基于磁阻效应的矿井杂散电流检测仪的开发

摘要

本课题是山西省晋煤集团科技攻关项目“寺河矿供电系统杂散电流分布及其检测和防治技术研究”（项目编号:JMJS-JS-2012050）的重要组成部分，是针对我国煤矿井下因杂散电流导致的各类事故频发、检测方式落后、相关检测设备功能不能满足需求等问题而提出的。随着我国煤炭工业的快速发展，对井下各类灾害的预警和防治有了更高的要求，近年来因杂散电流引发的火灾和爆炸事故在各类安全事故中占有很大的比重。我国煤矿井下对杂散电流的研究相对滞后，现有的检测技术和设备存在检测方式安全性差、检测精度低、抗干扰能力差，不便于成网分析和远程监控等问题。因此，开发一种适用于井下杂散电流检测的仪器，实现杂散电流的高精度实时检测，对井下杂散电流的治理具有重要的现实意义。
　　通过查阅大量相关领域的技术文献，确定了井下杂散电流的检测方法，制定了检测仪器的设计方案，设计了检测单元的硬件电路，编写了检测仪器各部分的功能程序，通过实验证明了该检测仪器的电流检测精度可满足井下杂散电流的检测需求。本文的主要研究内容如下:
　　结合井下工作环境，分析并总结出井下杂散电流的产生原因，以产生原因和国内外研究现状为依据，提出了一种基于磁阻效应的检测方法，阐述了该检测方法的基本原理，建立了各向异性磁阻效应和相关电磁场理论构架，为检测仪器的设计和开发奠定了理论基础。
　　秉着高分辨率和强稳定性的原则，制定了检测仪器的硬件电路设计方案，绘制了各功能模块的电路原理图，设计了各部分的PCB电路，包括:磁场/温度信号采集电路、磁阻传感器外围电路、温度信号调理电路、CPU最小系统电路、通讯电路、数据存储电路、时钟电路、显示电路和电平转换电路等，对各部分电路进行了调试，通过实验验证了设计方案的正确性。
　　分析了磁感应线在磁介质分界面上的折射规律，以此为依据设计了具有磁场汇集效果的聚磁装置和屏蔽不相关磁场功能的磁屏蔽装置，完成装置材料的选型，介绍了装置的基本原理，通过Ansoft Maxwell仿真软件对装置的功能和特性进行了实验验证，并设计了集聚磁、磁屏蔽和隔爆性能于一体的矿用隔爆外壳。
　　制定了检测仪器的软件设计方案，基于C语言和汇编语言平台，采用模块化设计方式编写了检测装置的软件程序，具体包括:主程序、A/D子程序、数字滤波子程序、串行异步通信(RS-485)子程序、人机交互系统通讯子程序(SPI)和磁场数据修正子程序等，所编程序可读性好，可移植性强。
　　在实验室搭建测试平台，对所设计的硬件电路和聚磁/磁屏蔽装置进行了特性和功能实验验证，主要完成的实验有:磁阻传感器输出线性关系验证实验、磁阻传感器温度特性验证实验、磁阻传感器置/复位电路性能验证实验、聚磁/磁屏蔽装置性能测试实验、检测装置输出性能和检测效果验证实验等。实验结果表明，设计的检测仪器可以准确、稳定地测量杂散电流的磁场，这为矿井杂散电流的治理奠定了良好的基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 杂散电流检测技术的发展现状

1．2．1 国外发展和研究现状

1．2．2 国内发展和研究现状

1．3 研究目标及内容

第二章 井下杂散电流成因分析及检测方法研究

2．1 井下直流杂散电流产生原因分析

2．2 井下交流杂散电流产生原因分析

2．2．1 来源于煤矿供电系统的零序电流

2．2．2 来源于电缆电流产生的感应电流

2．2．3 来源于矿井电缆绝缘老化产生的漏电流

2．3 井下杂散电流检测方法的确定

2．4 基于磁阻效应的矿井杂散电流检测方法

2．4．1 各向异性磁阻效应的基本原理

2．4．2 电磁场理论分析

2．5 基于磁阻效应的矿井杂散电流检测方法应用技术

2．5．1 应用于埋地管道

2．5．2 应用于管路、电缆和地线

2．6 本章小结

第三章 杂散电流检测装置硬件设计

3．1 硬件电路设计方案论证

3．2 传感器的选型设计及工作原理

3．2．1 磁阻传感器的选型和工作原理

3．2．2 温度传感器的选型和工作原理

3．3 磁阻传感器外围电路设计

3．3．1 磁阻传感器信号调理电路

3．3．2 磁阻传感器偏置电流驱动电路

3．3．3 电桥偏置调节电路

3．3．4 磁阻传感器置位／复位电路

3．4 温度传感器信号调理电路设计

3．5 微控制器的选型和外围电路设计

3．5．1 微控制器的选型

3．5．2 微控制器A／D转换模块的结构和参数设置

3．5．3 微控制器外围电路设计

3．6 电源模块设计

3．7 RS-485通讯模块设计

3．7．1 通讯方式

3．7．2 RS-485通讯电路设计

3．7．3 RS-485／232电平转换模块

3．8 本章小结

第四章 聚磁装置和磁屏蔽装置设计

4．1 聚磁装置的设计

4．1．1 聚磁装置的基本原理

4．1．2 聚磁装置的方案设计

4．2 磁屏蔽装置的设计

4．2．1 磁屏蔽装置的基本原理

4．2．2 磁屏蔽装置的方案设计

4．3 矿用杂散电流检测仪的外壳设计

4．4 本章小结

第五章 杂散电流检测装置软件开发

5．1 开发环境和编程语言

5．1．1 开发环境

5．1．2 软件编写语言

5．2 软件总体设计及流程

5．3 功能模块程序设计

5．3．1 A／D程序

5．3．2 数字滤波程序

5．4 通讯系统程序设计

5．4．1 RS-485通信软件

5．4．2 SPI通信软件

5．5 磁场数据修正程序设计

5．6 本章小结

第六章 检测装置的实验和结果分析

6．1 磁阻传感器输出特性验证实验

6．1．1 磁阻传感器输出线性关系验证实验

6．1．2 磁阻传感器输出特性随温度变化验证实验

6．2 磁阻传感器置位／复位电路性能验证实验

6．3 聚磁装置和磁屏蔽装置性能验证实验

6．4 检测装置输出性能验证实验及误差分析

6．5 本章小结

第七章 总结和展望

7．1 工作总结

7．2 研究展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间的研究成果