模块电相连；金属电极的感应信号接至控制电路模块，控制电路模块输出粉尘浓度的监测信号。

本发明基于静电感应的矿井粉尘浓度传感器，其中所述控制电路模块包括信号放大电路、模数转换电路、DSP处理器、报警电路和信号输出电路，所述信号放大电路、模数转换电路、DSP处理器与数码管显示模块依次相连，所述报警电路和信号输出电路分别与DSP处理器相连，金属电极的感应信号经信号放大电路、模数转换电路送到DSP处理器，DSP处理器的输出接至数码管显示模块，并由报警电路和信号输出电路输出粉尘浓度的监测信号。

本发明基于静电感应的矿井粉尘浓度传感器，其中所述信号输出电路的输出信号为标准信号输出，包括4-20mA电流信号输出、RS232/RS485信号输出和CAN总线输出。

本发明基于静电感应的矿井粉尘浓度传感器，其中所述金属电极采用紫铜片制成，金属屏蔽罩和金属支架使用铝材料制成，绝缘管和风机外罩采用聚四氟乙烯制成。

本发明基于静电感应的矿井粉尘浓度传感器，其中所述电路盒设有盒盖，盒盖四周安装有橡胶垫，电路盒的窗口前方设有透明有机玻璃封堵。

本发明基于静电感应的矿井粉尘浓度传感器，其中所述风机选用直流电机，风机与电路盒电相连，由控制电路模块供电。

本发明基于静电感应的矿井粉尘浓度传感器的优点和积极效果在于：由于采用了基于静电感应法的非接触式金属电极，感应式金属电极只对运动的颗粒产生反应，静态的颗粒或者堆积的颗粒对于电极没有影响，因而有效地解决了探头表面因粉尘粘附、堆积、分布变化等造成传感器灵敏度降低的问题。采用直通式大口径风道不会堵塞，能够很好地克服光学传感器的缺点。电极与控制电路都用金属罩密封，抗干扰能力强，其结构简单、免维护、灵敏度高。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本发明基于静电感应的矿井粉尘浓度传感器的结构爆炸图；

图2为本发明基于静电感应的矿井粉尘浓度传感器的结构剖视示意图；

图3为金属电极和绝缘管的结构示意图；

图4为控制电路模块的原理框图。

具体实施方式

参看图1和图2，本发明基于静电感应的矿井粉尘浓度传感器，包括金属支架9、金属屏蔽罩4、绝缘管2、左密封环12、右密封环13、金属电极1、风机外罩8、风机7和电路盒5。其中：金属电极1采用紫铜片制成，金属屏蔽罩4和金属支架9使用铝材料制成。绝缘管和风机外罩采用聚四氟乙烯制成，风机选用直流电机。

金属屏蔽罩4和绝缘管2均呈圆筒形，金属屏蔽罩4的左端和绝缘管2的左端通过左密封环12扣合相连接，金属屏蔽罩4的右端和绝缘管2的右端通过右密封环13扣合相连接，绝缘管2外壁与金属屏蔽罩4内壁之间形成一个密闭的屏蔽空间10，绝缘管2的内壁构成直通式风道3，风机外罩8呈喇叭形，固定连接在金属屏蔽罩4的右端。风机7安装在风机外罩8内。风机7与电路盒5电相连，由控制电路模块6供电进行工作。

结合参看图3，金属电极1为3个，均呈圆环形，3个金属电极1通过金属连接板14相互连接，绝缘管2的内壁中部设有等间距的电极凹槽，电极凹槽通过水平的连接凹槽相互连接在一起，3个金属电极1分别位于电极凹槽中，金属连接板14位于连接凹槽中。

金属支架9设有屏蔽接地，金属屏蔽罩4安装在前后两个金属支架9上，电路盒5安装在金属屏蔽罩4上方。电路盒5和金属屏蔽罩4通过金属支架9进行连接固定，形成一个共地的屏蔽整体，既能防止外界噪声对信号的干扰，又能防止电路板因受潮或进尘造成的故障。金属支架9上还留有四个螺孔，便于传感器现场的安装于固定。

电路盒5设有盒盖，盒盖四周安装有橡胶垫。电路盒5的窗口前方设有透明有机玻璃封堵。电路盒5内腔中安装有控制电路模块6，电路盒5的前方设有窗口，窗口处安装有数码管显示模块，金属屏蔽罩4的上壁和电路盒5的下壁分别设有通孔，金属电极1的连接导线11穿过两通孔与控制电路模块电相连。

参看图4，控制电路模块6包括信号放大电路、模数转换电路、DSP处理器、报警电路、数模转换电路和信号输出电路，信号放大电路、模数转换电路、DSP处理器与数码管显示模块依次相连，报警电路和信号输出电路分别与DSP处理器相连。

金属电极1的感应信号经信号放大电路、模数转换电路将模拟信号转换为数字信号，送入DSP处理器进行信号的处理，处理完的信号送到数码管显示模块，并由报警电路和信号输出电路输出粉尘浓度的监测信号。信号输出电路的输出信号为标准信号输出，包括4-20mA电流信号输出、RS232/RS485信号输出和CAN总线输出。

具体电路构成是：信号放大电路选用芯片LMC6001构成，芯片LMC6001是超低输入电流放大器，输入电流可达pA级，而且芯片LMC6001有较高的信噪比，所以芯片LMC6001很适合应用在静电场合。模数转换电路采用高精度的Σ-Δ型转换器ADS1212，它具有分辨率高、线性度好、抗干扰能力强的特点，芯片ADS1212具有SPI接口，能够很好的与DSP处理器进行通信。DSP处理器选用芯片TMS320F2812，其采用哈佛总线结构，CPU最高频率可达150MHz,指令周期为6.67ns。一个周期内能够完成32位×32位的乘法累加运算，片内含有128K×16位的FLASH和18K×16位的SRAM，具有丰富的SCI、SPI、CAN等通信接口。数码管显示模块采用LED数码管，数码管通过锁存器与DSP的I/O口相连，最高显示四位浓度值。报警电路采用的是光电开光控制的蜂鸣器。信号输出电路设有4-20mA电流输出，DSP处理器输出的信号经过由芯片AD694构成的数模转换电路后，实现电流输出；RS232/RS485信号输出通过MAX232/MAX485芯片与DSP处理器的串行通信接口SCI连接，完成电平转换，实现232/485标准信号输出；CAN总线输出通过CAN总线收发器82C250与DSP处理器的CAN通信接口连接，实现CAN通信。

下面说明本发明基于静电感应的矿井粉尘浓度传感器的工作过程。

传感器上电，在风机7的作用下，粉尘会被从风机外罩8一端吸入风道3中，均匀后从另一端排出。由于粉尘摩擦、碰撞后自身会带电，因此粉尘流通过风道3时就会在金属电极1上产生相对等的微弱感应电荷，电荷在金属电极1上移动形成电流信号，电流信号由信号线11传输到控制电路模块6，控制电路模块6对信号进行放大，DSP处理器进行信号的处理后通过数码管进行浓度显示。在浓度过高时会触发报警电路进行报警。信号也可以通过各种信号输出电路与上位机进行通信，从而实现对粉尘浓度的实时监测。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计方案前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (6)

1.一种基于静电感应的矿井粉尘浓度传感器，包括金属支架（9），其特征在于：还包括金属屏蔽罩（4）、绝缘管（2）、左密封环（12）、右密封环（13）、金属电极（1）、风机外罩（8）、风机（7）和电路盒（5），其中：

所述金属屏蔽罩（4）和绝缘管（2）均呈圆筒形，所述金属屏蔽罩（4）的左端和绝缘管（2）的左端通过所述左密封环（12）扣合相连接，所述金属屏蔽罩（4）的右端和绝缘管（2）的右端通过所述右密封环（13）扣合相连接，所述绝缘管（2）外壁与所述金属屏蔽罩（4）内壁之间形成一个密闭的屏蔽空间（10），所述绝缘管（2）的内壁构成直通式风道（3），所述风机外罩（8）呈喇叭形，固定连接在所述金属屏蔽罩（4）的右端，所述风机（7）安装在所述风机外罩（8）内；

所述金属电极（1）为3个，均呈圆环形，3个所述金属电极（1）通过金属连接板（14）相互连接，所述绝缘管（2）的内壁中部设有等间距的电极凹槽，所述电极凹槽通过水平的连接凹槽相互连接在一起，3个所述金属电极（1）分别位于所述电极凹槽中，所述金属连接板（14）位于所述连接凹槽中；

所述金属支架（9）设有屏蔽接地，所述金属屏蔽罩（4）安装在所述金属支架（9）上，所述电路盒（5）安装在所述金属屏蔽罩（4）上方，所述电路盒（5）内腔中安装有控制电路模块（6），所述电路盒（5）的前方设有窗口，所述窗口处安装有数码管显示模块，所述金属屏蔽罩（4）的上壁和电路盒（5）的下壁分别设有通孔，所述金属电极（1）的连接导线穿过两通孔与所述控制电路模块（6）电相连；

所述金属电极（1）的感应信号接至所述控制电路模块（6），所述控制电路模块（6）输出粉尘浓度的监测信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于静电感应的矿井粉尘浓度传感器，其特征在于：所述控制电路模块（6）包括信号放大电路、模数转换电路、DSP处理器、报警电路和信号输出电路，所述信号放大电路、模数转换电路、DSP处理器与所述数码管显示模块依次相连，所述报警电路和信号输出电路分别与所述DSP处理器相连，所述金属电极（1）的感应信号经所述信号放大电路、模数转换电路送到所述DSP处理器，所述DSP处理器的输出接至所述数码管显示模块，并由所述报警电路和信号输出电路输出粉尘浓度的监测信号。

3.根据权利要求2所述的一种基于静电感应的矿井粉尘浓度传感器，其特征在于：所述信号输出电路的输出信号为标准信号输出，包括4-20mA电流信号输出、RS232/RS485信号输出和CAN总线输出。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于静电感应的矿井粉尘浓度传感器，其特征在于：所述金属电极（1）采用紫铜片制成，所述金属屏蔽罩（4）和金属支架（9）使用铝材料制成，所述绝缘管（3）和风机外罩（6）采用聚四氟乙烯制成。

5.根据权利要求4所述的一种基于静电感应的矿井粉尘浓度传感器，其特征在于：所述电路盒（5）设有盒盖，所述盒盖四周安装有橡胶垫，所述电路盒（5）的窗口前方设有透明有机玻璃封堵。

6.根据权利要求5所述的一种基于静电感应的矿井粉尘浓度传感器，其特征在于：所述风机（7）选用直流电机，所述风机（7）与所述电路盒（5）电相连，所述风机（7）由所述控制电路模块（6）供电。

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