CN203443915U - 基于微弱信号检测的矿用一氧化碳传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于微弱信号检测的矿用一氧化碳传感器，通过采用高性能电化学式气敏元器件、本安电路、红外遥控调校技术和单片微控制器技术设计；采用线性恒温检测桥路设计，增强了传感器抗高浓度冲击、抗环境温度的能力，使用一定时间后，会自动对温度、零点、灵敏度校正，使零点和灵敏度漂移得到消除，有效提高了传感器的稳定性。用于煤矿井下采掘工作面，回风巷道等有瓦斯爆炸气体环境中，能够对一氧化碳浓度进行连续检测，具有良好的重复性和稳定性、检测灵敏度高，测量范围宽，兼容性强，实现了免开盖红外遥控调校，使用寿命长、操作方便。

Description

基于微弱信号检测的矿用一氧化碳传感器

技术领域

本实用新型涉及一种矿用一氧化碳传感器，具体涉及基于微弱信号检测的矿用一氧化碳传感器。

背景技术

在我国，数字化矿山安全生产过程中，每年都会发生一氧化碳中毒事件，由于一氧化碳与血液中的血红素的结合能力是氧气的240倍，因此，当它进入到人体血液循环系统后，就会大量取代氧而与血红素结合，抑制血液中氧气的释放，从而导致发生头痛、耳鸣、呕吐、血压降低等不同症状；因此预防事故的发生和保证矿山安全生产有着十分重要的意义，在矿井下有害气体自动化检测中，一氧化碳是重要的检测参数之一。目前，在对一氧化碳的测量主要采用金属氧化物半导体型，此种测量方法由于金属氧化物本身材料原因，容易受到还原性气体、有机化合物的干扰。签于此，本实用新型采用电化学电解质型一氧化碳敏感元件，并设计放大调零电路、温度控制电路，会自动对温度、零点、灵敏度校正，提高了一氧化碳传感器的抗高浓度冲击、抗环境温度变化的能力。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种增强了一氧化碳传感器抗高浓度冲击、抗环境温度变化的能力，使用一定时间后，会自动对温度、零点、灵敏度校正的传感器。

针对上述目的，本实用新型采用以下技术方案实现：基于微弱信号检测的矿用一氧化碳传感器，包括外壳，所述外壳上方装有的悬挂装置，外壳下方固定有报警指示灯罩，外壳一侧设置有线缆接口，外壳的面板设有报警器和显示器窗口，外壳内安装有控制电路板主板，所述报警指示灯罩为双筒结构，内外筒间一端为封闭端并通过封闭端固定于外壳的下方，内外筒间的另一端安装有透光罩，内筒的外周安装有LED发光二极管，内筒内装有一氧化碳敏感元件；控制电路板主板包括电源电路、LED显示电路、数据处理器、声光报警电路、频率信号输出电路、红外遥控接收电路、信号放大数字调零电路、前端数据采集电路和温度控制电路，电源电路分别与LED显示电路、数据处理器、声光报警电路、频率信号输出电路、红外遥控接收电路、信号放大数字调零电路、前端数据采集电路和温度控制电路连接，数据处理器分别与LED显示电路、声光报警电路、频率信号输出电路、红外遥控接收电路、信号放大数字调零电路、前端数据采集电路、温度控制电路连接，一氧化碳敏感元件的输出端与前端数据采集电路的输入端连接，声光报警电路的输出端连接报警器的输入端。

所述报警器为报警灯和/或蜂鸣器。

本实用新型的有益效果在于：

1.针对矿井一氧化碳监测中存在的问题，综合运用电子科学、控制理论、模式识别、估计理论等新技术，采用高性能电化学式气敏元器件、本安电路、红外遥控调校技术和单片微控制器技术设计。

2.采用线性恒温检测桥路设计，增强了传感器抗高浓度冲击、抗环境温度的能力，使用一定时间后，会自动对温度、零点、灵敏度校正，此自动校正过程用户不需进行干预不影响正常使用，使零点漂移得到消除，可长期不需校正零点，使灵敏度得到较大修正，有效提高了传感器的稳定性。

3.用于煤矿井下采掘工作面，回风巷道等有瓦斯爆炸气体环境中，能够对一氧化碳浓度进行连续检测，具有良好的重复性和稳定性、检测灵敏度高，测量范围宽，兼容性强，实现了免开盖红外遥控调校，使用寿命长、操作方便。

4.监测的数值达到设定的报警值时,能够自动发出声光报警信号。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型中控制电路板主板的连接关系示意图。

图3是本实用新型的前端数据采集电路图。

图4是本实用新型的LED显示电路图。

图5是本实用新型的频率信号输出电路图。

图6是本实用新型的电源电路图。

图7是本实用新型的红外遥控接收电路图。

图8是本实用新型的温度控制电路图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，参见图1-图8，基于微弱信号检测的矿用一氧化碳传感器，包括外壳1，所述外壳1上方装有的悬挂装置3，外壳1下方固定有报警指示灯罩2，外壳1一侧设置有线缆接口9，外壳1的面板设有报警器7和显示器窗口8，外壳1内安装有控制电路板主板4，所述报警指示灯罩2为双筒结构，内外筒间一端为封闭端并通过封闭端固定于外壳1的下方，内外筒间的另一端安装有透光罩10，内筒的外周安装有LED发光二极管6，内筒内装有一氧化碳敏感元件5；控制电路板主板4包括电源电路202、LED显示电路205、数据处理器201、声光报警电路203，频率信号输出电路204，红外遥控接收电路208，信号放大数字调零电路206，前端数据采集电路207，温度控制电路209，电源电路202分别与LED显示电路205、数据处理器201、声光报警电路203、频率信号输出电路204、红外遥控接收电路208、信号放大数字调零电路206、前端数据采集电路207和温度控制电路209连接，数据处理器201分别与LED显示电路205、声光报警电路203，频率信号输出电路204，红外遥控接收电路208，信号放大数字调零电路206，前端数据采集电路207，温度控制电路209连接，一氧化碳敏感元件5的输出端与前端数据采集电路207的输入端连接，声光报警电路203的输出端连接报警器7的输入端。

所述报警器7为报警灯和/或蜂鸣器。

实施例：本实用新型的一个较佳实施方式是：基于微弱信号检测的矿用一氧化碳传感器，包括：外壳1，报警指示灯罩2，外壳1为一封闭的箱体，外壳1正中央顶部连接悬挂装置3，外壳1里面装有控制电路板主板4，外壳1下面连接有报警指示灯罩2，报警指示灯罩2里面正中央处安装电化学式一氧化碳敏感元件5，报警指示灯罩2内封装有LED发光二极管6，外壳1安装有报警器7、并开设有显示器窗口8，外壳1一侧装有电源及数据线线缆接口9；控制电路板主板4包括电源电路202、LED显示电路205、数据处理器201、声光报警电路203，频率信号输出电路204，红外遥控接收电路208，信号放大数字调零电路206，前端数据采集电路207，温度控制电路209；电源电路202分别与LED显示电路205、数据处理器201、声光报警电路203，频率信号输出电路204，红外遥控接收电路208，信号放大数字调零电路206，前端数据采集电路207，温度控制电路209连接，一氧化碳敏感元件5的输出端与前端数据采集电路207的输入端连接，前端数据采集电路207与数据处理器201连接，LED显示电路205与数据处理器201连接，声光报警电路203与数据处理器202连接，频率信号输出电路204与数据处理器202连接，输出频率信号，红外遥控接收电路208与数据处理器202连接，温度控制电路209与数据处理器202连接，信号放大数字调零电路208与数据处理器202连接，声光报警电路203输出端连接报警器7的输入端。

报警器7包括报警灯和蜂鸣器，并设置在外壳1的正面，外壳1的正面开有蜂鸣器发音口，蜂鸣器设置在外壳1的内腔体中、对应蜂鸣器发音口设置，报警灯和蜂鸣器的启动信号输入端同时与声光报警电路的报警信号的输出端连接。

数据处理器201采用型号为MSP430F2452的单片机实现。

温度控制电路208与信号放大数字调零电路209对微弱信号的检测，充分利用温度控制电路208与信号放大数字调零电路209，来实现对微弱信号的处理，大大提高了传感器的运行稳定性、可靠性、精确度。

参见图3-图8，本实用新型的硬件设计原则如下：

一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示等设计合适的接口电路。

如图3，前端数据采集电路207：在测量控制系统中，用来放大探测器输出的微弱电压，电流或电荷信号的放大电路称为测量放大电路，对其基本要求是：输入阻抗应与探测器输出阻抗相匹配；一定的放大倍数和稳定的增益；低噪声；低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；足够的带宽和转换速率(无畸变的放大瞬态信号)；高输入共模范围(高达几百伏)和高共模抑制比；可调的闭环增益；线性好，精度高；成本低。由于薄膜双PT电阻10输出信号很弱，就必须采用信号放大后才能进行下一步信号处理。系统使用了LM2014运算放大器对信号放大，LM2014电源电压要求低，静态功耗小，可单电源使用等，这是一款性能非常好的精密放大器，它有以下特点：轨对轨信号输出、供电电压范围2.1V-5.5V、很低的工作电流48uA。通过一氧化碳敏感元件的自动充放电，测量放电过程中的微弱电流，来实现对一氧化碳气体的测量。

如图4，LED显示电路205：是智能仪器系统必不可少的输出部分，是控制系统与操作人员之间交互的窗口。操作人员可以通过系统显示的内容，及时掌握系统的状态、获得所需要的信息。常用的显示器件有LED、LCD、CRT等。LED数码管具有价格低、寿命长、对电压电流的要求低等优点。系统选用4位一体共阳极七段LED数码管。位选线控制字符选择，段选线控制显示段元的亮、暗。

如图5，频率信号输出电路204：本设计采用集电极控制电路，PWM信号输出更精准。

如图6，电源电路202：包括MC34063、J1117、TL431电源模块。

MC34063构成的的电压转换电路，MC34063是低功耗低噪音低压转换芯片，专用于直流—直流变换，最大输出电流300MA，供电电压范围6V-30V，具有芯片使能端口，无负载状态下消耗电流仅85uA，宽输出电压范围在9-24V可调。只需要简单的电阻、电容、就可以满足电路中所需要的9-24V电压要求。

J1117和TL431组成的直流稳压电路。J1117电源模块实现了从MC34063输出的电压5V变为3.3V。TL431电源模块实现了从J1117电源模块输出的电压3.3V变为2.5V。

如图7，红外遥控接收电路208：本设计采用红外遥控调校，红外遥控作为一种无线、非接触控制技术，具有抗干扰能力强，信息传输可靠，功耗低，易操作等特点。遥控接收头通过光—电转换将红外光转变为电信号， 传给单片机，单片机根据接收到的编码执行相应的操作。

如图8，温度控制电路209：本设计采用DS18b20，DS18b20作为一种测量精准的温度测量模块，具有抗干扰能力强，环境适应能力强，测量精准的特点，运用此模块来实时测量环境温度，对一氧化碳气体进行温度补偿，是提高一氧化碳传感器测量精确度、可靠性、抗干扰性的必要手段。

本实用新型的安装方法：

在矿井中选择较为坚固的顶面或者侧面的一处位置，然后将一挂钩固定在选择的位置上，再将本实用新型基于微弱信号检测的矿用一氧化碳传感器悬挂在挂钩上，悬挂时注意气敏元件要朝下悬挂。本实用新型安装距地面高度应大于30cm 以防水溅。安装探头应朝下。

硬件抗干扰设计：

硬件抗干扰技术是设计时首选的抗干扰措施，它能有效抑制干扰源，阻断干扰传输信道，只要合理地布置与选择有关参数，硬件抗干扰措施能抑制系统的绝大部分干扰。

（一）选择合适的元器件

电路器件的质量会影响到报警仪的正常工作，特别对前端敏感元件输出的较弱信号，对电路的影响更为直接；另外元器件本身的热噪声将会叠加在检测信号中，影响测量数据。选择器件应注意以下规则：

（1）深入了解了元器件的电器参数，根据电器参数选择合理器件以满足系统性能要求。

（2）减少焊点数量可降低接触不良故障，因此，尽量选用集成度高的电路，减少使用分立元器件。

（3）为使半导体器件满足系统可靠性要求，选择稳定性好的元器件。

（4）考虑功耗。从抗干扰的角度考虑，尽量选用功耗小的CMOS器件。

（二）印刷电路板抗干扰设计

印刷电路板是整个系统中器件、信号线、电源线的高密度集合体，印刷电路板设计得好坏，对抗干扰能力影响很大，故印刷电路板设计决不单是元器件和线路的简单布局，还必须符合抗干扰的设计原则。

（1）接地技术

接地分为大地和工作基准地两种。大地是指电气设备的金属外壳、线路等通过接地线、接地极与地球大地相连，该方法可以保证设备和人身安全，提供静电屏蔽通路，降低电磁感应噪声。工作基准地是指电源的零电位，对这种接地要尽量减小接地回路的公共阻抗，以减小系统中干扰信号的公共阻抗耦合。制作的控制电路板主板4，电源地线要尽量宽一些，控制电路板主板4上没有被器件占用的面积全作为接地线(称为“满接地”)，数字地和模拟电路也要分开接，以避免数字信号对模拟电路的影响。

（2）电源线布置

布电源线时，除了要根据电流的大小，尽可能加粗导线宽度外，采取使电源线、地线的走向与数据传输的方向一致的方法，将有助于增强系统抗噪声的能力。

（3）去耦电容配置

控制电路板主板4采用印刷电路板，在印刷电路板的各个关键部位配置去耦电容为印刷电路板设计的一项常规做法。电路中尖峰电流的存在给数字系统带来不良影响，它将在电源内阻上产生压降，在公共传输导线阻抗上产生压降，使供电电压跳动，从而形成一个干扰源。因此在印刷电路板的各个集成电路芯片的电源线和地线间直接接入0.1uF的去耦电容，在印刷电路板入口处的电源线与地线之间并接一个100uF的限噪声电容器—钽电容器和一个0.1uF非电解电容。去耦电容一方面提供和吸收该集成电路开关门瞬间的充放电能，另一方面旁路掉该器件的高频噪声。

（4）其它方面

CMOS芯片的输入阻抗很高，易受感应，故在使用时，对其未使用端要接地或接正电源，闲置不用的门电路输入端不悬空。

本实用新型通过温度控制电路209与信号放大数字调零电路206对微弱信号的检测，充分利用温度控制电路209与信号放大数字调零电路206，来实现对微弱信号的处理，大大提高了运行的稳定性、可靠性、精确度。

Claims (2)

1.基于微弱信号检测的矿用一氧化碳传感器，包括外壳，所述外壳上方装有的悬挂装置，外壳下方固定有报警指示灯罩，外壳一侧设置有线缆接口，外壳的面板设有报警器和显示器窗口，外壳内安装有控制电路板主板，其特征在于，所述报警指示灯罩为双筒结构，内外筒间一端为封闭端并通过封闭端固定于外壳的下方，内外筒间的另一端安装有透光罩，内筒的外周安装有LED发光二极管，内筒内装有一氧化碳敏感元件；控制电路板主板包括电源电路、LED显示电路、数据处理器、声光报警电路、频率信号输出电路、红外遥控接收电路、信号放大数字调零电路、前端数据采集电路和温度控制电路，电源电路分别与LED显示电路、数据处理器、声光报警电路、频率信号输出电路、红外遥控接收电路、信号放大数字调零电路、前端数据采集电路和温度控制电路连接，数据处理器分别与LED显示电路、声光报警电路、频率信号输出电路、红外遥控接收电路、信号放大数字调零电路、前端数据采集电路、温度控制电路连接，一氧化碳敏感元件的输出端与前端数据采集电路的输入端连接，声光报警电路的输出端连接报警器的输入端。

2.根据权利要求1所述的基于微弱信号检测的矿用一氧化碳传感器，其特征在于，所述报警器为报警灯和/或蜂鸣器。

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