現(xiàn)代檢測技術(shù)大作業(yè)

1、2015年2016年度第1學(xué)期課程名稱： 現(xiàn)代檢測技術(shù) 專 業(yè)： 控制工程 研究生姓名： 陳俊亞 學(xué) 號： 2016232011 任課教師姓名： 馮曉明 第一部分：現(xiàn)代檢測技術(shù)的內(nèi)容一、概述 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展、社會的日益進步，現(xiàn)代化生產(chǎn)的規(guī)模越來越大，管理的形式和方式趨于多樣性，管理也更加科學(xué)，人們對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量的要求也越來越高，這就導(dǎo)致常規(guī)的檢測參數(shù)、檢測手段、檢測儀表難以滿足現(xiàn)代生產(chǎn)和生活的需求。從一般的單參數(shù)測量到相關(guān)多參數(shù)的綜合自動檢測，從一般的參數(shù)量值測量到參數(shù)的狀態(tài)估計，從確定性測量到模糊的判斷等，已成為當(dāng)前檢測領(lǐng)域中的發(fā)展趨勢，正受到越來越廣泛的關(guān)注，從而形成了各種

2、新的檢測技術(shù)和新的檢測方法，這些技術(shù)和方法統(tǒng)稱為現(xiàn)代檢測技術(shù)。二、傳感器的基本原理及檢測技術(shù)的特點 利用某種轉(zhuǎn)換功能，將物理的、化學(xué)的、生物的等外界信號變成可直接測量的信號的器件稱為傳感器。由于電信號易于放大、反饋、濾波、微分、存儲和遠距離傳輸，加上計算機只能處理電信號，所以，從狹義上說，傳感器又可以定義為可唯一而重視性好的將外界信號轉(zhuǎn)換成電信號的元器件；從廣義上講，傳感器就是能感知外界信息并能按一定規(guī)律將這些信息轉(zhuǎn)換成可用信號的裝置；簡單說傳感器是將外界信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置。所以它由敏感元器件（感知元件）和轉(zhuǎn)換器件兩部分組成，有的半導(dǎo)體敏感元器件可以直接輸出電信號，本身就構(gòu)成傳感器。敏感元

3、器件品種繁多，就其感知外界信息的原理來講，可分為：物理類，基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應(yīng)?；瘜W(xué)類，基于化學(xué)反應(yīng)的原理。生物類，基于酶、抗體、和激素等分子識別功能。通常據(jù)其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。檢測技術(shù)的特點可以歸納為：(1)從待測參數(shù)的性質(zhì)看，現(xiàn)代檢測技術(shù)主要用于非常見的參數(shù)的測量，對于這些參數(shù)的測量目前還沒有合適的傳感器對應(yīng)，難以實現(xiàn)常規(guī)意義的“一一對應(yīng)”的測量；另一種情況是待測參數(shù)雖已有傳感器，但測量誤差比較大，受各種因素的影響比較大，不能滿足測量要求。(2)從應(yīng)用的領(lǐng)域看，

4、現(xiàn)代檢測技術(shù)主要用于復(fù)雜設(shè)備、復(fù)雜過程的影響性能質(zhì)量等方面的綜合性參數(shù)的測量，如高速運動機械的故障分析、油品質(zhì)量的檢測、多相流系統(tǒng)中的流動參數(shù)的測量等。對于這樣的被測對象或測量要求，很難用單一傳感器來完成。(3)從使用的技術(shù)或方法看，現(xiàn)代檢測技術(shù)主要利用了新型的傳感技術(shù)或傳感器。更多的利用了軟技術(shù)，即通過對傳感器輸出的信號進行處理得到特征量；通過建立傳感器的輸出與待測量之間的模型；通過應(yīng)用專業(yè)知識、數(shù)據(jù)庫、規(guī)則等進行推理，根據(jù)被測量的信息獲取待測量。三、現(xiàn)代檢測中傳感器的應(yīng)用及檢測系統(tǒng)性能評價現(xiàn)代檢測之中，應(yīng)用到的傳感器有各式各樣的，各種功能應(yīng)有盡有，其中最為普遍的要數(shù)光電傳感器、溫度傳感器以

5、及光纖傳感器，下面就著重介紹下面幾種種傳感器及檢測系統(tǒng)評價指標(biāo)。3.1、光電傳感器光電傳感器是一種小型電子設(shè)備，它可以檢測出其接收到的光強的變化?，F(xiàn)如今，應(yīng)用最為廣泛的要數(shù)發(fā)光二極管（LED）了，LED就是一種半導(dǎo)體元件，其電氣性能與普通二極管相同，不同之處在于當(dāng)給LED 通電流時，它會發(fā)光。由于LED 是固態(tài)的，所以它能延長傳感器的使用壽命。因而使用LED 的光電傳感器能被做得更小，且比白熾燈傳感器更可靠。LED 抗震動抗沖擊，并且沒有燈絲。另外，LED 所發(fā)出的光能只相當(dāng)于同尺寸白熾燈所產(chǎn)生光能的一部分。 再比如將接收器的放大器調(diào)制到發(fā)射器的調(diào)制頻率， 那么它就只能對以此頻率振動的光信號進

6、行放大。我們可以將光波的調(diào)制比喻成無線電波的傳送和接收。將收音機調(diào)到某臺，就可以忽略其他的無線電波信號。經(jīng)過調(diào)制的LED 發(fā)射器就類似于無線電波發(fā)射器，其接收器就相當(dāng)于收音機。3.2、溫度傳感器 溫度是一種最基本的環(huán)境參數(shù)，人民的生活與環(huán)境的溫度息息相關(guān)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中需要實時測量溫度，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也離不開溫度的測量，因此研究溫度的測量方法和裝置具有重要的意義.測量溫度的關(guān)鍵是溫度傳感器，溫度傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器、模擬集成溫度傳感器、智能集成溫度傳感器。目前，新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式，從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展。溫度測量應(yīng)用非常廣泛，不僅

7、生產(chǎn)工藝需要溫度控制，有些電子產(chǎn)品還需對它們自身的溫度進行測量，如計算機要監(jiān)控CPU的溫度，馬達控制器要知道功率驅(qū)動IC的溫度等等，溫度是實際應(yīng)用中經(jīng)常需要測試的參數(shù)，溫度傳感器從鋼鐵制造到半導(dǎo)體生產(chǎn)，很多工藝都要依靠溫度來實現(xiàn)，溫度傳感器是應(yīng)用系統(tǒng)與現(xiàn)實世界之間的橋梁。3.3、光纖傳感器光纖傳感器OFS在應(yīng)用上分為傳光型的和傳感型的，顧名思義，前一種就是起到傳輸光的作用，傳感元件要與光纖連在一起；后一種就是既有傳輸光的作用，又有傳感作用。因為光纖傳感器作為傳感用有很多的應(yīng)用，比如抗腐蝕，抗電磁干擾等，可以在復(fù)雜惡劣的環(huán)境下使用。作為傳感用的光纖，原理上就是通過對傳輸光的偏振，強度，相位，波長

8、，周期，頻率等進行調(diào)制，通過檢測器獲得調(diào)制結(jié)果而進行傳感的器件。因為當(dāng)外界的環(huán)境變化時，比如說溫度，應(yīng)力、磁、聲、壓力、溫度、加速度等都會對光纖的折射率分布等一些構(gòu)造產(chǎn)生微小的影響，導(dǎo)致傳輸光的特性發(fā)生改變，通過探測這些改變而得到外界的變化，起到傳感作用。至于應(yīng)用方面就很廣泛了，幾乎可以應(yīng)用到現(xiàn)在大多數(shù)電學(xué)傳感器應(yīng)用的領(lǐng)域了，比如安防，圍界安全，輸油管道安全實時監(jiān)控等，其應(yīng)用前景非常廣泛。3.4、電阻式傳感器 電阻式傳感器是通過轉(zhuǎn)換元件將被測量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚?，通過轉(zhuǎn)換電路將電阻值轉(zhuǎn)化為電信號，通過測量電信號達到測量非電量的問題。結(jié)構(gòu)：由電阻元件及電刷(活動觸點)兩個基本部分組成。電刷相對于電阻元

9、件的運動可以是直線運動、轉(zhuǎn)動和螺旋運動，因而可以將直線位移或角位移轉(zhuǎn)換為與其成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。電阻式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出精度較高、線性和穩(wěn)定性好等特點。但是它受環(huán)境條件如溫度等影響較大，有分辨率不高等不足之處。電阻式傳感器的分類：電位器式傳感器是一種把機械的線位移或角位移輸入量轉(zhuǎn)換為和它成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出的傳感元件，成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出的傳感元件；應(yīng)變片式傳感器的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即在導(dǎo)體產(chǎn)生機械變形時，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化；氣敏和濕敏電阻傳感器是一種把氣體中的特定成分或水蒸氣檢測出來造成半導(dǎo)體阻值變化的電阻傳感器。3.5、電感式傳感器電感式

10、傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測量的變化轉(zhuǎn)換為線圈的自感或互感變化的器件。常用來測量位移、壓力、流量、比重等。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、輸出電阻小、輸出功率大、抗干擾能力強，缺點是不宜快速動態(tài)測量。3.6、電容式傳感器電容式傳感器是一種將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化的器件。常用來測量位移、壓力、加速度、液位、振動和濕度等。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單體積小、測量精度高，可實現(xiàn)非接觸測量，能在高溫、輻射、振動等惡劣條件下工作。電容式傳感器與電阻式、電感式等傳感器相比有如下一些優(yōu)點：(1)高阻抗、小功率,因而所需的輸入力很小，輸人能量也很低。電容式傳感器因帶電極板 間靜電引力極小(約幾個10-5 N)，因此所需輸

11、入能量極小，所以特別適宜用來解決輸入能量低的 測量問題，例如測量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏,分辨力非常髙，能 感受0.001m甚至更小的位移。(2)溫度穩(wěn)定性好。傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低的材料， 又因本身發(fā)熱極小，對穩(wěn)定性影響甚微。(3)結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強，待測體是導(dǎo)體或半導(dǎo)體均可,可在惡劣環(huán)境中工作。電容式傳感 器結(jié)構(gòu)簡單,易于制造,可做得非常小巧，以實現(xiàn)某些特殊的測量;能工作在高低溫、強輻射及強 磁場等惡劣的環(huán)境中，也能對帶有磁性的工件進行測量。(4)動態(tài)響應(yīng)好。由于極板間的靜電引力很小，可動部分做得很小很薄，因此其固有頻率很 高，動

12、態(tài)響應(yīng)時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動態(tài)測量，如測量振動、瞬時壓力等。(5)可以實現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應(yīng)。例如非接觸測量回轉(zhuǎn)軸的振動或偏心、小型滾珠 軸承的徑向間隙等。當(dāng)采用非接觸測量時,電容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工作表面粗糙 等對測量的影響。3.7、檢測系統(tǒng)性能評價檢測系統(tǒng)的特性是指檢測系統(tǒng)與其輸入、輸出的關(guān)系。根據(jù)輸入信號是否隨時間變化，檢測系統(tǒng)的基本特性可分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性。（1） 靜態(tài)特性在被測量的各值處于穩(wěn)定狀態(tài)時，輸出量和輸入量之間的關(guān)系。靜態(tài)性能指標(biāo)分為遲滯、重復(fù)性、線性度、精度、穩(wěn)定性和漂移；（2） 動態(tài)特性是指在動態(tài)測1量時，輸出量和隨時間變化的輸入

13、量之間的關(guān)系。動態(tài)性能指標(biāo)分為響應(yīng)時間、響應(yīng)頻率和工作頻率。四、信號調(diào)理電路4.1、電橋測量電橋的特點：(1)能把電阻、電容、電感等電抗參數(shù)的變化，變換成電壓或電流的變化，便于信號的放大和處理。(2)能測量出微弱的阻抗變化量。(3)可以通過采用對稱差動式傳感器結(jié)構(gòu)組成差動半橋或全橋來實現(xiàn)非線性誤差的補償，并提高電橋輸出的靈敏度。1）直流電橋（以平衡直流電橋為例）特點：(1)響應(yīng)速度慢，只適用于緩慢變化信號的檢測。(2)測量精度高，其精度取決于電位器的精度。(3)輸出與供橋電源電壓無關(guān)，可避免由于電源電壓的不穩(wěn)定而帶來的干擾。2）交流電橋交流電橋是測量各種交流阻抗的基本儀器，如電容的電容量，電感

14、的電感量等。此外還可利用交流電橋平衡條件與頻率的相關(guān)性來測量與電容、電感有關(guān)的其他物理量，如互感、磁性材料的磁導(dǎo)率、電容的介質(zhì)損耗、介電常數(shù)和電源頻率等，其測量準(zhǔn)確度和靈敏度都很高，在電磁測量中應(yīng)用極為廣泛。4.2、信號放大電路放電電路具有如下特征：穩(wěn)定而足夠的放大倍數(shù)；高輸入阻抗以與傳感器的輸出阻抗匹配；高共模抑制比以抑制共模干擾；低輸入失調(diào)電壓和電流、低溫漂和低噪聲 1、直流放大電路2、交流放大電路引入深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋后，放大電路的增益為： 2、放大電路應(yīng)用實例高精度壓力放大電路光敏信號放大電路4.3、信號轉(zhuǎn)換電路這種電路是指將電壓、電流、電阻和頻率等各類信號進行相互轉(zhuǎn)換的電路4.4、濾

15、波電路 濾波電路（也稱濾波器）就是一種選頻裝置，可使信號中特定的頻率成分通過，而極大的衰減其他頻率成分。 濾波電路的功能是：濾除測試系統(tǒng)中由于各種原因引入的噪聲和干擾；濾除信號調(diào)制過程中的載波等無用信號；用于分離各種不同的頻率信號，提取感興趣的頻率成分；對系統(tǒng)的頻率特性進行補償。 1、濾波器的基本參數(shù)1）增益A0：指通帶內(nèi)的幅頻特性的幅值2）通帶截止頻率fp： fp=p/2為通帶與過渡帶邊界點的頻率，在該點信號增益下降到一個人為規(guī)定的下限。3）阻帶截止頻率fr：fr=r/2為阻帶與過渡帶邊界點的頻率，在該點信號衰耗(增益的倒數(shù))下降到一人為規(guī)定的下限。4）轉(zhuǎn)折頻率fc：fc=c/2為信號增益下

16、降了3dB時的頻率，常作為截止頻率。5）帶寬B：兩截止頻率之間的頻率范圍。即低通和高通濾波器B=fc，帶通和帶阻濾波器B= fc2 - fc1。6）品質(zhì)因數(shù)Q：對于帶通和帶阻濾波器來說，Q=f0/B。越大，則濾波器的選擇性越好。7）倍頻程選擇性：指在fc2與2 fc2之間，或在fc1與fc1/2之間，幅頻特性的衰減值，用dB表示。它反映了濾波器對通頻帶以外的頻率成分的衰減能力。 2、無源濾波器無源濾波器，又稱LC濾波器，是利用電感、電容和電阻的組合設(shè)計構(gòu)成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，最普通易于采用的無源濾波器結(jié)構(gòu)是將電感與電容串聯(lián)，可對主要次諧波構(gòu)成低阻抗旁路；單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波

17、器、高通濾波器都屬于無源濾波器。無源濾波器分為無源RC低通濾波器、無源RC高通濾波器、無源RC帶通濾波器。3、有源濾波器有源電力濾波器（Active Power Filter，簡稱APF）是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波以及變化的無功進行補償。分為二階有源低通濾波器、二階有源高通濾波器、二階有源帶通濾波器。4、濾波器的應(yīng)用帶通濾波器用于信號的頻譜分析和信號中特定頻率成分的提??；低通濾波器用于濾出信號中的高頻干擾和噪聲；高通濾波器用于聲發(fā)射檢測儀中剔除低頻干擾噪聲；帶阻濾波器用作電渦流測振儀中的濾波器。漏磁檢測霍爾傳感器調(diào)理電路5、頻率調(diào)制的解調(diào)

18、調(diào)制就是用一個信號（稱為調(diào)制信號）去控制另一個作為載體的信號（稱為載波信號），讓后者的某一特征參數(shù)按前者變化。從已經(jīng)調(diào)制的信號中恢復(fù)出調(diào)制信號的過程稱為解調(diào)。調(diào)頻波的解調(diào)是先將調(diào)頻波變換成調(diào)頻調(diào)幅波，然后再進行幅值檢波，由鑒頻器完成 五、現(xiàn)代檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢 近年來，傳感器正處于傳統(tǒng)型向新型傳感器轉(zhuǎn)型的發(fā)展階段。新型傳感器的特點是微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化，它不僅促進了傳統(tǒng)儀器儀表產(chǎn)業(yè)的改造，而且可導(dǎo)致建立新型工業(yè)和軍事變革。微型化是建立在微電子機械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)基礎(chǔ)上的，目前已成功應(yīng)用在硅器件上形成硅壓力傳感器（如上述EJX變送器）。微電子機械加工技術(shù)，包括體微

19、機械加工技術(shù)、表面微機械加工技術(shù)、L1GA技術(shù)（X光深層光刻、微電鑄和微復(fù)制技術(shù)）、激光微加工技術(shù)和微型封裝技術(shù)等。MEMS的發(fā)展，把儀表的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了新的高度。傳感器和多通道檢測儀表，在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上，內(nèi)置微處理器，或把微傳感器和微處理器及相關(guān)集成電路等封裝在一起完成了數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)正在形成熱點，它不同于一般信號處理，也不同于單個或多個傳感器的監(jiān)測和測量，而是對基于多個傳感器測量結(jié)果基礎(chǔ)上的更高層次的綜合決策過程。有鑒于傳感器技術(shù)的微型化、智能化程度提高，在信息獲取基礎(chǔ)上，多種功能進一步集成以至于融合，這是必然的趨勢。多

20、傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)也促進了 顯示儀表技術(shù)的發(fā)展。多傳感器數(shù)據(jù)融合的定義概括為：把分布在不同位置的多個同類或不同類傳感器所提供的局部數(shù)據(jù)資源加以綜合，采用計算機技術(shù)對其進行分析，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，加以互補，降低其不確定性，獲得對被測對象的一致性解釋與描述，從而提高系統(tǒng)決策、規(guī)劃、反應(yīng)的快速性和正確性，使系統(tǒng)獲得更充分的信息。其信息融合在不同信息層次上出現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)層（像素層）融合、特征層融合、決策層（證據(jù)層）融合。由于它比單一傳感器信息有如下優(yōu)點，即容錯性、互補性、實時性、經(jīng)濟性，所以數(shù)字壓力表逐步得到推廣應(yīng)用。應(yīng)用領(lǐng)域除軍事外，還適用于自動化技術(shù)、機器人、海洋監(jiān)視、地震

21、觀測、建筑、空中交通管制、醫(yī)學(xué)診斷、遙感技術(shù)等方面。第二部分：應(yīng)用實例一、研究背景和目的1.1研究背景和目的近年來，煤礦事故頻頻發(fā)生，煤礦工人的安全問題時時牽拉著人們的神經(jīng)。煤炭是國家經(jīng)濟發(fā)展的重要能源，所以安全生產(chǎn)、加強煤礦的安全建設(shè)已經(jīng)越來越緊急和迫切。煤礦事故的元兇主要是瓦斯，因瓦斯事故每年都給國家和人民帶來巨大損失。煤礦瓦斯治理是煤礦安全生產(chǎn)治理的核心，如何有效控制瓦斯事故是解決煤礦安全問題的關(guān)鍵。據(jù)不完全統(tǒng)計，在 1981 至 2001 年期間，全國煤礦事故總計死亡約 12.6 萬人，其中重特大瓦斯事故死亡人數(shù)占 72.3%，平均每年死亡 1579 人。2005 年，煤礦瓦斯事故發(fā)生

22、 405 起，死亡 2157 人；2006 年瓦斯事故發(fā)生 327 起，死亡 1319 人。僅 2005 年 12月 7 日河北省唐山市恒源實業(yè)有限公司的瓦斯煤塵爆炸事故就造成了 108 人死亡，29人受傷的嚴(yán)重后果，直接經(jīng)濟損失 4870.67 萬元。在這些殘酷的數(shù)字面前，人們清醒得認(rèn)識到，若要保障人民的生命安全和國家的經(jīng)濟正常發(fā)展，必須加強煤礦的安全生產(chǎn)，加強瓦斯含量的檢測力度，努力做到防患于未然，才能將損失降低到最小。由于煤礦自然環(huán)境復(fù)雜，礦井開采條件多變，而且存在著火災(zāi)、水災(zāi)等自然災(zāi)害，加上煤礦作業(yè)空間十分狹小，照明條件差等因素，目前常用的煤礦安監(jiān)系統(tǒng)仍使用有線方式，即采用光纜、電力線

23、纜或信號線纜等，有線方式存在以下缺陷： (1)布線繁瑣，安裝維護成本大。監(jiān)測系統(tǒng)所需的大量光纜、電纜價格不菲，此外在復(fù)雜的地下環(huán)境布設(shè)線路同樣需要消耗大量的人力物力。 (2)覆蓋范圍有限。由于地形環(huán)境復(fù)雜多變，礦井中存在著大量難以布線的區(qū)域，有線監(jiān)控系統(tǒng)很難遍布礦井的各個地區(qū)，無法實現(xiàn)對整個礦井的全方位監(jiān)測，為安全生產(chǎn)留下隱患。 (3)線路依賴性強。有線網(wǎng)絡(luò)的自我修復(fù)能力較差，局部線路遭到破壞很可能造成整個監(jiān)控系統(tǒng)的癱瘓。特別是發(fā)生爆炸事件時，線纜往往會受到致命的破壞，不能為搜救工作及事態(tài)檢測提供信息。現(xiàn)階段，隨著各地礦井開采深度的增加，已有的安檢系統(tǒng)難以擴展網(wǎng)絡(luò)、靈活性不高已成為制約安全檢測

24、的瓶頸。這使得網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠性、有效性和實時性得不到保證，難以確保重要數(shù)據(jù)及時傳輸。因此，利用無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)簡單、擴展性強的特點解決煤礦安檢系統(tǒng)對實時性、可擴展性和低成本的需求已經(jīng)非常迫切。1.2 瓦斯含量檢測技術(shù)及Zigbee發(fā)展現(xiàn)狀目前，瓦斯檢測采用的是瓦斯巡回檢查，即派專職人員以巡檢的形式，定期采集指定地點的瓦斯信息。但是該方式存在以下缺點： (1) 人工獲取數(shù)據(jù)、手工記錄，無法做到實時檢測。 (2) 瓦檢員人身安全難以保證。 (3) 歷史數(shù)據(jù)查詢麻煩、不能根據(jù)歷史記錄直接進行分析。 所以設(shè)計更合理、更高效的瓦斯采集方案擺在了人們的面前。 Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)是無線網(wǎng)絡(luò)的一個成員，主

25、要用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由分布在給定區(qū)域內(nèi)的眾多無線傳感器節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。每一個傳感器節(jié)點都有一種或多種傳感器用來獲取信息，并具有一定的計算能力。各節(jié)點之間通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)信息的交流、匯集和處理，從而實現(xiàn)對局部區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的探測和定位。隨著通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，具有感知能力、計算能力和通信能力的微型傳感器開始在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)。 國際上比較有代表性和影響力的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實用項目有：遙控戰(zhàn)場瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)、智能塵埃項目、野生動植物行為習(xí)性監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等。目前，英特爾公司與加州大學(xué)伯克利分校正領(lǐng)導(dǎo)者“微塵”技術(shù)的研究工作，已經(jīng)成功研制了瓶蓋大小的全能傳感器，可以執(zhí)

26、行計算、檢測與通信功能。在日本，日立公司已開發(fā)出了全球最小的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端，該終端可以連接各種傳感器包括溫度、亮度、紅外線以及加速度等。可以應(yīng)用于安全管理和智能家庭。我國的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達國家同步。2001 年由中國科學(xué)院牽頭，由上海微系統(tǒng)所、微電子所、半導(dǎo)體所、電子所、軟件所、中國科技大學(xué)等十余家科研院所和高校建立了傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研發(fā)平臺，在無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微型傳感器、傳感器節(jié)點等方面取得了很大進展。Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在各領(lǐng)域展開了廣泛的應(yīng)用。二、瓦斯?jié)舛葯z測技術(shù)2.1 瓦斯傳感器技術(shù)目前，礦井中常用的瓦斯傳感器可分為熱導(dǎo)式和熱效式兩大類。 熱

27、導(dǎo)式瓦斯傳感器利用瓦斯與空氣導(dǎo)熱系數(shù)的不同而測量瓦斯?jié)舛?。這種傳感器在工作時需通入恒定的電流，將其加熱到一定的溫度(180左右)才能工作，功耗較大，且其中的半導(dǎo)體熱敏式電阻傳感器受水蒸汽的影響較大，元件的一致性和互換性也較差。熱導(dǎo)式瓦斯檢測儀在測定低濃度的瓦斯時，輸出信號很小誤差較大。因此，這類傳感器制成的瓦斯檢測儀適用于測量高濃度的瓦斯(5%100%)。目前這種傳感器在礦井中應(yīng)用較少。 熱效式瓦斯傳感器(又稱熱催化式瓦斯傳感器)，其工作原理是利用可燃氣體在催化劑的作用下進行無焰燃燒產(chǎn)生熱量，使元件電阻因溫度升高而發(fā)生變化，通過測量電阻端電壓來測知瓦斯的濃度。這種傳感器的優(yōu)點是精度較高，輸出信

28、號較大(1%CH 時，輸出電壓可達 1520mV)，且不受其它燃氣和灰塵存在的影響。它的缺點是元件表面溫度高(300450)；壽命短(多數(shù)國家均保證 1 年)；功耗大(其加熱功率>1W。熱催化元件功耗為 0.30.75W)，易受硫、鉛、磷、氯等的化合物干擾而使催化劑中毒，降低其靈敏度，甚至誤報。綜合上述因素，本課題中傳感器器件選用DYNAMENT公司生產(chǎn)的MJC4傳感器，其結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。圖2.1 元件外形結(jié)構(gòu)2.2 Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名

29、稱（又稱紫蜂協(xié)議）來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂是靠飛翔和“嗡嗡”地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。它有如下特點：

30、(1) 低功耗：由于Zigbee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此Zigbee設(shè)備非常省電。(2) 成本低：Zigbe模塊的初始成本在 6 美元左右，估計很快就能降到 1.52.5 美元，并且Zigbe協(xié)議是免專利費的。(3) 延時短：通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設(shè)備時延30ms，休眠激活的時延是 15ms，活動設(shè)備信道接入的時延為 15ms。(4) 可靠：采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。 (5) 安全：Zigbee提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和

31、認(rèn)證。基于以上特點，Zigbee 網(wǎng)絡(luò)成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首選，它非常適宜于在工礦環(huán)境下構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)。2.3 瓦斯檢測系統(tǒng)設(shè)計方案本課題研究的是 Zigbee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在瓦斯采集系統(tǒng)中的應(yīng)用。因此，研究的重點在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建立上。另外傳感器如何采集數(shù)據(jù)并將之放于網(wǎng)絡(luò)，也是本課題的一個重點。下面介紹本系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。本系統(tǒng)主要包括 Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸部分和瓦斯信息采集和處理部分，將二者分開的目的是增加網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍，只需要建立一次網(wǎng)絡(luò)就可以連接多種應(yīng)用。其中，Zigbe無線網(wǎng)絡(luò)部分的主要功能是完成礦井下信號的無線傳輸，它包括 Zigbee射頻模塊和底板模塊兩個部件。將二者分開是

32、因為射頻部分需要考慮板材的選取和天線的設(shè)計，將它們分開可以降低成本、避免干擾。Zigbee底板主要提供功能外設(shè)，包括模塊電源設(shè)計、程序下載 Debug 口的設(shè)計、液晶顯示電路設(shè)計、按鍵和各種接口設(shè)計等。兩大部分通過串口進行數(shù)據(jù)的通信，其連接關(guān)系如下圖： 圖2.2 模塊連接關(guān)系瓦斯采集及信息處理模塊主要完成瓦斯信息的采集和處理。電路主要包括瓦斯傳感器的配置，CPU主芯片MSP430F169的配置，液晶顯示模塊電路的設(shè)計，按鍵部分電路設(shè)計及各種接口電路的設(shè)計等。三、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計瓦斯?jié)舛葯z測儀電路按照I類電氣設(shè)備(煤礦用電氣設(shè)備)本質(zhì)安全電路的要求進行設(shè)計，以MSP430F1

33、57為核心，外擴電源監(jiān)視看門狗電路，傳感器探頭驅(qū)動電路，檢測信號濾波放大電路，420mA電流環(huán)電路，RS485接口電路，報警輸出接口及電源部分等，電路原理框圖如圖3.1所示。圖3.1 系統(tǒng)總體原理圖系統(tǒng)的硬件功能模塊主要分為協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點和瓦斯采集節(jié)點，其中協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點因為主芯片相同可以用同一套硬件系統(tǒng)來實現(xiàn)，只要下載相應(yīng)的軟件即可完成相關(guān)功能。3.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)模塊電路設(shè)計Zigbee網(wǎng)絡(luò)模塊因為要包含協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點三種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功能。因此需要完備的電路配置，本設(shè)計采用底板和射頻板分離的方案，在底板上設(shè)計了各種功能。 (1) 電源部分：如下圖3.4所示，

34、電源部分采用電池供電和電源供電兩種供電方式，用戶可以自行選擇。電池供電采用2節(jié)1.5V干電池，由于系統(tǒng)主板要求電源電壓3.3V，輸入電壓不能小于2.8V，若電池電量降低供電電壓會低于2.8V，為了最大限度使用電池，需要使用BOOST 電源芯片SP6641將3V的電池電壓轉(zhuǎn)換成 3.3V，然后使用線性電源芯SP6201過濾開關(guān)電源產(chǎn)生的紋波電壓。電源供電方式，由于其輸入電壓為5V，同樣需要轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的3.3V，這里采用線性電源芯片AM1117 來完成電壓的轉(zhuǎn)換。圖3.1 電源模塊(2)串口部分：如下圖 3.5 所示，用芯片 MAX3232 來完成串口的配置，同時加上發(fā)送和接收兩個端口的 LE

35、D 燈指示，方便調(diào)試。系統(tǒng)選用 P0.2 和 P0.3 兩個串口作為系統(tǒng)的輸入輸出串口。圖3.2 串口模塊(3)液晶顯示部分：如下圖3.7所示，本系統(tǒng)采用東顯LCD12864-I型號的液晶模塊，因為此模塊是并行數(shù)據(jù)口，而CC2430引腳資源有限只能使用串行數(shù)據(jù)，所以使用74HC595芯片將CC2430的串行數(shù)據(jù)變換為并行數(shù)據(jù)再連接液晶模塊。圖3.3 液晶顯示部分四、系統(tǒng)軟件程序設(shè)計4.1 系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)流程本系統(tǒng)主要通過串口透傳方法將 A/D 采樣的數(shù)據(jù)經(jīng)終端節(jié)點送到網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器，其傳輸介質(zhì)是電磁波，整個數(shù)據(jù)流程經(jīng)過了多個模塊，如下圖 4.1 所示。圖 4.1 系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)流程網(wǎng)絡(luò)模塊都具有無線接

36、受和發(fā)送的能力，應(yīng)用程序只需為協(xié)議棧注冊應(yīng)用端口、為操作系統(tǒng)添加任務(wù)、為協(xié)議棧準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)就可以通過協(xié)議棧發(fā)送數(shù)據(jù)，接收方通過消息處理函數(shù)接收來自發(fā)送方的數(shù)據(jù)。終端節(jié)點需要完成加入網(wǎng)絡(luò)的工作，加入網(wǎng)絡(luò)后就可以從串口接收 A/D 采樣數(shù)據(jù)并通過協(xié)議棧將數(shù)據(jù)無線發(fā)送。路由器的工作比終端節(jié)點點多了一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，這可以由協(xié)議棧完成，用戶應(yīng)用程序不作處理。4.2 串口透傳應(yīng)用程序設(shè)計大多數(shù)單片機和系統(tǒng)都支持串口數(shù)據(jù)傳輸。因此，使用串口連接瓦斯含量信息檢測模塊或其他外設(shè)模塊非常方便。另外，如果網(wǎng)關(guān)支持串口，可以方便的將Zigbee協(xié)議轉(zhuǎn)換為其他協(xié)議，利用已有的網(wǎng)絡(luò)資源，避免重復(fù)投資。本課題根據(jù)協(xié)議棧提供

37、的串口應(yīng)用實例做了適合本系統(tǒng)的改動，設(shè)計了串口透傳的應(yīng)用層程序。使用該技術(shù)可以將所有具有串口功能的外設(shè)模塊接入Zigbee網(wǎng)絡(luò)，從而代替了有線連接。在透傳系統(tǒng)中，所有的網(wǎng)絡(luò)模塊都具有串口的收發(fā)功能，只要上位機串口有數(shù)據(jù)輸出，模塊就把串口的數(shù)據(jù)以無線方式編碼發(fā)送。當(dāng)接收模塊接收到發(fā)射模塊發(fā)送的無線數(shù)據(jù)后，就會把解碼后的數(shù)據(jù)按發(fā)送端的格式從串口輸出，這樣網(wǎng)絡(luò)兩端的上位機和下位機都通過串口收發(fā)數(shù)據(jù)而不用理會無線傳輸部分，這就是無線透傳的工作。無線透傳是一種使用UART串口的Zigbee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，與其它應(yīng)用的實現(xiàn)方法一樣，UART串口透傳應(yīng)用需要將程序以任務(wù)的規(guī)范，加入操作系統(tǒng)，有網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)調(diào)度執(zhí)行

38、在做Zigbee項目設(shè)計時，所有的應(yīng)用，都以任務(wù)的方式加載到操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)來調(diào)度。用戶只需要編寫自己的任務(wù)，以適當(dāng)?shù)姆绞綄⑷蝿?wù)加入 OSAL的任務(wù)表中就可以了。OSAL主要負(fù)責(zé)任務(wù)管理、消息管理、電源管理、定時器管理和存儲器管理等。Zigbee中的操作系統(tǒng)對任務(wù)的管理是基于任務(wù)輪詢方式的，在系統(tǒng)的任何位置只要我們實現(xiàn)了osalInitTasks就可以將我們系統(tǒng)中的所有任務(wù)放在操作系統(tǒng)中執(zhí)行。分別完成協(xié)議棧各層的初始化任務(wù)，各層之間的信息交換通過消息命令的方式來完成，在應(yīng)用層接受到各類消息后由相應(yīng)的處理函數(shù)來處理。用戶任務(wù)初始化函數(shù)SerialApp_Init( taskID )加載到最后

39、表示優(yōu)先級最低。4.3 網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序設(shè)計Zigbee網(wǎng)絡(luò)是局域網(wǎng)，外界要使用Zigbee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)必須通過網(wǎng)關(guān)把 Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換為外界網(wǎng)絡(luò)的的協(xié)議?，F(xiàn)今，最廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)是TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)。所以本項目設(shè)計了Zigbee轉(zhuǎn)TCP/IP 網(wǎng)關(guān)將協(xié)調(diào)器接收到的數(shù)據(jù)，通過串口交給到網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化以太網(wǎng)格式，發(fā)送到遠端的監(jiān)控室。網(wǎng)關(guān)設(shè)計需要使用TCP/IP協(xié)議棧，TCP/IP協(xié)議是一個四層的分層體系結(jié)構(gòu)。高層為傳輸控制協(xié)議(TCP，Transmission Control Protocol)，它負(fù)責(zé)聚集信息或把文件拆分成更小的包。這些包通過網(wǎng)絡(luò)傳送到接收端的TCP層，接收端的TCP

40、層把包還原為原始文件。低層是網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議(IP，Internet Protocol)，它處理每個包的地址部分，使這些包正確的到達目的地。TCP/IP使用客戶端/服務(wù)器模式進行通信，TCP/IP通信是點對點的面向連接的協(xié)議，也即通信在網(wǎng)絡(luò)中的一臺主機與另一臺主機之間進行，主機之間的數(shù)據(jù)傳輸可靠性由協(xié)議棧在保證。與TCP/IP協(xié)議相對的協(xié)議還有用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議(UDP)，它不是面向連接的，因此網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)是否到達對端要有用戶程序考慮。還有一些協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)主機用來交換路由信息的，包括Internet控制信息協(xié)議(ICMP)，內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議(IGP)，外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議(EGP)，邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議(BGP)等等。圖 4.

41、2 網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)流圖本課題的網(wǎng)關(guān)采用串口轉(zhuǎn)接以太網(wǎng)的方式實現(xiàn)，將串口輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)輸出，從以太網(wǎng)輸入的數(shù)據(jù)包先解碼取出有效載荷后由串口輸出。開發(fā)協(xié)議棧使用LWIP1.3.2，操作系統(tǒng)使用 UCOS II 2.86，CPU 使用ARM S3C6410，網(wǎng)關(guān)使用 ARM11 開發(fā)板設(shè)計。五、系統(tǒng)調(diào)試及實驗結(jié)果5.1 系統(tǒng)調(diào)試本方案測試是在實驗室環(huán)境下搭建一個測試環(huán)境，主要測試采集前端的瓦斯?jié)舛葴y定功能、Zigbee 型網(wǎng)絡(luò)的搭建功能以及瓦斯信息的無線發(fā)送功能。 首先，采集前端瓦斯?jié)舛葯z測 本模塊測試選擇實驗室用1%和5%的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣樣進行瓦斯?jié)舛葴y定功能測定。將采集模塊

42、放在封閉的氣室內(nèi)，并持續(xù)向內(nèi)通不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣樣，最終測試的濃度信息會經(jīng)過主控制芯片MSP430F169的處理直接通過串口傳遞給上位機，上位機通過串口調(diào)試助手顯示接收的信息。需要注意的是，在進行試驗之前，必須先將瓦斯傳感器電阻調(diào)零，將電橋輸出電壓調(diào)為0。封閉氣室最好也通氣5分鐘后再進行試驗，保證氣樣將空氣排盡。測試時，先向采集前端通1%的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣樣，過大約1分鐘左右采集前端就能夠檢測到環(huán)境中的瓦斯?jié)舛葹?%，并通過串口將該濃度值顯示在PC機上。然后，再向采集前端通5%的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣樣，過大約12分鐘采集前端就能夠檢測到環(huán)境中的瓦斯?jié)舛葹?%。在進行瓦斯?jié)舛葴y定功能測試時，要時刻注意標(biāo)準(zhǔn)氣樣

43、鋼瓶上流量計的讀數(shù)，保證氣體流量在200ML/s，否則向采集前端通氣時，鋼瓶流出的甲烷氣樣的濃度會和標(biāo)準(zhǔn)值之間有誤差。然后搭建Zigbee 星型網(wǎng)絡(luò)：每個終端節(jié)點受網(wǎng)絡(luò)特性的影響，最大檢測距離不應(yīng)超過100米，這里選擇70米。星型網(wǎng)絡(luò)的搭建最少需要1個協(xié)調(diào)器一個終端節(jié)點，這里選擇1個協(xié)調(diào)器，1個路由器，1個終端節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)可通過 Zigbee Packet Sniffer2006 來檢測到。最后瓦斯信息的無線發(fā)送功能：瓦斯?jié)舛刃畔⒌牟杉l(fā)送端采用本文設(shè)計的瓦斯采集終端節(jié)點，發(fā)送網(wǎng)絡(luò)采用前面測試的星型網(wǎng)絡(luò)，接收到的數(shù)據(jù)通過 Zigbee網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將Zigbee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為TCP/IP 協(xié)議數(shù)據(jù)送往上位機，上位機上使用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手監(jiān)控網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)。測試時，間隔不同的距離進行無線數(shù)據(jù)收發(fā)的測試。本課題使用 IAR EW MCS-51 軟件設(shè)計了Zigbee無線網(wǎng)