沉積粉塵傳感器的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析

1、什么是沉積粉塵傳感器

PM2.5傳感器也就是粉塵傳感器，或者灰塵傳感器、顆粒物傳感器，可以檢測(cè)周?chē)諝庵蟹蹓m顆粒濃度的大小。在空氣動(dòng)力學(xué)中，直徑小于10微米的粉塵是能夠通過(guò)器官直接進(jìn)入人體肺泡區(qū)，然后10微米以上的粉塵顆粒通過(guò)撞擊沉積，大部分沉積在鼻咽部，而小于10微米的粉塵會(huì)進(jìn)入呼吸道，5微米以下大小直徑的粉塵會(huì)直徑沉積在肺泡，這樣便會(huì)造成人體的呼吸道感染，甚至肺部疾病。

2、沉積粉塵傳感器結(jié)構(gòu)與組成

2.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

沉積煤塵傳感器主要由外殼、防塵罩、稱(chēng)量盤(pán)、稱(chēng)重傳感器和電路板組成。為了保證儀器的安全和增加儀器的穩(wěn)定性，外殼所用鋼板厚度不低于5mm，并在稱(chēng)量盤(pán)之上設(shè)計(jì)了防塵防風(fēng)罩，以減少井下風(fēng)流對(duì)儀器的影響，確保測(cè)量準(zhǔn)確。

2.2凹凸咬合式防塵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

稱(chēng)重傳感器的支撐柱支撐著稱(chēng)量盤(pán)，要求不得與其他任何物體接觸，否則將嚴(yán)重影響稱(chēng)量的準(zhǔn)確性。但另一方面為保證儀器的正常應(yīng)用，又必須對(duì)儀器進(jìn)行密封，為了解決這一矛盾，特設(shè)計(jì)了凹凸咬合式防塵結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

圖1凹凸咬合式防塵結(jié)構(gòu)圖

從防塵罩與稱(chēng)量盤(pán)之間的間隙通過(guò)的含塵氣流，如果不采取措施，將通過(guò)稱(chēng)重傳感器支撐柱與外殼之間的間隙，而流向儀器內(nèi)部，從而影響儀器的使用壽命和測(cè)量精度。因此，設(shè)計(jì)凹凸咬合式結(jié)構(gòu)，以防止粉塵從此縫隙進(jìn)入儀器內(nèi)部。

3、沉積粉塵傳感器的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1硬件電路總體方案設(shè)計(jì)

電路系統(tǒng)是整個(gè)儀器的核心部分，稱(chēng)重傳感器輸出信號(hào)的處理，監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)的輸送、數(shù)據(jù)顯示、運(yùn)行模式的切換、紅外遙控信號(hào)的處理、儀器的調(diào)零和標(biāo)定等功能，都是通過(guò)電路系統(tǒng)完成的。

圖2為硬件電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，硬件電路主要包括單片機(jī)系統(tǒng)、稱(chēng)重傳感器信號(hào)高精度A/D轉(zhuǎn)換、顯示驅(qū)動(dòng)、紅外遙控接收電路、數(shù)據(jù)傳輸、ISP（在

系統(tǒng)編程）接口電路和電源電路等。

圖2硬件電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.2稱(chēng)重傳感器信號(hào)高精度A/D轉(zhuǎn)換電路

由于稱(chēng)重傳感器額定輸出為1.5mV/V，輸入電壓5V，量程為600g，即在滿(mǎn)量程600g時(shí)，傳感器會(huì)輸出7.5mV的電壓信號(hào)。而沉積煤塵傳感器顯示精度為0.01g，因此A/D轉(zhuǎn)換電路需要能分辨01000125mV的微弱信號(hào)才能到達(dá)要求。

CS5532是美國(guó)CirrusLogic公司推出的一種具有極低噪音的、多通道$）2型模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，由于其采用電荷平衡技術(shù)和極低噪聲的可編程增益斬波穩(wěn)定測(cè)量放大器，可得到高達(dá)24位分辨率的輸出結(jié)果，其精度高，動(dòng)態(tài)特性寬。CS5532的差動(dòng)輸入端可以直接測(cè)量來(lái)自傳感器的毫伏信號(hào)，簡(jiǎn)化了與外圍電路的連接?？删幊淘鲆娣糯笃骺墒狗糯蟊稊?shù)從1~32進(jìn)行設(shè)定（以2倍步長(zhǎng)增加），大大提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。多級(jí)程控?cái)?shù)字濾波器使得數(shù)據(jù)輸出速率可選擇7.5Hz~3.84kHz，方便了與外設(shè)的連接。此外，CS5532內(nèi)部有一個(gè)完整的自校正系統(tǒng)，可進(jìn)行自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)，可消除A/D本身的零點(diǎn)增益和漂移誤差，以及系統(tǒng)通道的失調(diào)和增益誤差。寬動(dòng)態(tài)特性、可編程輸出速率、靈活的供電方式及簡(jiǎn)便的三線串行輸出模式，使得該A/D轉(zhuǎn)換器極易和單片機(jī)接口，非常適用于稱(chēng)重儀器高分辨率測(cè)量的情況。

在稱(chēng)重傳感器信號(hào)處理及A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中，由于其信號(hào)非常微弱，很容易受到各種干擾，如EMI干擾、地線干擾、電源干擾、電磁波干擾等，最終會(huì)嚴(yán)重影響儀器的測(cè)量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，因此抗干擾措施顯得非常重要。在該設(shè)計(jì)中采用了各種方法來(lái)盡量降低各類(lèi)干擾：EMI三端濾波電容濾除EMI干擾;PCB布線設(shè)置在大面積覆銅的干凈模擬地平面上等方法消除地線干擾;采用高精度線性穩(wěn)壓電源芯片對(duì)芯片獨(dú)立供電;采用無(wú)感電阻分壓后的電壓作為A/D的參考電源，以此最大程度地消除電源干擾;采用對(duì)A/D轉(zhuǎn)換部分加屏蔽罩的方法來(lái)消除外界的電磁干擾。A/D轉(zhuǎn)換部分電路原理框圖見(jiàn)圖3。

4現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及效果

圖4沉積粉塵傳感器24h連續(xù)監(jiān)測(cè)曲線圖

由于采煤隊(duì)檢修班每天都會(huì)對(duì)巷道進(jìn)行沖洗，時(shí)間大約在10：00）12：00，此時(shí)粉塵和水霧較大，在每天上午12：00后進(jìn)入檢修班，此時(shí)不割煤，粉塵較少，一般到晚上又進(jìn)入割煤工作狀態(tài)。由于以上情況，從圖4的監(jiān)測(cè)曲線可以看出，儀器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)非常符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作情況，在每天上午12：00左右沖洗巷道時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)有一次較大的增加，然后進(jìn)入檢修班，粉塵沉積量較小，在晚上至次日10：00左右是工作班，此時(shí)的粉塵濃度大，粉塵沉積多，儀器測(cè)得的數(shù)據(jù)連續(xù)增加。

為了驗(yàn)證沉積粉塵傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將在井下收集儀器托盤(pán)上的粉塵拿到地面用天平稱(chēng)量，并與傳感器顯示值進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1沉積粉塵傳感器與天平稱(chēng)量測(cè)試結(jié)果對(duì)比

序號(hào)沉積時(shí)間/d天平稱(chēng)量值/g傳感器顯示值/g誤差/%

111.521.46-3.9

217.297.60+4.3

326.015.73-4.6

4211.7311.21-4.4

5313.3312.95-2.9

5結(jié)論

沉積粉塵傳感器經(jīng)過(guò)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明，該傳感器可與KJ90、KJ2000等安全監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)使用，適合煤礦井下沉積粉塵的連續(xù)監(jiān)測(cè)，測(cè)量范圍0~100g，測(cè)量誤差小于5%。

沉積粉塵傳感器的成功研制填補(bǔ)了我國(guó)同類(lèi)儀器的空白，為煤礦沉積粉塵連續(xù)監(jiān)測(cè)提供基本測(cè)試手段，為防止和預(yù)防粉塵爆炸提供了重要技術(shù)手段。