郝叶军

摘要：针对现有便携仪使用效果不佳的问题，设计了一种多参数便携仪，介绍了便携仪的设计原理，并对其软硬件设计进行了描述，在文章最后给出了实验测试结果，经过15天的稳定性试验后，测试精度高于行标要求，表明测试效果较好。

关键词：便携仪；多参数；蓝牙

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）36-0228-02

国家对煤矿的环境监测相当重视[1]，在煤矿井下布置了甲烷传感器、一氧化碳传感器、氧气传感器等，这些传感器对煤矿的安全生产发挥了重要作用。由于固定式传感器的布置做不到全覆盖，这样对煤矿环境的监测就存在盲区，而便携仪可以进行移动式监测[2]，便携式检测仪与固定式传感器相配合，可以更好地满足煤矿上对环境监测的需求。在煤矿上广泛使用的便携仪为单参数检测仪，检测气体种类少，且多不具备无线传输的功能。

针对现有便携仪存在的问题，提出基于蓝牙传输的多参数便携仪的开发思路，可以对环境中的甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氧气进行检测。通过在实验环境下的反复试验验证，可以看出该便携仪具有较高的精度，运行稳定性好；通过现场使用效果来看，本传感器具有较高的现场适应性，保证了煤矿井下复杂环境下多种气体的有效检测。

1 便携仪的气体检测原理

多参数便携仪可以完成对四种气体的检测，包含：甲烷的检测、一氧化碳的检测、氧气的检测和二氧化碳的检测，这四种气体基本包含了煤矿中的主要气体。

在煤矿环境中对甲烷的检测方法包含：催化燃烧原理、热导原理、红外原理和激光原理等。其中，催化甲烷传感器在煤矿上使用最广，相应的探头价格最低，本方案采用该方式进行甲烷检测。

一氧化碳、氧气的气体检测元件均采用电化学原理，由负电极、正电极、参考电极组成；其中，参考电极为传感元件提供外部稳定电压，在被测气体中，由于传感元件内部发生电化学反应，在正电极与负电极之间，形成一微弱电流，气体浓度越高，产生电流越大，通过测量产生电流的大小可以精确的计算出被测气体的浓度。

二氧化碳的检测采用红外原理[3]，当红外光通过被测气体时，其分子吸收光能量，不同气体具有不同的光谱，其对应的吸收强度又与该气体的浓度相关，利用这一原理可以测量二氧化碳气体的浓度。

2 多参数便携仪设计

矿用多参数便携仪可以对环境中的四种主要气体进行检测。测量精度高、结构简单易用，具有较高的适用性。它能将测量的气体浓度信息，通过蓝牙传送给上一级监控设备；系统采用NXP系列单片机LPC1518处理器作为主控芯片，完成对周围环境中气体浓度的检测功能，并通过蓝牙输出，传感器支持通过按键进行交互，可以进行参数设置，便携仪采用LCD进行参数显示，具备优化的界面。

框图如下图2所示：

采集到的四种气体浓度信号，经过相应的信号调理电路后，转换为对应的电压信号，送单片机内部的ADC进行采集。

ADC采集回来的为电压信号，电压信号与环境中的气体浓度存在对应关系，从而可以根据电压信号反求出对应的甲烷浓度、一氧化碳浓度和氧气浓度。二氧化碳采用数字式探头，通过UART读取气体浓度。但是由于现场环境的差异、传感器探头的差异、电子器件的不一致性，导致计算得到的浓度值与真实值之间具有偏差。由于在信号检测过程中不可避免地会带来误差，因此需要对信号进行滤波去噪处理[4]，设计的多便携仪具有较高的检测精度，可以满足行标相关规定，满足不同多参数仪的应用场合。便携仪支持参数调整功能，用户只需要用相应的按键即可以对便携仪进行参数调整，软件流程如下图3示。

3 实验测试

为了验证本便携式多参数仪的性能是否满足设计要求，在单位气体实验室中进行了性能测试，表1-表4为定量检测性能表。

4 结束语

将催化甲烷、电化学一氧化碳、電化学氧气和红外二氧化碳集中在便携仪内，并支持蓝牙传输功能，设计了相应的电气电路和软件程序，并进行了实验测试。设计的便携仪经过15天的稳定性试验后，满足相关行标的要求精，目前该便携仪已进行了现场工业试验，在煤矿现场使用效果良好。

参考文献：

[1] 国家安全生产监督管理局.煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2016.

[2] 王鸿建.矿用便携式多参数检测仪的研究与设计[J].电子世界，2013（20）：135-136.

[3] 刘炎，张立斌，蒋泽.具有温度及压力补偿的矿用红外甲烷传感器设计[J].工矿自动化，2012（8）：7-10.

[4] 马明建.数据采集与处理技术[M].西安：西安交通大学出版社，2009.

[5] AQ 6207-2007便携式载体催化甲烷检测报警仪[S].国家安全生产监督管理总局，2007.

[6] MT 703-2008 煤矿用携带型电化学式一氧化碳测定器[S].国家安全生产监督管理总局，2008.

[7] MT 704-2008矿用携带型电化学式氧气测定器[S].国家安全生产监督管理总局，2008.

[8] AQ1052-2008 矿用二氧化碳传感器通用技术条件[S].国家安全生产监督管理总局，2008endprint