一種基于惠斯通電橋原理的礦用濕度傳感器設(shè)計(jì)

張聰慧

(天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

礦井空氣的濕度主要取決于地面氣溫，尤其是巷道的進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)隨季節(jié)性變化最明顯。夏季地面高溫空氣進(jìn)入井下后，導(dǎo)致巷道的相對(duì)濕度上升，當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)到100%時(shí)出現(xiàn)水珠；冬季地面冷空氣進(jìn)入井下后，導(dǎo)致巷道的相對(duì)濕度下降。礦井濕度的變化對(duì)機(jī)電設(shè)備、機(jī)械設(shè)備和人的身體健康都有非常重要的影響。準(zhǔn)確、及時(shí)地測(cè)量礦井濕度，對(duì)保證煤礦的安全生產(chǎn)和礦工的身體健康起著非常重要的作用。

目前煤礦濕度傳感器主要采用外接催化元件的形式。但使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致催化元件的性能降低，不能準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地測(cè)量實(shí)際的濕度。針對(duì)以上缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于惠斯通電橋原理的礦用濕度傳感器。該傳感器能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量礦井環(huán)境的濕度，并具有就地顯示和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳的功能。

1 惠斯通電橋原理

惠斯通電橋又稱(chēng)單臂電橋，它是一種可以精確測(cè)量電阻的儀器[1]。圖1為一個(gè)通用的惠斯通電橋。

圖1 惠斯通電橋

圖1中，電阻R1、R2、R3、R4為電橋的4個(gè)臂。當(dāng)B、C間的電壓為零時(shí)，電橋達(dá)到平衡。此時(shí)，4個(gè)臂的阻值滿足一個(gè)簡(jiǎn)單的關(guān)系，利用這一關(guān)系就可以測(cè)量電阻。同時(shí)，改變電橋中任意一個(gè)電阻值(如R2)時(shí)，B、C間的電壓差隨R2阻值的改變而改變。因此，根據(jù)B、C間的電壓且在R1、R3、R4阻值已知的情況下就可以確定R2的阻值。

圖2為惠斯通電橋三線制常用接法。R1、R3和R4采用精密電阻，R2(Rt)采用靈敏度較高的濕敏電阻。Rt的變化直接導(dǎo)致惠斯通電橋參考點(diǎn)電壓Vo的變化。電路單片機(jī)采集Vo的變化就可得知Rt的變化，進(jìn)而得知濕度值。

本設(shè)計(jì)選用CHM-01濕度模塊采集濕度信號(hào)。此模塊為高分子濕敏電阻，其具有工作電壓范圍寬、電流消耗少、濕度測(cè)量范圍廣、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，特別適合煤礦井下復(fù)雜的環(huán)境條件使用。

2 傳感器的硬件電路設(shè)計(jì)

礦用濕度傳感器的硬件由電源部分、數(shù)據(jù)采集

圖2 惠斯通電橋三線制常用接法

和處理部分及數(shù)據(jù)顯示傳輸部分組成[2]。

2.1 電源部分

電源部分為整個(gè)傳感器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。供電電源的穩(wěn)定性、可靠性，直接決定了傳感器工作的可靠性。煤礦井下特殊的環(huán)境決定了其設(shè)計(jì)的特殊性。圖3為電源設(shè)計(jì)原理圖。

圖3 傳感器電源設(shè)計(jì)

VIN為外部本安電源輸入側(cè)。為了防止外部電源波動(dòng)影響傳感器的穩(wěn)定運(yùn)行，增加了電源穩(wěn)壓器D1。外部電壓經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓器D1后輸出V16，供傳感器的內(nèi)部使用。

2.2 數(shù)據(jù)采集和處理部分

數(shù)據(jù)采集和處理部分是整個(gè)傳感器設(shè)計(jì)的核心，其直接決定了傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確[3]。圖4為數(shù)據(jù)采集和處理部分原理圖。Vo先進(jìn)入儀表放大器D5放大后，再進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖4 數(shù)據(jù)采集和處理部分

2.3 數(shù)據(jù)顯示傳輸部分

經(jīng)過(guò)高性能單片機(jī)處理整合后的數(shù)據(jù)可以送往數(shù)據(jù)顯示屏進(jìn)行就地顯示；同時(shí)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)總線接口或頻率、電流等傳輸形式對(duì)外提供數(shù)據(jù)接口，供第三方儀表進(jìn)行顯示和處理[4-5]。

圖5為CAN總線傳輸接口原理圖。CAN總線信號(hào)經(jīng)過(guò)D6的電氣隔離后，進(jìn)入CAN收發(fā)器D7，然后和第三方儀表進(jìn)行通訊。R60為CAN匹配電阻。如果數(shù)據(jù)傳輸距離較遠(yuǎn)，匹配電阻投入后可以改善傳輸性能，增加信號(hào)傳輸距離。

圖5 CAN總線傳輸接口

3 傳感器的軟件設(shè)計(jì)

礦用濕度傳感器的數(shù)據(jù)處理軟件分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、就地顯示、遠(yuǎn)程傳輸?shù)炔糠諿3]。主程序是整個(gè)軟件的靈魂，起主導(dǎo)作用。主程序的設(shè)計(jì)直接影響整個(gè)設(shè)計(jì)的進(jìn)程，它主要通過(guò)調(diào)用子程序來(lái)完成控制命令。通過(guò)軟件控制語(yǔ)句、函數(shù)等，將這些子程序鏈接起來(lái)，組成整個(gè)軟件的骨架。主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程

傳感器上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢；自檢正常后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集；采集完成后，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、運(yùn)算和整理，并進(jìn)行就地顯示、遠(yuǎn)程傳輸，周而復(fù)始地工作。

4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

濕度傳感器開(kāi)發(fā)完成后，首先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了多次驗(yàn)證。電源輸入采用寬電壓驗(yàn)證的方式，輸入電壓為DC9-24.5 V。改變實(shí)驗(yàn)室的空氣濕度，將傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)同經(jīng)過(guò)計(jì)量的濕度檢測(cè)儀測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。多次監(jiān)測(cè)試驗(yàn)證明濕度傳感器和濕度檢測(cè)儀顯示的實(shí)驗(yàn)室的空氣濕度誤差都在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

濕度傳感器經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證并通過(guò)安全標(biāo)準(zhǔn)送審后，在多個(gè)煤礦井下進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。結(jié)果表明濕度傳感器和經(jīng)過(guò)計(jì)量的便攜式濕度檢測(cè)儀顯示的誤差完全在允許的范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種基于惠斯通電橋原理的礦用濕度傳感器。采用惠斯通電橋原理，將礦井現(xiàn)場(chǎng)的濕度信號(hào)轉(zhuǎn)換為惠斯通電橋的電壓差，經(jīng)放大后送入單片機(jī)進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行就地顯示；同時(shí)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬量數(shù)據(jù)或總線型數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，供第三方儀表進(jìn)行處理，該傳感器經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室和礦井現(xiàn)場(chǎng)的多場(chǎng)合驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，基于惠斯通電橋原理的礦用濕度傳感器測(cè)量的濕度具有準(zhǔn)確性高、實(shí)時(shí)性好、遠(yuǎn)程傳輸精度高等特點(diǎn)，為煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)提供了保障。