基于光纤传感的瓦斯监测系统的设计

孙建兵

（华阳集团三矿，山西 阳泉 045008）

引言

在各种煤炭行业的灾难事故中瓦斯爆炸是最严重、影响最大、伤亡率最高的灾害。在中国，瓦斯爆炸导致的大型事故和死亡人数分别占煤矿总事故和死亡人数的66.52%和68.72%[1]。由此可见，预防瓦斯爆炸灾害是煤炭行业安全生产最重要的环节，而瓦斯监测系统在防止煤矿事故中发挥着重要作用。

1 监测系统总体方案

目前，国内的煤矿安全检测系统均采用集散型结构，监控系统大致可以分为四种方案，本文采用的是最新的检测系统方案，即基于工业以太网的检测系统，其结构图如图1 所示。

图1 基于工业以太网的检测系统结构图

基于工业以太网的检测系统具有点如下特点：一是可实现一体化网络，不同设备商家通过网络协议即可互联，方便、快捷、开放；二是随着以太网的开放性以及技术的日渐成熟，用户可以选择更多的检测设备以及软件开发环境，即拥有更多的选择权；三是以太网有较高的通讯速率，具有较大的发展空间。

在井下分布着网速为100 Mbps的互联网，并将此互联网作为监测系统的核心，网络的传输速率以及稳定性至关重要。本监测系统主要由以太网交换机、地面监控、阻燃光缆等部分组成。其中环型光纤网是根据监控的矿区面积来安装设备，本方案通过主干网的互联来构成以远程计算机为核心的监控系统。

2 瓦斯传感器的设计

2.1 瓦斯传感器的原理

本文所设计的瓦斯传感器部分原理如图2 所示。

图2 瓦斯光传感器系统原理图

此设计是基于气体的光谱吸收原理[2]，与黑白原件的瓦斯传感器相比具有测量度高、稳定、使用寿命长等特点。光纤瓦斯传感器在正常使用的情况下，调校周期大约可以维持1～3 个月，故光纤瓦斯传感器可以节省大量人力。在光纤传感器内部有辐射的红外线光源，控制系统和数据的测量系统包括大量数模转换器以及通讯、数据处理模块。

本文设计利用TDLAS 技术测量气体的体积分数。在实际应用过程中需要将高频电流注入到激光二极管中，可以对气体所吸收的微弱的光谱进行调制，改变其波长，使得气体信息更容易被捕捉到。由于谐波干扰以及噪声干扰，本文通过锁相放大技术来获取气体浓度信息的谐波信号，进而来抑制外部的干扰，提高检测的灵敏度。本文的灵敏度可以达到ppm 等级。

2.2 光电转换部分

由于在监测控制系统中均是以电信号进行信息的传播与控制，但是气室中只能产生光信号，因此就需要模块将光信号转换为电信号，而光电转换部分即为光电二极管。光信号通过光电二极管后即可变为电信号，转换后的电流信号很小，需要进行前置放大。前置放大器的核心为运算放大器，运算放大器的性能会直接影响前置放大器的性能。

本文所采用的运算放大器为TLC2272 双运算放大器，其工作参数如表1 所示。

表1 TLC2272 双运算放大器工作参数表

2.3 红外遥控

本文设计的检测装置具有警报功能，可以使用遥控器来设定传感器的报警点。由于传感器的外包装无法被打开来操作，需要设计红外遥控收发装置。

远程遥控器和远程接收器是红外遥控装置的主要组成部分。遥控接收器对信号进行检测和放大，最后解调出编码脉冲，在发射部分采用NB9148 芯片作为遥控发射装置。在红外接收部分采用H20038作为接收组件，其内部含有红外发生装置、放大模块、解调模块。在滤波环节采用NB9149，其作用是滤除38 kHz的载波信号，进而得到输入信号的调制信号。

2.4 系统软件

本文所设计的系统采用S3C44BOX 处理器[3]，其中集成了电源控制器、计数器、存储器、数模转换器等大量外设控制器。S3C44BOX 处理器相关参数如表2 所示。

表2 S3C44BOX 处理器相关参数

本处理器可以实现如下功能：

1）产生调制斜波；

2）对数据进行数模转换；

3）可将方波转换为光源驱动所需要的高频正弦波和锁相放大器所需要的参考信号；

4）完成传感器报警点的存储和设定；

5）输出特定的高频信号（200～1 000 Hz）。

3 监测分站的设计

3.1 监测分站工作原理

井下监控分站是煤矿井下瓦斯检测系统的核心，因此监测分站可靠性以及稳定性直接决定了煤矿井下安全系统能否正常运行[4]。监测分站的工作大致分成两个方面：一方面是通过分站所连接的传感器来通信，另一方面是通过该部分连接瓦斯传感器与地面控制中心，进而实现瓦斯传感器与地面中心站之间的数据传输。煤矿井下监测分站的功能框架图如图3 所示。

图3 监测分站整体框架图

其中监测分站的核心是基于单片机的中央处理单元，中央处理单元主要负责处理每个子传感器所接收到的数据，它既可以实现数据输入通道的切换，又可以控制信号的类型。

当系统正常工作时，如果出现系统电压失稳或软件程序在运行阶段出现问题，则系统会发送出危险信号，同时“看门狗”电路会立刻向中央处理器模块发出警报，要求监测分站复位，进而保障安全监测分站的稳定运行。

数据采集模块采集来自于监测分站的信号，此模块应该直接与井下数据采集传感器进行通信。在数据采集模块中，为使得工作效率最大化，在模块中安装了8 个通道，因此可以使得井下8 个数据同时被检测。煤矿井下监测分站会由于传输器输出型号的不同，而导致接收到频率型和非频率型两种制式的信号。其中，频率型信号经过整形可以被单片机接收，非频率型信号进行相应的变换后才可以被中央处理单元接收。

智能监测分站在信号传输过程中采用RS485通信方式，信号在处理电路中会被驱动、放大、整形等，最后被处理后上传至地面中心站。

3.2 监测分站功能

本文所设计的检测分站具有如下功能：

1）传感器将井下的瓦斯浓度信号上传到智能监测分站中，进而对浓度信号进行实时的分析处理；

2）矿井下的分站具有独立的初始化能力，每个分站都可以独立地将检测到的信号上传到地面的控制中心，再由中心站对上传数据进行分析处理；

3）监测分站在接收到危险信号的情况下，仍然可以进行控制。

3.3 监测分站的硬件与软件

在智能监测分站中，硬件是功能实现的核心。对于硬件部分的设计，其中中央处理器是由三星公司设计的S3C44BOX 处理器，采用32 位精简指令集。存储器模块是SDRAM以及Flash 两种存储器，鉴于经济性考虑，采用AM29LV1608 作为Flash 存储器的芯片，采用HY57V561620的芯片作为SDRAM。

对于软件部分的设计，首先需要对与中央处理器所连接的硬件进行初始化，然后利用驱动控制芯片创建操作系统的工作环境，最后建立数据的实时通信。整个过程需要利用定时器来启动。

4 结论

基于光纤传感的瓦斯监测系统，采用基于气体光谱吸收原理的光纤瓦斯传感器，传感器与系统监控分站连接通信，每个分站都可以独立地将检测到的信号上传到地面的控制中心，再由中心站对上传数据进行分析处理，可以有效防止瓦斯爆炸所带来的严重损害。