基于TDLAS的矿用激光甲烷传感器设计

2019-08-14王洋洋

仪表技术与传感器 2019年7期

刘鹏，王洋洋

(1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺 123122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺 123122)

0 引言

甲烷气体的浓度检测是煤矿安全监测监控系统中的重中之重，矿用甲烷传感器一直是煤矿安全监测监控领域的研究热点。2016年底，国家煤矿安全监察局印发了煤安监函[2016]5号文件，文中对井下设备的抗电磁干扰能力提出了更高的要求，并建议推广使用激光类传感器。

目前我国甲烷传感器主要采用催化热导技术、红外检测技术，但催化热导式检测仪表检测灵敏度低，测量误差大，易受交叉气体干扰，且抗电磁干扰能力较差；红外检测技术由于受粉尘和湿度影响比较严重，误差也较大。激光气体传感技术是一种新兴的气体检测技术，它利用激光光学方法监测气体浓度，具有灵敏度高、响应速度快、不易受干扰和远距离测量等优点[1]。本文设计了一种TDLAS(tunable diode laser absorption spectroscopy，可调谐半导体激光器)原理的矿用激光甲烷传感器，着重在激光甲烷传感器的探测模块设计、ia级本质安全电路设计、低功耗设计及整机抗电磁干扰能力方面进行了重点研究。

1 设计方案

本文设计的基于TDLAS激光甲烷传感器主要由传感器软件和传感器硬件2部分构成。硬件包括主控模块、激光甲烷检测模块、通讯模块、电源模块、自诊断模块、取气装置；软件部分包括数据的采集、软件滤波算法、曲线拟合等部分，传感器设计原理如图1所示。

图1 传感器设计原理框图

传感器以CPU控制模块为中心，把激光甲烷信号采集处理模块的信号进行接收和处理，并作出相应的逻辑判断，将判断结果交由通讯模块将信息传输到中心站，同时根据使用要求进行声光报警、数码管显示及传感器状态的自诊断等。

2 激光甲烷信号采集模块设计

激光甲烷信号采集模块设计主要基于TDLAS原理，实现低浓度(可达10-6量级)甲烷气体的检测[2]。可调谐二极管激光吸收光谱是利用半导体二极管激光的波长扫描和电流调谐特性对气体进行测量的一种技术。实验环境为室温下1个大气压，吸收线的线型函数可以用洛伦兹线型表示，吸收系数α(ν)可以表示为

(1)

式中：ν0、α0分别为吸收线中心处的频率和吸收线数；γ为吸收线半高半宽。

把吸收线的吸收系数α(ν)和频率ν代入Lambert-Beer定律表达式，将光强I(ν)按傅里叶系数展开，在频率调制幅度να<<γ时，n次谐波信号的幅度Hn[6]为

(2)

式中C为待检测气体的浓度。

C与谐波信号的幅度成正比例关系，因此通过检测谐波信号的幅度可以计算出待检测气体浓度。激光检测模块框图如图2所示。

图2 激光检测模块框图

在激光检测甲烷的红外波段中，1.66 μm波段附近对甲烷的吸收能力较强，光衰减程度相对较弱，在1.66 μm波段中1 653.7 nm波长附近吸收强度较大，针对性较强。所以选择采用波长是1 653.7 nm的激光器[3]。温度补偿单元主要采用半导体制冷器(TEC)结合PID等调节电路对温度进行精准控制，本激光器的温度影响系数为0.1 nm/℃，因此通过控制TEC的温度对激光器工作环境进行准确的调节。

激光器通过激光驱动电路发射光信号，光信号通过参考腔和测量腔，将不同腔体的光信号转化成离散的数字信号，然后经过D/A转换将光信号转化为对应的电压幅值信号，经过对比参考腔与测量腔的光信号输出的电压幅值信号，运算获得当前测量腔的甲烷浓度值。通过UART串口输出给主板CPU进行显示。

3 激光甲烷传感器设计关键技术

3.1 ia级本质安全电路与电磁兼容设计

为使传感器达到ia级本质安全，在设计时重点优化传感器的阻性电路、感性电路和容性电路，通过对电路的电阻、电容及电感等参数的筛选和计算、保证良好的爬电距离等，确保线路板尤其是电源部分在发生故障或其他异常情况下，故障点释放的能量远低于可燃气体环境下的点燃能量。

电源部分加入自恢复保险丝，设计过压保护、过流保护电路，以及在LDO的输出侧应加入多个并联的稳压管，当LDO失效时，单独加在稳压管上的钳位电压能够保证后续电路不被瞬间的高电压破坏。

PCB走线上避免在小型元器件“腹部”走线。加粗电源地线且走线方式尽量减少共模干扰。对于PCB安装孔与整体电路的距离至少为3 mm。

为使传感器达到良好的抗干扰性能，应加强EMC(电磁兼容性)的设计[4]。线路板采用4层PCB设计，中间层分别为GND、V+，为减少敷铜带来的天线效应，将敷铜的每个角采用45°或者圆角；信号完整性是提高系统EMC能力、提高系统鲁棒性的重要手段[5-6]。在本设计中包含串口通讯、CAN总线信号传输、SPI总线信号传输，为了更好地保证信号的完整性，应保证信号传输路径的长度尽可能相等，以降低信号在终端的衰减程度；各个信号线之间距离尽可能加大，以防止信号的串扰。由于传感器采用CAN总线通讯方式，为增强信号传输能力，对CAN总线增加了驱动电路，同时将该模块用DC-DC隔离模块进行隔离，以保证电路具有较强的鲁棒性。

3.2 传感器的超低功耗设计

煤矿安全监测监控系统中传感器的供电方式多采用星型拓扑结构，即一个电源为多个传感器供电。传感器的功耗越低，能够同时工作的传感器数量随之增加；同时，低功耗也保证了传感器更远距离的供电。供电距离是煤矿安全监测监控系统的一个重要指标，因此，尽可能地降低传感器的功耗是十分必要的。本设计主要从硬件电路的电源设计及拓扑以及软件的低功耗设计进行具体说明。电源拓扑结构如图3所示。

图3 电源拓扑结构图

为保证电源的使用效率，设计中的1号与2号模块分别采用采用LM22761-5.0和LM22761-3.3；同时根据设计输入分析各个电源模块的负载情况，对DC/DC模块的匹配电容和匹配电感进行调整，使每个DC/DC模块电源转化效率在85%以上。

本设计采用了Cortex-M3内核的STM32F103系列芯片，搭载μCOSIII操作系统，在软件部分加入了低功耗逻辑设计。在对CPU资源进行分析后，确定使用TIMER定时器2个、外部中断1个、串口2个、I/O口若干，然后根据各个外设所需要的工作时钟频率进行最低频率设置，同时将其他外设包括外部I/O进行关闭、时钟关闭；配置GPIO为输出时，根据输出的常态选择上拉/下拉，若输出闲置为0，则配置为下拉；若输出闲置为1，则配置上拉。设计采用了μCOS-III操作系统，实现了多线程的程序设计，降低CPU的工作时间，充分结合CPU的睡眠模式、待机模式、停止模式等电源管理模式，在线程都空闲的状态下，将CPU进行睡眠处理，以大幅度降低因CPU运行带来的功耗。

3.3 软件及数字滤波设计

激光模块在光信号转化成甲烷浓度值的处理过程中，信号的噪声去除、有效信号的提取等信号处理工作在硬件电路部分进行了充分设计处理，但硬件电路也会引入一些不可避免的信号噪声，这些噪声被信号处理单元接收并被当作有效信号进行处理，导致激光甲烷模块输出的甲烷浓度值有所波动，这就需要CPU处理单元对接收到的噪声信号进行必要的数字滤波处理。

为了得到精确的甲烷浓度信号，不仅需要在硬件上进行滤波处理，软件上还需要采用软件滤波的方式才能最终得到可靠而且有效的幅值信号。本设计采用了限幅滤波和二阶数字滤波的混合滤波方式，用软件算法实现了硬件滤波器的效果，可以随时调整滤波参数获得更稳定有效的数据，既保证测量数据的跟随实时性，还可提高的测量的稳定性。软件流程如图4所示。