沉积粉尘传感器的电路系统设计方案分析

1、什么是沉积粉尘传感器

PM2.5传感器也就是粉尘传感器，或者灰尘传感器、颗粒物传感器，可以检测周围空气中粉尘颗粒浓度的大小。在空气动力学中，直径小于10微米的粉尘是能够通过器官直接进入人体肺泡区，然后10微米以上的粉尘颗粒通过撞击沉积，大部分沉积在鼻咽部，而小于10微米的粉尘会进入呼吸道，5微米以下大小直径的粉尘会直径沉积在肺泡，这样便会造成人体的呼吸道感染，甚至肺部疾病。

2、沉积粉尘传感器结构与组成

2.1总体结构设计

沉积煤尘传感器主要由外壳、防尘罩、称量盘、称重传感器和电路板组成。为了保证仪器的安全和增加仪器的稳定性，外壳所用钢板厚度不低于5mm，并在称量盘之上设计了防尘防风罩，以减少井下风流对仪器的影响，确保测量准确。

2.2凹凸咬合式防尘结构的设计

称重传感器的支撑柱支撑着称量盘，要求不得与其他任何物体接触，否则将严重影响称量的准确性。但另一方面为保证仪器的正常应用，又必须对仪器进行密封，为了解决这一矛盾，特设计了凹凸咬合式防尘结构，见图1。

图1凹凸咬合式防尘结构图

从防尘罩与称量盘之间的间隙通过的含尘气流，如果不采取措施，将通过称重传感器支撑柱与外壳之间的间隙，而流向仪器内部，从而影响仪器的使用寿命和测量精度。因此，设计凹凸咬合式结构，以防止粉尘从此缝隙进入仪器内部。

3、沉积粉尘传感器的电路系统设计

3.1硬件电路总体方案设计

电路系统是整个仪器的核心部分，称重传感器输出信号的处理，监控系统信号的输送、数据显示、运行模式的切换、红外遥控信号的处理、仪器的调零和标定等功能，都是通过电路系统完成的。

图2为硬件电路系统结构框图，硬件电路主要包括单片机系统、称重传感器信号高精度A/D转换、显示驱动、红外遥控接收电路、数据传输、ISP（在

系统编程）接口电路和电源电路等。

图2硬件电路系统结构框图

3.2称重传感器信号高精度A/D转换电路

由于称重传感器额定输出为1.5mV/V，输入电压5V，量程为600g，即在满量程600g时，传感器会输出7.5mV的电压信号。而沉积煤尘传感器显示精度为0.01g，因此A/D转换电路需要能分辨01000125mV的微弱信号才能到达要求。

CS5532是美国CirrusLogic公司推出的一种具有极低噪音的、多通道$）2型模拟/数字转换器，由于其采用电荷平衡技术和极低噪声的可编程增益斩波稳定测量放大器，可得到高达24位分辨率的输出结果，其精度高，动态特性宽。CS5532的差动输入端可以直接测量来自传感器的毫伏信号，简化了与外围电路的连接。可编程增益放大器可使放大倍数从1~32进行设定（以2倍步长增加），大大提高了系统的动态特性。多级程控数字滤波器使得数据输出速率可选择7.5Hz~3.84kHz，方便了与外设的连接。此外，CS5532内部有一个完整的自校正系统，可进行自校准和系统校准，可消除A/D本身的零点增益和漂移误差，以及系统通道的失调和增益误差。宽动态特性、可编程输出速率、灵活的供电方式及简便的三线串行输出模式，使得该A/D转换器极易和单片机接口，非常适用于称重仪器高分辨率测量的情况。

在称重传感器信号处理及A/D转换过程中，由于其信号非常微弱，很容易受到各种干扰，如EMI干扰、地线干扰、电源干扰、电磁波干扰等，最终会严重影响仪器的测量准确度和稳定性，因此抗干扰措施显得非常重要。在该设计中采用了各种方法来尽量降低各类干扰：EMI三端滤波电容滤除EMI干扰;PCB布线设置在大面积覆铜的干净模拟地平面上等方法消除地线干扰;采用高精度线性稳压电源芯片对芯片独立供电;采用无感电阻分压后的电压作为A/D的参考电源，以此最大程度地消除电源干扰;采用对A/D转换部分加屏蔽罩的方法来消除外界的电磁干扰。A/D转换部分电路原理框图见图3。

4现场试验及效果

图4沉积粉尘传感器24h连续监测曲线图

由于采煤队检修班每天都会对巷道进行冲洗，时间大约在10：00）12：00，此时粉尘和水雾较大，在每天上午12：00后进入检修班，此时不割煤，粉尘较少，一般到晚上又进入割煤工作状态。由于以上情况，从图4的监测曲线可以看出，仪器的监测数据非常符合现场实际工作情况，在每天上午12：00左右冲洗巷道时，数据会有一次较大的增加，然后进入检修班，粉尘沉积量较小，在晚上至次日10：00左右是工作班，此时的粉尘浓度大，粉尘沉积多，仪器测得的数据连续增加。

为了验证沉积粉尘传感器检测数据的准确性，将在井下收集仪器托盘上的粉尘拿到地面用天平称量，并与传感器显示值进行对比，测试结果见表1。

表1沉积粉尘传感器与天平称量测试结果对比

序号沉积时间/d天平称量值/g传感器显示值/g误差/%

111.521.46-3.9

217.297.60+4.3

326.015.73-4.6

4211.7311.21-4.4

5313.3312.95-2.9

5结论

沉积粉尘传感器经过各项实验证明，该传感器可与KJ90、KJ2000等安全监控系统联网使用，适合煤矿井下沉积粉尘的连续监测，测量范围0~100g，测量误差小于5%。

沉积粉尘传感器的成功研制填补了我国同类仪器的空白，为煤矿沉积粉尘连续监测提供基本测试手段，为防止和预防粉尘爆炸提供了重要技术手段。