一种高精度瓦斯突出测压仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高精度瓦斯突出测压仪，包括ARM处理器，所述ARM处理器内部包含SPI接口、I2C接口和算法处理核心，所述ARM处理器的进口端分别电性连接有晶振、系统电源、键盘输入装置、温度传感器、A/D转换器、LCD显示屏和SD卡，且ARM处理器的出口端电性连接USB端口，所述A/D转换器的进口端电性连接表压型压力传感器，本装置提供的瓦斯突出测压仪功耗低、性能稳定，采用32位处理器和A/D转换器，能够大大提高测量精度，并且能够根据采集的多组瓦斯气体压力值，迅速计算出瓦斯解析指标，提供瓦斯突出的危险程度，从而保障开采人员的安全。
【专利说明】
一种高精度瓦斯突出测压仪
技术领域
[0001] 本发明涉及瓦斯测压术领域，具体为一种高精度瓦斯突出测压仪。
【背景技术】
[0002] 瓦斯突出是指随着煤矿开采深度的增加，在煤层压力的作用下，突然释放大量瓦 斯和煤的一种自然灾害，据调查显示，60%的煤矿事故是由瓦斯突出造成的，因此在煤矿开 采过程中，精确的检测矿内是否有瓦斯突出是一件非常重要的事，但传统的瓦斯突出测压 仪精度不高，测得的瓦斯解析指标K1值不准确，因此预测结果不理想，主要在于，瓦斯突出 测压仪的主要组成部分是压力传感器和A/D转换器，在实际情况中传感器受温湿度、电磁 场、振动等因素的影响总会存在不同程度的非线性误差，传统仪器难以保证传感器在量程 范围内具有良好的一致性，因此测量结果不精确，如果能够发明一种采用高精度数模转换 装置，并使用最小二乘法进行数值拟合的新型瓦斯突出测压仪就能够解决此类问题，为此 我们提供了一种高精度瓦斯突出测压仪。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种高精度瓦斯突出测压仪，以解决上述【背景技术】中提出 的问题。
[0004] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高精度瓦斯突出测压仪，包括 ARM处理器，所述ARM处理器内部包含SPI接口、I 2C接口和算法处理核心，所述ARM处理器的 进口端分别电性连接有晶振、系统电源、键盘输入装置、温度传感器、A/D转换器、LCD显示屏 和SD卡，且ARM处理器的出口端电性连接USB端口，所述A/D转换器的进口端电性连接表压型 压力传感器。
[0005] 优选的，所述A/D转换器为32位高精度△ - Σ型转换器ADS1262。
[0006] 优选的，所述ARM处理器为运行uCOS-III系统的32位M4核处理器K60。
[0007] 与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明提供的瓦斯突出测压仪功耗低、性 能稳定，采用32位处理器和A/D转换器，能够大大提高测量精度，并且能够根据采集的多组 瓦斯气体压力值，迅速计算出瓦斯解析指标，提供瓦斯突出的危险程度，从而保障开采人员 的安全。
【附图说明】
[0008] 图1为本发明模块框图；
[0009] 图2为本发明测量值线性度示意图；
[0010] 图3为本发明传感器最小二乘法拟合直线示意图；
[0011] 图4为本发明测量误差曲线图。
[0012] 图中：1ARM处理器、2I2C接口、3USB端口、4SD卡、5LCD显示屏、6温度传感器、7A/D转 换器、8表压型压力传感器、9晶振、10系统电源、11键盘输入装置、12SPI接口、13算法处理核 心。
【具体实施方式】
[0013] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0014] 请参阅图1-4,本发明提供一种技术方案:一种高精度瓦斯突出测压仪，包括ARM处 理器1，ARM处理器1内部包含SPI接口 12、I2C接口 2和算法处理核心13，ARM处理器1的进口端 分别电性连接有晶振9、系统电源10、键盘输入装置11、温度传感器6、A/D转换器7、LCD显示 屏5和SD卡4，且ARM处理器1的出口端电性连接USB端口 3，A/D转换器7的进口端电性连接表 压型压力传感器8，A/D转换器7为32位高精度Δ-Σ型转换器ADS1262，ARM处理器1为运行 uCOS-II I系统的32位M4核处理器K60。
[0015] 本装置运行时系统电源10给系统供电后，首先对传感器进行静态校准，校准完成 后才能进行数据的正常采集，采集过程为，从煤样中释放的瓦斯压力经过传感器转换为电 压信号，电压信号经过A/D转换器7自带的PGA放大和滤波处理后，转换成数字量输入ARM处 理器1，SD卡4用于存储测量数据，IXD显示屏5提供可视化界面，键盘输入装置11可以输入相 关参数，晶振9为ARM处理器1提供时钟信号。
[0016] 为了确保数据采集系统测量数据的准性，对传感器进行校准十分必要。在静态条 件下，不考虑迟滞性和蠕变性，传感器的输出值y与输入值X之间的关系可以是一个代数方 程。该数学模型被称为传感器的静态特性模型，即y = ao+aix+a2X2+......+Βηχη,?ζφχ-输 入量;y-输出量;ao-零位输出；
[0017] a广检测系统灵敏度;a2~an-非线性常数;校准原理的实质是对校准曲线的线性拟 合，从而使传感器的输出更接近线性(y = kx+b)。首先介绍传感器的线性度概念，如图2,传感 器的校准曲线和线性拟合直线之间最大差值与满量程(F.S.)时传感器的输出的百分比称为 传感器的线性度(非线性误差）。表达式为：
，式中：YF.s. -传感器的满量 程输出量；A Ymax-校准曲线与线性拟合直线的最大差值，考虑到实际使用效果，直线拟合 方法米用"最小二乘拟合"，因为该种方法相对其他拟合方法而目偏差最小、拟合精度最尚、 线性度最优，假设拟合的直线方程为:y = kx+b，若实际校准测试点个数为η，则第i个校准值 与拟合直线上对应值之间的残差为：A ilyi-Uxi+b)最小二乘线性拟合的原理就是使 达到最小值，即：
，令ΣΑ『对k和b-阶偏导数为零，既可以求出 b和k的数学表达式
[0018]
-由于本仪 器使用传感器为U-P输出型传感器，即输出关系为电压值-压力值。做变量名称替换有：
[0019]
式中：U-传感器输 出电压，单位mV;P-传感器输出电压U时的压力，单位KPa;n-实际校准测试点个数；由于传 感器的量程范围和满量程时的输出电压是已知的，假定传感器是理想线性输出器件，那么 就可以得到传感器的理想输出曲线。由于设计的测量范围的为〇KPa~lOKPa，因此分别取量 程范围的上限和下限及中间值较合适，即取校准压力点分别为:〇1〇^、51^、101^，进行校 准拟合分析，其结果见图3。传感器的理想输出曲线为一个过零直线U ldeal = 2.03P。红色为3 个测点的平滑曲线（校准曲线），蓝色为最小二乘拟合的直线。计算可得：k=1.995，b = 0.475，拟合直线为Ufit = 1.995P+0.475。计算线性度得SL = ±〇.3521 %，说明传感器的非线 性误差较小。实际使用时，将测得的电压值根据32位A/D转换器中采用的PGA系数进行换算 得出传感器的实际输出电压值，将该电压值代入拟合模型即可得到校正的气压值。
[0020] 让本仪器和传统的WTC型仪器同压力栗连接，然后调节压力栗从0-10KPa以间隔为 lKPa输出。两仪器的测量结果及相对误差，如图4所示，图中可以明显的看出本仪器的测量 误差在0.5 %以内，且随着气体压力的增加，测量误差相对稳定，没有继续增大的趋势。而传 统的WTC型瓦斯突出参数仪的测量误差在5%左右，且随着气体压力的增加，测量误差有增 大的趋势。气体压力测量的精度高，瓦斯解析指标K1值计算准确度就高，对掘进工作面是否 有瓦斯突出的危险判断准确度越高，才能更好的保证煤矿人员在开采中的安全，减少人员 伤亡和经济损失。
[0021] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以 理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换 和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
【主权项】
1. 一种高精度瓦斯突出测压仪，包括ARM处理器（1)，其特征在于:所述ARM处理器⑴内 部包含SPI接口（ 12)、I2C接口（2)和算法处理核心（13)，所述ARM处理器（1)的进口端分别电 性连接有晶振(9 )、系统电源（10 )、键盘输入装置（11)、温度传感器(6 )、A/D转换器(7 )、LCD 显示屏（5)和SD卡(4)，且ARM处理器（1)的出口端电性连接USB端口（ 3)，所述A/D转换器(7) 的进口端电性连接表压型压力传感器(8)。2. 根据权利要求1所述的一种高精度瓦斯突出测压仪，其特征在于:所述A/D转换器(7) 为32位高精度型转换器ADS1262。3. 根据权利要求1所述的一种高精度瓦斯突出测压仪，其特征在于:所述ARM处理器（1) 为运行uCOS-II I系统的32位M4核处理器K60。
【文档编号】G01L9/00GK106092426SQ201610387942
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月2日 公开号201610387942.9, CN 106092426 A, CN 106092426A, CN 201610387942, CN-A-106092426, CN106092426 A, CN106092426A, CN201610387942, CN201610387942.9
【发明人】张法全, 王焱, 王国富, 叶金才, 王小红, 张海如, 闵玉瑾
【申请人】桂林电子科技大学