CN111397653A - 煤矿用传感器的故障诊断系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种煤矿用传感器的故障诊断系统，包括：传感器电路、传感器参比电路、切换开关以及计算控制单元；一种煤矿用传感器的故障诊断方法，包括：若传感器电压幅值VS1大于诊断阈值，则计算参比电路电压幅值VC1，否则，返回重新执行；若电压幅值VC1符合范围值，则传感器存在故障，否则，计算参比电路电压幅值VC2；若电压幅值VC2符合范围值，则计算传感器电压幅值VS2，否则，供电电源出现故障；若电压幅值VS2大于诊断阈值，则传感器与信号处理电路同时出现故障，否则，信号处理电路出现故障。本发明能够准确诊断传感器是否发生故障，从而保证获取到稳定可靠的监测数据，保障了煤矿的安全生产与工人的生命安全。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿安全领域，具体涉及一种煤矿用传感器的故障诊断系统及方法。
背景技术
随着科技的进步，在煤矿井下，用于监测气体浓度的传感器设备得到了广泛应用。其中，对于煤矿安全监控系统，甲烷、一氧化碳等气体的浓度是衡量煤矿井下环境安全的重要监测指标，但是在煤矿安全监控过程中，由于甲烷传感器、一氧化碳传感器等监测设备受湿度、粉尘、碰撞、冲击等因素的影响，时常发生传感器敏感元件损坏以及信号处理电路器件异常的情况，进而造成传输信号突变，诱发异常报警，严重影响了传感器监测的有效性。
因此，为解决以上问题，需要一种煤矿用传感器的故障诊断系统及方法，能够准确诊断传感器是否发生故障，从而保证获取到稳定可靠的监测数据，保障了煤矿的安全生产与工人的生命安全。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供煤矿用传感器的故障诊断系统及方法，能够准确诊断传感器是否发生故障，从而保证获取到稳定可靠的监测数据，保障了煤矿的安全生产与工人的生命安全。
一种煤矿用传感器的故障诊断系统，包括：传感器电路、传感器参比电路、切换开关以及计算控制单元；
所述切换开关为双通道切换开关且切换开关的两个通道可互相切换；
所述传感器电路的输出端连接于所述切换开关的第一通道输入端；
所述传感器参比电路的输出端连接于所述切换开关的第二通道输入端；
所述切换开关的第一通道输出端和第二通道输出端分别与计算控制单元连接。
进一步，还包括2个具有相同结构的信号处理模块；其中一个信号处理模块的输入端与所述切换开关的第一通道输出端连接，且该信号处理模块的输出端与计算控制单元第一信号输入端连接；另外一个信号处理模块的输入端与所述切换开关的第二通道输出端连接，且该信号处理模块的输出端与计算控制单元第二信号输入端连接。
进一步，所述计算控制单元为2路至少12位的A/D采样转换通道的处理芯片。
进一步，所述传感器参比电路为恒压电路。
一种利用权利要求1-4任意一项权利要求的煤矿用传感器的故障诊断方法，包括如下步骤：
S1.确定传感器电路输出电压的诊断阈值VFault；
S2.确定传感器参比电路输出电压的范围值Vfv；
S3.将传感器电路输出电压接入切换开关的第一通道，并由计算控制单元计算传感器电路输出电压的幅值VS1；
S4.判断传感器电路输出电压的幅值VS1是否大于诊断阈值VFault，若是，则进入步骤S5；若否，则根据电压幅值VS1计算传感器测量值，并返回执行步骤S3；
S5.将传感器参比电路输出电压接入切换开关的第一通道，并由计算控制单元计算传感器参比电路输出电压的幅值VC1；
S6.判断传感器参比电路输出电压的幅值VC1是否在范围值Vfv的范围内，若是，则传感器存在故障，并进行故障1报警；若否，则进入步骤S7；
S7.将传感器参比电路输出电压接入切换开关的第二通道，并由计算控制单元计算传感器参比电路输出电压的幅值VC2；
S8.判断传感器参比电路输出电压的幅值VC2是否在范围值Vfv的范围内，若是，则进入步骤S9；若否，则传感器的供电电源出现故障，并进行故障2报警；
S9.将传感器电路输出电压接入切换开关的第二通道，并由计算控制单元计算传感器电路输出电压的幅值VS2；
S10.判断传感器电路输出电压的幅值VS2是否大于诊断阈值VFault，若是，则传感器与信号处理电路1同时出现故障，并进行故障3报警；若否，则信号处理电路1出现故障，并进行故障4报警。
进一步，步骤S1中，根据如下步骤确定传感器电路输出电压的诊断阈值VFault：
S11.采集传感器的工作电压区间[A,B]；其中，A为工作电压下限值；B为工作电压上限值；
S12.根据如下公式确定所述诊断阈值VFault：
VFault＝μ(B-A)+B；
其中,μ为设定系数。
进一步，步骤S2中，根据如下步骤确定传感器参比电路输出电压的范围值Vfv：
S21.采集传感器的工作电压区间[A,B]；其中，A为工作电压下限值；B为工作电压上限值；
S22.所述范围值Vfv大于A-λ且小于A+λ；其中，λ为设定的误差值。
本发明的有益效果是：本发明公开的一种煤矿用传感器的故障诊断系统及方法，通过将传感器输出电压的幅值与设定的阈值进行比较，判断传感器是否发生故障，通过将传感器参比电路输出电压的幅值与设定的范围值进行比较，进一步判断传感器是否发生故障，从而保证获取到稳定可靠的监测数据，保障了煤矿的安全生产与工人的生命安全。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为本发明的传感器测量电路示意图；
其中，U1为多路电子切换开关；U2为处理芯片；VS为传感器电路输出电压；V1为恒压参比电路输出电压；
图3为本发明的传感器电路和恒压参比电路示意图；
其中，U3为运放器；R1与R2均为分压电阻；Vi为激励电源的额定输出电压；VS为传感器电路输出电压；V1为恒压参比电路输出电压。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明，如图所示：
本发明的煤矿用传感器的故障诊断系统，包括：传感器电路、传感器参比电路、切换开关以及计算控制单元；
所述切换开关为双通道切换开关且切换开关的两个通道可互相切换；
所述传感器电路的输出端连接于所述切换开关的第一通道输入端；
所述传感器参比电路的输出端连接于所述切换开关的第二通道输入端；
所述切换开关的第一通道输出端和第二通道输出端分别与计算控制单元连接。
本实施例中，所述传感器电路包括传感器敏感元件以及电压信号生成电路；所述激励电源为所述传感器电路供电，采用现有技术，在此不再赘述；所述传感器敏感元件可为检测气体浓度的元件，比如：载体催化甲烷元件以及电化学一氧化碳元件等，还可为电阻应变式压力元件以及测量温度的元件；如果传感器敏感元件为电流输出型设备，则电压信号生成电路采用电阻分压式连接方式形成，如果传感器敏感元件为电压输出型设备，那么，电压信号生成电路采用现有的放大电路，或者电压信号生成电路可以取消。
本实施例中，所述传感器参比电路为恒压参比电路，本实施例中采用分压电阻R1与R2、以及运放元件组成，其中，电阻R1和电阻R2进行限流分压，运放元件构成电压跟随器，起到隔离以及稳定电压的作用，所述运放元件芯片型号可为AD8539。当然，恒压参比电路还可以采用其他的现有恒压电路；对于传感器参比电路以及传感器电路均采用激励电源进行供电，激励电源采用现有的直流电压源。
本实施例中，所述切换开关为双向双通道单刀双掷低阻抗的多路电子切换开关，所述多路电子切换开关芯片型号可为TS5A23159，其导通阻抗低于2Ω，尽量避免了多路电子切换开关对测量数据的影响，保证了测量数据的有效性。
本实施例中，所述计算控制单元可采用单片机、DSP、FPGA、微处理器等，具有2路A/D采样转换通道，且A/D采样转换精度至少为12位，保证了故障诊断具备较高的精确度，优选微处理器，所述微处理器芯片型号可为STM32F072；所述2路A/D采样转换通道分别为A/D1采样转换通道以及A/D2采样转换通道。
本实施例中，还包括2个信号处理模块，所述2个信号处理模块分别为信号处理电路1以及信号处理电路2，所述信号处理电路1与所述信号处理电路2具有相同的电路结构，分别用于对电压信号进行放大、滤波处理，采用现有的放大电路和滤波电路即可，属于现有技术，在此不加以赘述。
所述信号处理电路1，其输入端连接于切换开关的第一通道输出端，其输出端与计算控制单元的采样转换通道A/D1输入端连接。
所述信号处理电路2，其输入端连接于切换开关的第二通道输出端，其输出端与计算控制单元的采样转换通道A/D2输入端连接。
一种煤矿用传感器的故障诊断方法，包括如下步骤：
S1.确定传感器电路输出电压的诊断阈值VFault；
S2.确定传感器参比电路输出电压的范围值Vfv；
S3.将传感器电路输出电压接入切换开关的第一通道，并由计算控制单元计算传感器电路输出电压的幅值VS1；
S4.判断传感器电路输出电压的幅值VS1是否大于诊断阈值VFault，若是，则进入步骤S5；若否，则根据电压幅值VS1计算传感器测量值，并返回执行步骤S3；
S5.将传感器参比电路输出电压接入切换开关的第一通道，并由计算控制单元计算传感器参比电路输出电压的幅值VC1；
S6.判断传感器参比电路输出电压的幅值VC1是否在范围值Vfv的范围内，若是，则传感器存在故障，并进行故障1报警；若否，则进入步骤S7；
S7.将传感器参比电路输出电压接入切换开关的第二通道，并由计算控制单元计算传感器参比电路输出电压的幅值VC2；
S8.判断传感器参比电路输出电压的幅值VC2是否在范围值Vfv的范围内，若是，则进入步骤S9；若否，则传感器的供电电源出现故障，并进行故障2报警；
S9.将传感器电路输出电压接入切换开关的第二通道，并由计算控制单元计算传感器电路输出电压的幅值VS2；
S10.判断传感器电路输出电压的幅值VS2是否大于诊断阈值VFault，若是，则传感器与信号处理电路1同时出现故障，并进行故障3报警；若否，则信号处理电路1出现故障，并进行故障4报警。
本实施例中，步骤S1中，以一氧化碳传感器为例，经过信号处理电路1和信号处理电路2处理后的电压信号分别进入微处理器U2的两个A/D采样转换通道，根据微处理器U2程序算法实现对一氧化碳气体在0～1000ppm量程范围内的浓度测量。
根据如下步骤确定一氧化碳传感器电路输出电压VS的诊断阈值VFault：
S11.所述一氧化碳传感器采用的是电化学一氧化碳元件，一氧化碳传感器电路所用的激励电源的额定输出电压Vi为3V，其正常量程工作范围内测量信号为70nA/ppm，一氧化碳传感器量程为1000ppm，根据电化学一氧化碳元件工作原理，电压信号生成电路将量程内的电流变化转换为1.20～2.00V，即一氧化碳传感器输出电压VS范围为1.20～2.00V；则所述一氧化碳传感器的正常工作电压区间为[1.20V,2.00V]，下限值A为1.20V，上限值B为2.00V；
S12.根据如下公式确定一氧化碳传感器电路输出电压的诊断阈值VFault：
VFault＝μ(B-A)+B；
其中,μ为设定系数，取值为0.2；则一氧化碳传感器输出电压的诊断阈值VFault为2.16V。
本实施例中，步骤S2中，根据如下步骤确定一氧化碳传感器参比电路输出电压V1的范围值Vfv：
S21.根据步骤S11，则所述一氧化碳传感器的正常工作电压区间为[1.20V,2.00V]，下限值A为1.20V，上限值B为2.00V；
S22.所述范围值Vfv大于A-λ且小于A+λ；其中，λ为设定的误差值，取值为0.02V，则一氧化碳传感器参比电路输出电压V1的范围值Vfv大于1.18V且小于1.22V。
本实施例中，步骤S3中，微处理器U2发出控制信号K1控制多路电子切换开关U1的控制引脚IN1为低电平，公共引脚COM1与引脚NC1导通，而与引脚NO1断开，最终与信号处理电路1连通，形成多路电子切换开关U1的第一通道；一氧化碳传感器电路输出电压VS经信号处理电路1处理后进入微处理器U2的采样转换通道A/D1，微处理器U2计算出输出电压VS的幅值VS1。微处理器U2发出控制信号K2控制多路电子切换开关U1的控制引脚IN2为低电平，公共引脚COM2与引脚NC2导通，而与引脚NO2断开，一氧化碳传感器参比电路输出电压V1经信号处理电路2处理后进入微处理器U2的采样转换通道A/D2。
本实施例中，步骤S4中，判断一氧化碳传感器电路输出电压VS的幅值VS1是否大于诊断阈值VFault(2.16V)，若是，则进入步骤S5；若否，则微处理器U2根据电压幅值VS1利用计算公式函数计算一氧化碳传感器的测量值，所述计算公式函数采用现有，在此不再赘述，并返回执行步骤S3。
本实施例中，步骤S5中，微处理器U2发出控制信号K1控制多路电子切换开关U1的控制引脚IN1为高电平，公共引脚COM1与引脚NC1断开。微处理器U2发出控制信号K2控制多路电子切换开关U1的控制引脚IN2为高电平，公共引脚COM2与引脚NO2导通，最终与信号处理电路1连通，形成多路电子切换开关U1的第一通道。一氧化碳传感器参比电路输出电压V1经信号处理电路1处理后进入微处理器U2的采样转换通道A/D1，微处理器U2计算出输出电压V1的幅值VC1为2.1V。
本实施例中，步骤S6中，判断一氧化碳传感器参比电路输出电压的幅值VC1(2.1V)是否在范围值Vfv(大于1.18V且小于1.22V)的范围内，若是，则传感器存在故障，并进行故障1报警；若否，则进入步骤S7。
本实施例中，步骤S7中，微处理器U2发出控制信号K1控制多路电子切换开关U1的引脚IN1为低电平，公共引脚COM1与引脚NC1导通，而与NO1引脚断开。微处理器U2发出控制信号K2控制多路电子切换开关U1的引脚IN2为低电平，公共引脚COM2与引脚NC2导通，而与引脚NO2断开，最终与信号处理电路2连通，形成多路电子切换开关U1的第二通道。则一氧化碳传感器参比电路输出电压V1经信号处理电路2处理后进入微处理器U2的采样转换通道A/D2，微处理器U2计算输出电压V1的幅值VC2为1.21V。
本实施例中，步骤S8中，判断传感器参比电路输出电压的幅值VC2(2.1V)是否在范围值Vfv(大于1.18V且小于1.22V)的范围内，若是，则进入步骤S9；若否，则判定一氧化碳传感器电路的激励电源存在故障，一氧化碳传感器测量功能禁止，并进行故障2报警。
本实施例中，步骤S9中，微处理器U2发出控制信号K2控制多路电子切换开关U1的引脚IN2为高电平，公共引脚COM2与引脚NC2断开。微处理器U2发出控制信号K1控制多路电子切换开关U1的引脚IN1为高电平，公共引脚COM1与引脚NC1断开，而与引脚NO1导通，最终与信号处理电路2连通，形成多路电子切换开关U1的第二通道。一氧化碳传感器电路输出电压VS经信号处理电路2后进入微处理器U2的采样转换通道A/D2，微处理器U2计算输出电压VS的幅值VS2为1.42V。
本实施例中，步骤S10中，判断输出电压VS的幅值VS2(1.42V)是否大于诊断阈值VFault(2.16V)，若是，则一氧化碳传感器测量功能禁止，并判定信号处理电路1和一氧化碳传感器电路同时存在故障，并进行故障3报警；若否，则一氧化碳传感器继续测量，并判定信号处理电路1存在故障，并进行故障4报警，提示用户及时维修。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种煤矿用传感器的故障诊断系统，其特征在于：包括传感器电路、传感器参比电路、切换开关以及计算控制单元；
所述切换开关为双通道切换开关且切换开关的两个通道可互相切换；
所述传感器电路的输出端连接于所述切换开关的第一通道输入端；
所述传感器参比电路的输出端连接于所述切换开关的第二通道输入端；
所述切换开关的第一通道输出端和第二通道输出端分别与计算控制单元连接。
2.根据权利要求1所述的煤矿用传感器的故障诊断系统，其特征在于：还包括2个具有相同结构的信号处理模块；其中一个信号处理模块的输入端与所述切换开关的第一通道输出端连接，且该信号处理模块的输出端与计算控制单元第一信号输入端连接；另外一个信号处理模块的输入端与所述切换开关的第二通道输出端连接，且该信号处理模块的输出端与计算控制单元第二信号输入端连接。
3.根据权利要求1所述的煤矿用传感器的故障诊断系统，其特征在于：所述计算控制单元为2路至少12位的A/D采样转换通道的处理芯片。
4.根据权利要求1所述的煤矿用传感器的故障诊断系统，其特征在于：所述传感器参比电路为恒压电路。
5.一种利用权利要求1-4任意一项权利要求的煤矿用传感器的故障诊断方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.确定传感器电路输出电压的诊断阈值VFault；
S2.确定传感器参比电路输出电压的范围值Vfv；
S3.将传感器电路输出电压接入切换开关的第一通道，并由计算控制单元计算传感器电路输出电压的幅值VS1；
S4.判断传感器电路输出电压的幅值VS1是否大于诊断阈值VFault，若是，则进入步骤S5；若否，则根据电压幅值VS1计算传感器测量值，并返回执行步骤S3；
S5.将传感器参比电路输出电压接入切换开关的第一通道，并由计算控制单元计算传感器参比电路输出电压的幅值VC1；
S6.判断传感器参比电路输出电压的幅值VC1是否在范围值Vfv的范围内，若是，则传感器存在故障，并进行故障1报警；若否，则进入步骤S7；
S7.将传感器参比电路输出电压接入切换开关的第二通道，并由计算控制单元计算传感器参比电路输出电压的幅值VC2；
S8.判断传感器参比电路输出电压的幅值VC2是否在范围值Vfv的范围内，若是，则进入步骤S9；若否，则传感器的供电电源出现故障，并进行故障2报警；
S9.将传感器电路输出电压接入切换开关的第二通道，并由计算控制单元计算传感器电路输出电压的幅值VS2；
S10.判断传感器电路输出电压的幅值VS2是否大于诊断阈值VFault，若是，则传感器与信号处理电路1同时出现故障，并进行故障3报警；若否，则信号处理电路1出现故障，并进行故障4报警。
6.根据权利要求5所述的煤矿用传感器的故障诊断方法，其特征在于：步骤S1中，根据如下步骤确定传感器电路输出电压的诊断阈值VFault：
S11.采集传感器的工作电压区间[A,B]；其中，A为工作电压下限值；B为工作电压上限值；
S12.根据如下公式确定所述诊断阈值VFault：
VFault＝μ(B-A)+B；
其中,μ为设定系数。
7.根据权利要求5所述的煤矿用传感器的故障诊断方法，其特征在于：步骤S2中，根据如下步骤确定传感器参比电路输出电压的范围值Vfv：
S21.采集传感器的工作电压区间[A,B]；其中，A为工作电压下限值；B为工作电压上限值；
S22.所述范围值Vfv大于A-λ且小于A+λ；其中，λ为设定的误差值。
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