甲烷传感器安装合规性检测装置的设计

赵东升，秦海初，单 鹏

(1.中煤华晋集团有限公司， 山西 河津 043300；2.中国煤矿机械装备有限责任公司， 北京 100011)

煤矿瓦斯灾害是影响煤矿安全生产的主要灾害之一，瓦斯事故的发生直接威胁井下煤矿工人的人身安全，给煤矿企业带来巨大损失。瓦斯防治的重要手段就是利用甲烷传感器对甲烷气体进行有效、持续的检测。甲烷传感器对甲烷的检测效果不仅决定于传感器本身的测量精度和稳定性等技术指标和性能，还决定于其安装位置和安装质量。为了规范甲烷传感器的安装，《煤矿安全规程》和《煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范》中对甲烷传感器的安装有具体的规定：甲烷传感器应垂直悬挂，距顶板(顶梁、屋顶)不得大于300 mm，距巷道侧壁(墙壁)不得小于200 mm[1-2].

目前，甲烷传感器的安装是否合乎规范要求还没有有效的技术检测手段，完全依靠人工判断和保证。甲烷传感器安装位置较高，照明条件差，在地面不易看清并判断其安装质量，随意性较强，特别是检测地点需要经常调整的地方，比如采煤工作面一直向前推进，瓦斯传感器的安装地点需要随工作面的推进进行调整，工人为了赶工，将瓦斯传感器随意安装，往往达不到规范要求，甚至有些矿工担心甲烷传感器检测到甲烷超限后断电影响生产，将甲烷传感器故意放在偏僻角落躲避检测，给煤矿安全生产带来很大的隐患。

针对上述问题，本文提出一种能够检测甲烷传感器安装合规性的装置。该装置内置在甲烷传感器中，包括两组测距模块和一组测角模块，两组测距模块分别测量甲烷传感器到顶板(顶梁)和到巷道侧壁(墙壁)的距离，测角模块测量甲烷传感器与水平面的夹角，从而检测出甲烷传感器安装是否符合规范要求。

1 测距模块设计

1.1 硬件设计

该装置的测距模块采用意法半导体公司(STMicroelectronics)的激光测距芯片VL53L0X.VL53L0X是基于Time-of-Flight(ToF，飞行时间)进行测距的芯片模块，最大测量距离2 m，测量误差在3%左右，满足本方案的设计要求。VL53L0X内部集成了测距传感器和微控制器，提供了I2C接口，进行模块控制和数据传送。测距模块电路原理见图1.

如图1所示，VL53L0X与主机通信采用I2C，接口比较简洁。本模块采用主机端3.3 V供电，满足芯片工作电压2.6～3.5 V要求。串口数据线SDA和串口时钟线SCL经上拉后与主机相连，实现I2C通信。GPIO1管脚是中断管脚，当VL53L0X设置为中断方式工作时，GPIO1管脚会在主机中产生中断信号。本模块采用了查询方式，因此本管脚未与主机连接。XSHUT管脚可以控制VL53L0X的工作状态：上电以后，XSHUT处于高电平状态，VL53L0X处于工作状态，可以根据设置进行测距；不需要测距时，将XSHUT设置为低电平，VL53L0X处于待机状态，降低设备功耗。本模块将XSHUT管脚与主机的GPIO连接，控制VL53L0X的工作状态。

图1 测距模块电路原理图

1.2 软件设计

VL53L0X有4种工作配置模式：缺省配置、高速配置、高精度配置和长距离配置。本模块配置为高精度。VL53L0X提供3种测距模式：单次测距、连续测距、周期测距。单次测距每调用一次测距函数仅测距一次。连续测距是在调用测距函数后，连续不间断进行测距。周期测距也是连续进行，与连续测距不同的是可以定义两次测距的间隔时间。本装置采用单次测距的方式，由主机控制何时进行测距。

模块工作流程见图2.模块初始化主要进行I2C通信初始化和VL53L0X自身工作模式和测距模式的设置。主机调用开始测量函数开始测量，结果就绪后，调用获取数据函数得到测距结果，如果是连续测量或周期测量，模块自动进行下次测量，如果是单次测量，主机需要再次调用开始测量函数以获得新的测距结果。

2 测角模块设计

2.1 硬件设计

本装置的测角模块采用了美国VTI公司的SCA100T倾角传感器芯片。SCA100T是基于3D-MEMS的高精度双轴倾角传感器芯片，对温度不敏感，分辨率高，噪声低，在倾角测量中得到广泛应用。SCA100T芯片在传感元件内部增加了阻尼，对振动有良好的适应能力，能够承受高达20 000 g的机械冲击力，适合在煤矿井下恶劣环境中使用。SCA100T可以实现双轴X、Y轴倾角测量，测量范围±30°(D01)和±90°(D02).

图2 测距模块工作流程图

测角模块电路原理图见图3.测角模块的主要元件是SCA100T芯片。SCA100T采用5 V供电，为了与主机端MCU直接连接，本模块设计了3.3～5 V的电源转换电路(见原理图)。SCA100T通信接口为SPI串行接口，SPI是四线的同步串行接口，通过选择从设备或者CS端口来允许通信。数据通过三线接口来传输，分别是串行数据输入线(MOSI)、串行数据输出(MISO)和串行时钟(SCK).

2.2 软件设计

SCA100T上电后默认工作模式是测量模式，测量后产生11位数据格式的数字量，存储在RDAX和RDAY数据寄存器中。程序通过SPI读取对应通道的数值。在读出测量值后，需转换为角度值，公式如下：

其中，Dout为测量值;Dout0为0°时的测量值，为1 024;Sens为芯片灵敏度，为819.经本公式计算的角度单位为(°).

3 测试与结果分析

测距模块在200 mm、300 mm、400 mm处分别进行距离测试，每个测试距离采用断电重启的方式进行

图3 测角模块原理图

5次测量，每次测量取10次读数的平均值，结果见表1.从测试结果看出，距离在200～400 mm时，测量误差在±4.5%，距离越小，误差百分比越大，最大误差为-17 mm.对于规范中要求的距顶板(顶梁、屋顶)不得大于300 mm,距巷道侧壁(墙壁)不得小于200 mm的测量要求可以满足。

表1 测距模块测量结果表

测角模块在0°、30°、45°、60°、90°处分别进行倾角测试，每个测试位置采用断电重启的方式进行5次测量，每次测量取10次读数的平均值，结果见表2.从测试结果看出，测量数据总体偏小，测量误差在±4.7%，水平位置测量误差最大为0.84°，垂直位置测量误差最大为2.27°，对于测量甲烷传感器的垂直度(水平度)是满足要求的。

表2 测角模块测量结果表

4 结 语

本文设计实现了一个能够检测甲烷传感器安装是否符合规范要求的装置。该装置内置在甲烷传感器中，包括两组测距模块和一组测角模块，两组测距模块分别测量甲烷传感器到顶板(顶梁)和到巷道侧壁(墙壁)的距离，测角模块测量甲烷传感器与水平面的夹角，从而检测出甲烷传感器安装是否符合规范要求。经测试，该装置测量精度高，工作稳定可靠，功耗低，体积小，可以集成到甲烷传感器中，也可以用在一氧化碳传感器和温度传感器等对安装有要求的传感器中。