双Pt矿用风速传感器的研究

摘要

风速在煤矿安全生产当中是一项非常重要的信息指标，煤矿井下作业环境复杂，混合着各种可燃性、有毒性气体和粉尘颗粒。保持巷道通风不仅可以避免瓦斯聚集导致爆炸，也可以为井下相关工作人员提供必要的氧气，还能冲淡井下巷道中有毒气体和粉尘，是保证安全生产和工作人员身体健康的必要措施。因此，对矿井通风口及巷道内风速的检测就成为一项必不可少的日常工作。目前煤矿井下使用的风速检测装置都存在分辨率低、灵敏度低、功耗高、易受环境温湿度影响的问题，无法适用煤矿井下恶劣环境和应对突发事故的发生。因此，研究出一款高精度、稳定性好的矿用风速传感器具有现实意义。　　论文针对目前市场上普通风速计的不足和实际测量的需要，提出具有温压补偿功能的双Pt矿用风速传感器的设计。传感器主要利用两个不同型号的薄膜铂电阻Pt20和Pt1000作为探头敏感元器件，放置于风场中，通以电流,利用电阻自身的热效应,使薄膜电阻高于环境一定的温度。在风场中，薄膜的热量损失可表征空气流动的速度。热量的损失则可以用电阻的变化反映出来，因此把两个薄膜电阻做成桥式结构作为检测探头即可用阻值的变化表征出风速值的大小。　　经过样机的试验测试，双Pt矿用风速传感器能实现井下通风口等关键区域0～15m/s风速的实时检测，在整个工作温度范围内，测量误差在±0.3m/s之内。通过对软件和硬件电路的改进，增加环境温度和压强的补偿设计，不仅能解决由于地域差距以及季节温度的变化引起测量不准的问题，增加系统的通用性和可靠性，还能有效的提高测量精度，在工作温度范围内测量误差由±0.3m/s减小到±0.2m/s之内。传感器结合MSP430F5529超低功耗单片机作为主控制芯片，用三位八段数码管能实时显示当前风速值，显示分辨率为0.1m/s，并对超限风速进行声光报警，保证井下作业人员的安全。

目录

声明

1 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2风速传感器发展现状

1.3课题主要研究内容

2 双Pt矿用风速传感器方案设计

2.1双Pt矿用风速传感器整体框图设计

2.2双Pt矿用风速传感器设计要求

2.3传感器检测元件的分类和选型

2.4双Pt薄膜电阻测量原理

2.5温压补偿原理

2.6本章小结

3 双Pt矿用风速传感器硬件电路设计

3.1单片机处理模块

3.2电源模块

3.3前端数据采集模块

3.4温压检测模块

3.5数码管显示电路

3.6声光报警模块

3.7红外遥控收发模块

3.8频率信号输出模块

3.9硬件抗干扰设计

3.10本章小结

4双Pt矿用风速传感器软件设计

4.1主程序设计

4.2红外标定程序设计

4.3温压补偿程序设计

4.4数据处理程序设计

4.5红外遥控解码程序设计

4.6标准频率输出信号程序设计

4.7软件抗干扰设计

4.8本章小结

5 双Pt矿用风速传感器系统标定

5.1标定目的

5.2双Pt探头输出电压值采样

5.3风速曲线拟合

5.4线性标定

5.5本章小结

6 系统测试和数据分析

6.1样机调试

6.2标准环境下风洞整机测试分析

6.3可变温度下风洞整机测试分析

6.4本章小结

7 结论

7.1工作总结

7.2工作展望

致谢

参考文献

附录A 系统整体电路原理图

附录B 攻读硕士学位期间从事的科研项目和发表的论文