瓦斯傳感器的抗干擾技術研究

劉海瑞

（西山煤電太原選煤廠， 山西 太原 030023）

引言

目前，在我國綜采工作面中，主要采用瓦斯傳感器監(jiān)測工作面的瓦斯?jié)舛戎?。但是，在實際綜采工作面中，往往會存在有內部或者外部的電氣干擾因素對瓦斯傳感器的精度造成影響。影響傳感器精度的干擾因素主要有煤炭綜采工作面監(jiān)控系統(tǒng)的結構形態(tài)、元器件類型、制造工藝以及綜采工作面供電系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素[2]。因此，為了保證煤炭綜采工作面瓦斯傳感器的監(jiān)測精度，必須對瓦斯傳感器做相應的抗干擾處理。

1 抗干擾技術在測量系統(tǒng)應用的功能

測量系統(tǒng)能作為整個測控系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，其主要功能是將綜采工作面瓦斯?jié)舛?、溫度等各項指標值采集、處理后傳送至上位機。經研究，影響測量系統(tǒng)精度的因素主要有，傳感器自身的精度指標、元器件的穩(wěn)定性以及數據傳輸過程中的干擾因素。針對此類干擾因素，對測量系統(tǒng)的傳感器進行線性化處理、對傳輸線路進行屏蔽處理以及采取相應的濾波技術和校正手段提高測量系統(tǒng)的精度。

1.1 實現(xiàn)傳感器的線性化處理

在實際工程應用中，傳感器的測量輸出值與實際被測值存在有一定的非線性誤差。因此，為了提高傳感器的測量精度，對上述存在的非線性誤差進行線性處理，即非線性補償。一般應用中，常采用額補償手段有軟件補償法和硬件補償法[4]。

對于瓦斯傳感器而言，將被測瓦斯的濃度值轉換為電量值，通過電量值反應實時的瓦斯?jié)舛戎?。為了保證電量的輸出值與瓦斯?jié)舛戎档木€性關系，瓦斯傳感器設計有相關了非線性補償環(huán)節(jié)和非線性反饋環(huán)節(jié)。且在對瓦斯傳感器靜特性研究的基礎上，經過圖解或者解析法得到非線性補償環(huán)節(jié)的靜特性。

1.2 實現(xiàn)傳輸線路的屏蔽處理

為了保證信號在傳輸過程中不受外界環(huán)境的干擾，對信號傳輸線采取屏蔽處理的技術。常采用屏蔽雙絞線，該線既可以抑制靜電的干擾，又可以抑制電磁感應干擾。除此之外，還應對測量電路附近的屏蔽體采用接地的處理方式。有試驗表明，將屏蔽體接地處理后，信號被干擾的程度明顯降低。

1.3 實現(xiàn)濾波技術的引入及零位誤差的修正

針對A/D采集的模擬量中間摻雜一定的噪聲干擾信息，因此需采用濾波技術。瓦斯傳感器中引入低通開關電容濾波器。經實驗表明，該濾波器的引入大大的降低了模擬信號的峰峰電壓值。

由于在實際的采樣過程中存在有零位誤差，使得零位輸出值不為零。因此，在采集過程中，將零位誤差存入寄存器中，每次讀取的數據值減去寄存器中的數值即完成了零位校正。此外，放大器在工作之前需進行零位校正，進而消除放大器的零位誤差。

2 硬件抗干擾技術在瓦斯傳感器的應用

主要從改進瓦斯傳感器測控系統(tǒng)的可靠性、改善時鐘電路的配置以及完善復位電路參數三個方面改善其抗干擾能力。

2.1 微機測控系統(tǒng)的抗干擾設計

經研究表明，制約微機測控系統(tǒng)的影響因素主要包括有內部和外部兩方面的因素。內部因素著重指的是微機測控系統(tǒng)的各零部件的性能以及整體的結構設計，外部因素著重指的是微機測控系統(tǒng)工作的外部環(huán)境，包括綜采工作面的電器條件、空間環(huán)境以及機械性能等。因此，在設計微機測控系統(tǒng)時需本著嚴格篩選高質量、高精度的元器件，盡可能選用集成度高的CMOS元器件。在此基礎上依據相關標準要求進行組裝。單片機作為測控系統(tǒng)的核心元器件，保證單片機的抗干擾能力也就直接決定了微機測控系統(tǒng)的抗干擾能力。

2.2 改善時鐘電路的配置信息

時鐘電路是CPU能否正常工作的關鍵電路，其主要功能是為CPU工作發(fā)起脈沖。綜采工作面的干擾因素影響時鐘電路的正常運行，進而影響了瓦斯傳感器的CPU的正常運行。為此，配置時鐘電路時需注意以下幾點：時鐘電路應靠近微機測控系統(tǒng)；振蕩電路必須用地線進行包圍；振蕩電路選擇高精度的電容原件；電源變壓器應遠離振蕩電路[3]。

2.3 完善復位電路的參數設置

設計復位電路時，需根據實際振蕩電路的頻率選擇合適的電容、電阻參數，保證具有滿足設計要求寬度的脈沖低電平，進而確保復位電路能夠高效運行。以某51單片機為例，脈沖低電平的寬度應不小于設備的兩個周期?？傊趯嶋H的應用中，為保證設備的可靠性，需對電源穩(wěn)定時間、晶振穩(wěn)定時間有充足的余量。

3 軟件抗干擾技術在瓦斯傳感器中的應用

瓦斯傳感器的是通過測量催化元件的阻值實現(xiàn)對綜采工作面瓦斯?jié)舛鹊臏y量。在理想狀態(tài)下，催化元件的阻值與瓦斯?jié)舛仁浅示€性關系的（如圖1中的實線所示），而在實際工作中，瓦斯?jié)舛戎蹬c催化元件的阻值關系如圖1中的虛線所示。

圖1 瓦斯?jié)舛戎蹬c催化元件阻值的關系曲線

因此，為了保證測量精度，在實際測量過程中常采用查表法、分段折線擬合法對結果進行軟件處理。一般，根據不同的精度要求，將曲線分隔成不同數目的n段（精度越高，n值越大），而后通過多次試驗將輸入值與輸出的值存于寄存器中，最終得出瓦斯?jié)舛扰c催化元件阻值的關系如式（1）所示：

其中：φk為k+1段的瓦斯?jié)舛戎担沪読為實測瓦斯?jié)舛戎?；φk+1為k+1段處的瓦斯?jié)舛戎担籸k為k段催化元件的阻值；rk+1為k+1段催化元件的阻值；ri為i段催化元件阻值。

傳感器線性處理的流程為：首先采用查表法判斷電阻值所在曲線的哪個段落，而后基于式（1）對瓦斯?jié)舛戎颠M行精確計算。

瓦斯?jié)舛戎档淖兓鄬徛?，在實際測量過程中可以采用程序判斷濾波法實現(xiàn)對模擬信號的抗干擾處理。而對于瓦斯壓力參數而言，其變化相對較快。因此，在實際測量過程中常采用加權平均濾波法或者復合濾波法對進行抗干擾處理[5]。綜采工作面的瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞑捎昧顺绦蚺袛酁V波和算術加權平均濾波法的結合對采集的信號進行抗干擾處理，進而消除隨機干擾帶來的誤差。

4 結語

瓦斯傳感器作為監(jiān)控煤炭綜采工作面的瓦斯?jié)舛取毫Φ葏档母黜椫笜酥?，其測量精度直接決定著煤炭綜采工作面的安全生產。鑒于綜采工作面的外部因素和傳感器內部因素對傳感器測量精度的干擾，文章從硬件和軟件兩個角度進行抗干擾，從而有效阻止了干擾因素對傳感器的干擾。