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原文传递一种基于声表面波传感器的矿井安全监测系统设计方法

专利名称：	一种基于声表面波传感器的矿井安全监测系统设计方法
摘要：	本发明公开了一种基于声表面波传感器的矿井安全监测系统设计方法，该方法包括以下步骤：一、制作包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件；二、选择组成振荡发生电路的合适参数；三、选择组成低频信号调理电路的合适参数；四、振荡发生电路和低频信号调理电路的连接；五、传感器组与FPGA主控器的连接；六、传感器组数据的采集及处理。本发明方法步骤简单，设计合理，设计的矿井安全监测系统功耗低，提高了矿井下温度、湿度、瓦斯气体浓度等环境参数的准确监测，便于矿井环境参数能准确传递至监控中心，提高矿井环境检测准确性并做出预警等相应措施，从而避免安全事故的发生。
专利类型：	发明专利
申请人：	西安科技大学
发明人：	张涛;郭宁;师晓云;姜峰;朱寒
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T10:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T22:00:00+0805
申请号：	CN202010027284.9
公开号：	CN111189911A
代理机构：	西安创知专利事务所
代理人：	谭文琰
分类号：	G01N29/02;G01K11/26;G01N33/00;G;G01;G01N;G01K;G01N29;G01K11;G01N33;G01N29/02;G01K11/26;G01N33/00
申请人地址：	710054 陕西省西安市雁塔中路58号
主权项：	1.一种基于声表面波传感器的矿井安全监测系统设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、制作包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件：步骤101、选择压电薄膜层(1)，在压电薄膜层(1)上设置输入叉指换能器(2)与输出叉指换能器(3)，在输入叉指换能器(2)与输出叉指换能器(3)之间设置敏感薄膜层(4)，所述敏感薄膜层(4)的底面与压电薄膜层(1)的表面相贴合；其中，所述输入叉指换能器(2)与输出叉指换能器(3)的结构相同，且输入叉指换能器(2)与输出叉指换能器(3)关于压电薄膜层(1)的中心呈对称布设，所述压电薄膜层(1)的两端涂覆有吸声胶(5)；步骤102、采用引线键合设备对步骤101中得到的延迟线型声表面波器件进行封装，得到包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件(12)；其中，包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件(12)的第1引脚为输入叉指换能器(2)的一个引脚，包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件(12)的第2引脚为输入叉指换能器(2)的接地引脚，包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件(12)的第4引脚为输出叉指换能器(3)的输出引脚，包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件(12)的第3引脚为输出叉指换能器(3)的接地引脚；步骤二、选择组成振荡发生电路的合适参数：步骤201、选择集成运算放大器INA1-2、集成运算放大器INA2-2和集成运算放大器INA3-2集成均为运算放大器INA-02186；步骤202、选择低通滤波器LFCN-1-2和低通滤波器LFCN-2-2均为低通滤波器LFCN-255；步骤203、选择电阻R1-2、电阻R2-2、电阻R3-2、电阻R4-2、电阻R5-2和电阻R6-2的电阻值均为100Ω～110Ω，选择电阻R7-2的电阻值为270Ω～300Ω，选择电阻R8-2的电阻值为430Ω，选择电阻R9-2和电阻R10-2的电阻值均为62Ω；步骤204、选择电容C1-2、电容C2-2和电容C3-2的电容值均为1μF～3μF，选择电容C4-2、电容C5-2和电容C6-2的电容值均为300pF～330pF，选择电容C7-2、电容C8-2、电容C9-2、电容C10-2、电容C11-2和电容C12-2的电容值均为300pF～330pF；步骤205、选择电感L1-2、电感L2-2和电感L3-2的电感值为120nH～124nH，选择电感L4-2、电感L5-2和电感L6-2的电感值为8.2nH；步骤206、将步骤102中的包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件(12)的第1引脚与电感L4-2的一端连接，将电感L4-2的另一端与电容C7-2的一端连接，将电容C7-2的另一端接到集成放大器INA1-2的输入引脚，集成放大器INA1-2的第2引脚与第4引脚均接地，集成放大器INA1-2的第3引脚与电感L1-2的一端和电容C8-2的一端连接，所述电感L1-2的另一端与电容C4-2的一端、电阻R1-2的一端和电阻R2-2的一端连接，所述电阻R1-2的另一端、电阻R2-2的另一端和电容C1-2的一端均接+9V直流电源，所述电容C4-2的另一端和电容C1-2的另一端均接地；电容C8-2的另一端与低通滤波器LFCN-1-2的第1引脚连接，所述低通滤波器LFCN-1-2的第2引脚和第4引脚接地，所述低通滤波器LFCN-1-2的第3引脚接电容C9-2的一端，所述电容C9-2的一端与集成放大器INA2-2的第1引脚相接，所述集成放大器INA2-2的第2引脚与第4引脚均接地，集成放大器INA2-2的第3引脚与电感L2-2的一端和电容C10-2的一端连接，所述电感L2-2的另一端与电容C5-2的一端、电阻R3-2的一端和电阻R4-2的一端连接，所述电阻R3-2的另一端、电阻R4-2的另一端和电容C2-2的一端均接+9V直流电源，所述电容C5-2的另一端和电容C2-2的另一端均接地；电容C10-2的另一端与电阻R7-2的一端和电感L6-2的一端连接，电感L6-2的一端接电感L5-2的一端，电感L5-2的另一端接包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件(12)的第4引脚，所述电阻R7-2的另一端与电阻R8-2的一端和电阻R9-2的一端连接，所述电阻R8-2的另一端与电阻R10-2的一端和电容C11-2的一端连接，所述电阻R9-2的另一端和电阻R10-2的另一端均接地，所述电容C11-2的另一端接集成放大器INA3-2的第1引脚相接，所述集成放大器INA3-2的的第2引脚与第4引脚均接地，集成放大器INA3-2的第3引脚与电容C12-2的一端和电感L3-2的一端相接，所述电容C12-2的另一端与低通滤波器LFCN-2-2的第1引脚连接，所述低通滤波器LFCN-2-2的第2引脚和第4引脚接地，低通滤波器LFCN-2-2的第3引脚为振荡发生电路(6)的输出端，电感L3-2的一端的另一端与电容C6-2的一端、电阻R5-2的一端和电阻R6-2的一端连接，所述电阻R5-2的另一端、电阻R6-2的另一端和电容C3-2的一端均接+9V直流电源，所述电容C3-2的另一端和电容C6-2的另一端均接地；步骤三、选择组成低频信号调理电路的合适参数：步骤301、选择电阻R4和电阻R10的电阻值为1kΩ～1.2kΩ，选择电阻R9的电阻值为200Ω～220Ω，选择电阻R12的电阻值为50Ω～51Ω；步骤302、根据和得到电阻R13和电阻R15的电阻值；其中，Vr表示衰减器电路的输入电压，Vout表示衰减器电路的输出电压，且N表示衰减器电路的输入输出电压比；步骤303、根据公式得到电阻R14的电阻值；步骤304、选择电阻R5的电阻值为10Ω～20Ω，电阻R6的电阻值为175Ω～200Ω，电阻R7和电阻R8的电阻值均为402Ω～417Ω；步骤305、选择电容C1的电容值为100pF，电容C2、电容C3和电容C6的电容值均为0.1μF～1μF，选择电容C4和电容C5的电容值均为6.8μF～7.3μF；步骤306、将电阻R12的一端与电阻R14的一端和电阻R13的一端连接，电阻R14的另一端与电阻R15的一端连接，电阻R13的另一端与电阻R15的另一端接地，所述电阻R12的另一端为衰减器电路的输入端，电阻R14的另一端与电阻R15的一端连接的连接端为衰减器电路的输出端；步骤307、选择运算放大器OPA354AIDBV为电压跟随器U1；步骤308、选择运算放大器OPA690ID为运算放大器U2；步骤309、选择NPN型晶体三极管为NPN型晶体三极管2N3904，选择施密特触发器为74LS14D施密特触发器；步骤3010、将衰减器电路的输出端与电压跟随器U1的正相输入端连接，将电压跟随器U1的输出端与电压跟随器U1的反相输入端连接，且电压跟随器U1的输出端接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接电容C1的一端、电阻R4的一端和电阻R6的一端，电阻R6的另一端接运算放大器U2的正相输入端，运算放大器U2的反相输入端接电阻R7的一端和电阻R8的一端，运算放大器U2的输出端接电容C3的一端、电阻R8的另一端和电阻R9的一端，电阻R9的另一端接NPN型晶体三极管2N3904的基极，NPN型晶体三极管2N3904的发射极接地，NPN型晶体三极管2N3904的集电极接电阻R10的一端和74LS14D施密特触发器的输入端，电阻R10的另一端、电压跟随器U1的正向电源端和运算放大器U2的正向电源端的连接端接+5V直流电源、电容C2的一端和电容C4的一端，电容C3的另一端、电压跟随器U1的负向电源端和运算放大器U2的负向电源端的连接端接-5V直流电源、电容C5的一端和电容C6的一端，电容C2的另一端、电容C4的另一端、电容C5的另一端和电容C6的另一端接地，74LS14D施密特触发器的输出端为低频信号调理电路的输出端；步骤四、振荡发生电路和低频信号调理电路的连接：将步骤206中振荡发生电路(6)的输出端与低频信号调理电路(8)中衰减器电路的输入端连接，完成甲烷浓度检测模块的设计；步骤五、传感器组与FPGA主控器的连接：步骤501、选择分频器为分频器74HC390，将低频信号调理电路(8)的输出端与分频器74HC390的第4引脚连接，所述分频器74HC390的第1引脚和所述分频器74HC390的第10引脚连接，所述分频器74HC390的第2引脚接地，所述分频器74HC390的第3引脚和第15引脚连接，所述分频器74HC390的第6引脚和第12引脚连接，所述分频器74HC390的第16引脚接5V直流电源，所述分频器74HC390的第14引脚接地，所述分频器74HC390的第13引脚接FPGA主控器(10)；步骤502、将表面波温度传感器(9)和声表面波湿度传感器(13)与FPGA主控器(10)连接；步骤六、传感器组数据的采集及处理：步骤601、表面波温度传感器(9)按照预先设定的采样时间对矿井内的温度进行检测，并将检测到的温度值发送至FPGA主控器(10)，声表面波湿度传感器(13)按照预先设定的采样时间对矿井内的湿度进行检测，并将检测到的湿度值发送至FPGA主控器(10)，甲烷浓度检测模块按照预先设定的采样时间对矿井内的甲烷浓度进行检测，并将检测到的甲烷浓度信号发送至FPGA主控器(10)，FPGA主控器(10)对甲烷浓度信号进行ADC转换，得到甲烷浓度值；其中，FPGA主控器(10)将第k个采样时刻采集到的温度值记作T(k)，FPGA主控器(10)将第k个采样时刻采集到的湿度值记作S(k)，FPGA主控器(10)将第k个采样时刻采集到的甲烷浓度值记作ρ(k)；步骤602、FPGA主控器(10)根据公式得到表面波温度传感器的加权系数W1；FPGA主控器(10)根据公式得到表面波湿度传感器的加权系数W2；FPGA主控器(10)根据公式得到甲烷浓度检测模块的加权系数W3；其中，表示叠加在温度信号上的白噪声的方差，表示叠加在湿度信号上的白噪声的方差，表示叠加在甲烷浓度信号上的白噪声的方差；步骤603、FPGA主控器(10)根据Cr＝W1×T(k)+W2×S(k)+W3×ρ(k)，得到传感器组的融合值Cr；步骤604、FPGA主控器(10)将传感器组的融合值Cr和一级预警值与二级预警值进行比较，当传感器组的融合值Cr小于二级预警值时，矿井环境安全；当传感器组的融合值Cr大于二级预警值且小于一级预警值时，矿井环境存在危险，FPGA主控器(10)控制报警器(14)报警；当传感器组的融合值Cr大于一级预警值时，矿井环境存在严重危险，FPGA主控器(10)控制报警器(14)持续报警。 2.按照权利要求1所述的一种基于声表面波传感器的矿井安全监测系统设计方法，其特征在于：步骤602中叠加在温度信号上的白噪声的方差叠加在湿度信号上的白噪声的方差和叠加在甲烷浓度信号上的白噪声的方差具体获取过程如下：步骤A、选择N个表面波温度传感器对矿井的温度进行检测并发送至FPGA主控器(10)，FPGA主控器(10)将第i个表面波温度传感器在第K个采样时刻检测到的温度值记作Ti(K)，FPGA主控器(10)将第j个表面波温度传感器在第K个采样时刻检测到的温度值记作Tj(K)；其中，i、j和N均为正整数，i≠j，1≤i≤N，1≤j≤N，N≥5，K和K′均为正整数，1≤K≤K′，K′为采样总数；步骤B、FPGA主控器(10)根据得到第i个表面波温度传感器和第j个表面波温度传感器的相关系数；FPGA主控器(10)根据得到第j个表面波温度传感器的自相关系数；步骤C、FPGA主控器(10)根据得到叠加在温度信号上的白噪声的方差步骤D、按照步骤A至步骤C所述的方法，设置N个表面波湿度传感器对矿井的湿度进行检测，得到叠加在湿度信号上的白噪声的方差步骤E、按照步骤A至步骤C所述的方法，设置N个甲烷浓度检测模块对矿井的甲烷浓度进行检测，得到叠加在甲烷浓度信号上的白噪声的方差 3.按照权利要求1所述的一种基于声表面波传感器的矿井安全监测系统设计方法，其特征在于：所述输入叉指换能器(2)与输出叉指换能器(3)的材质为Al、Pt、Au或者Mo，所述输入叉指换能器(2)与输出叉指换能器(3)的厚度均为0.01λ，输入叉指换能器(2)与输出叉指换能器(3)中叉指电极的宽度为0.25λ，输入叉指换能器(2)与输出叉指换能器(3)之间的声传播距离为300λ；其中，λ表示声表面波波长，且声表面波波长λ的取值范围为4nm～4000nm。 4.按照权利要求1所述的一种基于声表面波传感器的矿井安全监测系统设计方法，其特征在于：步骤101中吸声胶(5)为环氧树脂胶，且吸声胶(5)的厚度为0.1mm～0.8mm，压电薄膜层(1)的厚度为0.5μm～0.8μm；步骤101中敏感薄膜层(4)为二氧化锡薄膜层，且敏感薄膜层(4)的厚度为100nm～12nm，敏感薄膜层(4)的两侧距离输入叉指换能器(2)与输出叉指换能器(3)之间均有间隙，压电薄膜层(1)为石英。 5.按照权利要求1所述的一种基于声表面波传感器的矿井安全监测系统设计方法，其特征在于：步骤604中一级预警值的取值范围为4.17～7.09，二级预警值的取值范围为3.62～4.16。
所属类别：	发明专利