一种矿用高精度浊度传感器

汪学明

（1.中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏 常州213015；2.天地（常州）自动化股份有限公司，江苏 常州213015）

浊度是指溶液对光线通过时所产生的阻碍程度，是一种在用水企业生产过程中能够间接反应设备使用情况的重要参数[1]。随着近年来煤矿自动化水平不断提高，相继引入了井下水文监测、井下水坝水质在线监测、矿井水质在线监测、井下设备/冷却水在线监测等系统[2]，所以亟需一种矿用水浊度检测技术对井下用水的浊度进行检测，从而间接了解设备的使用情况，采取不同的水处理措施，达到提供远程监控或提高自动化管理水平的目的。

1 矿用水质浊度传感器

光散射浊度检测传感器主要通过前端的硅电池接收光强度信号，硅电池将光信号转换为微弱的电信号，再通过后级信号放大调理电路处理，再通过A/D 模数转换芯片进行模数转换，最后进入到内部微处理器进行数据的运算和补偿计算，再将最后计算的结果在液晶上进行数据显示和信号输出等。

1.1 水质浊度传感器硬件

传感器硬件部分主要由4 个部分组成，包括电源电路模块、光强电信号采集与调理电路模块、显示与输出电路模块和单片机微处理器模块等。浊度传感器硬件模块主要组成图如图1。

图1 浊度传感器硬件模块主要组成图Fig.1 Main components of turbidity sensor hardware module

1）光源电路。红外光发射部分采用进口红外LED 反光二极管，波长为860 nm，发光二极管光强度与驱动电流成线性关系[3]，光强度的大小与稳定性直接影响到接收的信号强弱，对传感器测量精度影响较大，故设计时采用高精度恒流驱动电路，为保证参考电压的稳定，选用微功耗高精度电压基准芯片LM285-2.5V，该芯片温漂系数为20×10-6，大大提高了电压基准随环境波动的稳定性，提高恒流源精度，减少温度对浊度测量误差的影响。

2）信号调理与处理电路。光电信号接收、放大与调理电路如图2。硅电池将接收的光信号转为微弱电信号[4]，后级对该微弱信号进行调理，主要采用电流I 到电压U 转换电路实现，由于产生的光电流信号非常微弱，正常在pA 到μA 之间，所以要求后级集成运放芯片具有极低的偏置电流、超低噪声、稳定性高等特性[5]，采用高精度运算放大器TLV2372芯片做为信号调理放大芯片[6]，该运放在数据放大过程中存在一定的漂移和误差，为了提高测量精度，在设计过程中设计了一补偿电容C1，以减少漂移和抑制电流噪声。通过放大调理输出信号进入到后级模数转换电路后，再进入到微处理器处理。电路中A/D 模数转换器采用16 位自校准高精度模数转换器ADS1100，支持软件可编程最大8 倍增益信号放大[7]，内部放大器将前级差分信号进行放大后，将电压信号调理到A/D 采集允许范围内，通过实验测试转换器的电压测量有效精度可达到12 位以上。ADS1100 芯片和微处理器采用串行I2C 串行总线通信，抗干扰能力强[4]，微处理器采集模拟电压数据后进行数字滤波，包括中值滤波、平均值滤波算法等，再对测量结果对数据进行软件补偿。

图2 硅电池光信号接收转换电路Fig.2 Silicon cell optical signal receiving and converting circuit

3）显示电路。为满足煤矿井下光线较差的特殊环境要求，传感器采用自发光OLED 点阵液晶屏，设计采用清达光电128×64 点阵液晶屏HGS128647，该液晶内置SSD1305 控制器[8]，通过串行总线为微处理器实现数据读写，实现简单可靠，该液晶显示屏工作温度范围较传统普通液晶宽，工作环境温度范围为-40～+85 ℃，由于采用了自主发光显示，显示时需要点亮的点阵通电，其他部分不通电，液晶正常显示时功耗为30 mA 左右，小功耗设计非常适合煤矿井下本质安全供电和传输的要求。

4）通讯电路。传感器RS485 通讯总线接口电路采用MAX3072 芯片设计[9]，RS485 总线接口电路如图3，电路中V7三极管电路主要是让传感器上电时处于接收数据状态，为提高总线通信抗电磁干扰能力，达到煤矿传感器设计要求的2 级电磁辐射、2 级脉冲群抗和直流电源与信号端口2 级浪涌（冲击）抗扰度试验，实现接口的可靠保护，在总线A、B 线上选用3 个TVS 管SMBJ17CA 实现瞬变电压抑制钳位保护，采用共模扼流圈用于增强抑制共模干扰能力，放电管主要用作过压、雷电和静电保护[10]。传感器设计1 路电流输出接口，设计采用专用电流输出芯片AD5410 集成电路设计，接口电路简单信号输出可靠。电流信号驱动输出电路如图4。

图3 RS485 总线接口电路Fig.3 RS485 bus interface circuit

图4 电流信号驱动输出电路Fig.4 Current Signal Drive Output Circuit

5）微处理器及外围电路。传感器微处理器采用C805lF340，该芯片为美国Cygna 公司混合信号系统级芯SoC[11]，采用小型贴牌48 脚LQFP 封装，供电电压范围为2.7～3.6 V，设计时采用3.3 V 电源供电。同时，该处理器芯片集成度高，I/O 端口支持可编程调整，在PCB 布线时可根据实际情况调整，该处理器支持在线C2 编程调试与在线仿真，也支持脱机下载程序，而且过程简单、操作方便。处理器内部FLASH 集成了掉电存储可擦写数据存储单元[12]，为保证存储数据可靠，外围电路采用EEPROM 存储芯片CAT24C02（N6），实现存储数据的双备份，保证存储的数据可靠与安全。微处理器及外围接口电路如图5。

图5 微处理器及外围接口电路Fig.5 Microprocessor and peripheral interface circuit

1.2 水质浊度传感器软件

浊度传感器总体软件设计框图如图6。

水质浊度传感器软件设计主要由单片机系统的基本参数配置、A/D 模数转换后信号的采集、信号的数字滤波处理、计算与补偿、数据显示、总线通讯和报警控制等部分组成。浊度传感器上电后微处理器首先关内部看门狗操作，初始化配置各种系统参数，如时钟、输入输出口状态、定时器和中断源，另外还需对液晶驱动器进行初始化设置，浊度传感器对模数转换芯片ADS1100 通过I2C 串行总线读写数据，将读取的串行总线数据进行软件滤波处理，采用MATLAB 仿真计算出的公式对滤波后的数据进行拟合，最后将得出的数据进行比较判断，如果大于传感器内部设定报警门限值，则驱动外部蜂鸣器报警提示，并且将运行处理的数据在OLED 液晶屏上显示。

图6 浊度传感器总体软件设计框图Fig.6 Overall software design diagram of turbidity sensor

2 测量数据分析与MATLAB 曲线拟合

浊度传感器通过配置福尔马肼标准浊度溶液来标定与验证其测量精度和误差，在0～1 000 NTU 范围内配置了6 种浓度溶液，在测量前采用0 NTU 和1 000 NTU 2 种溶液对传感器进行初始化2 点标定，再将标定后的传感器放入其他浓度溶液中测量数据。理想状况下光强电信号应与浊度浓度成线性关系，根据2 点标定法的关系式为：y=x/15.004（x 为光强电信号强度值；y 为浊度浓度）。试验中发现测量误差较大，其中最大测量误差在400 NTU 浓度点，最大误差值为44.68 NTU，为提高测量精度，减少测量误差，通过MATLAB 软件工具对在接收的光强信号值与标准溶液浓度值的关系曲线进行拟合，对标液浓度对应的光强信号值数据修正补偿[13-14]，拟合公式为y=0.000 000 641 34x2+0.057 443x-1.98，浊度传感器内部处理器按照补偿关系式处理后，再进行试验测试验证，传感器浊度测量数据对比分析见表1。

根据试验结果分析，通过曲线拟合后的传感器测量误差明显减少，可大大提高浊度测量精度，原400 NTU 标液最大误差点传感器的测量数据为408.84 NTU，与标液相比误差减少为8.84 NTU。设计的传感器与美国HACH 浊度仪TSS Portable、某国产品牌浊度仪进行对比试验测试，测试结果表明设计的传感器测量精度和误差明显优于被测的国产主流产品性能，但和进口HACH 等传感器相比还有一定差距。

3 结 语

通过对光学浊度检测工作原理等方面分析，设计了一种矿井水浊度传感器，该传感器前端采用硅光电池做为光电转换部件，采用高精度运放电路和A/D 模数转换器设计，人机交互方面采用低功耗OLED 液晶显示，数字接口RS485 总线抗干扰设计，满足煤矿井下复杂的电磁干扰环境，在数据补偿方面采用MATLAB 软件工具对测量曲线进行拟合，有效提高了浊度测量精度。