一种基于声表面波传感器的矿井安全监测系统设计方法与流程
本发明属于矿井安全监测技术领域，尤其是涉及一种基于声表面波传感器的矿井安全监测系统设计方法。
背景技术：
分析我国煤矿安全事故发生的原因，除了地质结构复杂、井下环境恶劣等因素外，最重要的原因就是不能对井下温度、湿度、瓦斯气体浓度等环境参数进行准确监测，不能准确地将矿井环境参数发送至监控中心，不能预测矿井环境做出预警等措施，而造成安全事故的发生。
另外声表面波传感器具有灵敏度高、易于集成化和无线化等优点，符合传感器未来发展趋势，越来越受到传感器领域工程师的重视和青睐。目前基于声表面波技术的传感系统随着声表面波传感器灵敏度的提高对其匹配电路提出更加严苛的要求，然而，目前基于声表面波技术的传感系统普遍存在的系统稳定性不高和功耗较高等问题极易导致传感系统误报、失灵等故障发生。因此，现如今缺少一种基于声表面波传感器的矿井安全监测系统设计方法，设计合理，设计的矿井安全监测系统功耗低，产生高稳定度传感信号。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供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、甲烷气体浓度等环境参数的准确监测，便于矿井环境检测准确而做出预警，从而避免安全事故的发生。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：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，在压电薄膜层上设置输入叉指换能器与输出叉指换能器，在输入叉指换能器与输出叉指换能器之间设置敏感薄膜层，所述敏感薄膜层的底面与压电薄膜层的表面相贴合；其中，所述输入叉指换能器与输出叉指换能器的结构相同，且输入叉指换能器与输出叉指换能器关于压电薄膜层的中心呈对称布设，所述压电薄膜层的两端涂覆有吸声胶；
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；其中，包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件的第1引脚为输入叉指换能器的一个引脚，包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件的第2引脚为输入叉指换能器的接地引脚，包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件的第4引脚为输出叉指换能器的输出引脚，包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件的第3引脚为输出叉指换能器的接地引脚；
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
步骤303、根据公式
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中振荡发生电路的输出端与低频信号调理电路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；
步骤502、将表面波温度传感器和声表面波湿度传感器与fpga主控器连接；
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，声表面波湿度传感器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，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，fpga主控器对甲烷浓度信号进行adc转换，得到甲烷浓度值；其中，fpga主控器将第k个采样时刻采集到的温度值记作t(k)，fpga主控器将第k个采样时刻采集到的湿度值记作s(k)，fpga主控器将第k个采样时刻采集到的甲烷浓度值记作ρ(k)；
步骤602、fpga主控器根据公式
步骤603、fpga主控器根据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主控器控制报警器报警；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主控器控制报警器持续报警。
上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
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，fpga主控器将第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主控器根据
步骤c、fpga主控器根据
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
上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与输出叉指换能器的材质为al、pt、au或者mo，所述输入叉指换能器与输出叉指换能器的厚度均为0.01λ，输入叉指换能器与输出叉指换能器中叉指电极的宽度为0.25λ，输入叉指换能器与输出叉指换能器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。
上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中吸声胶为环氧树脂胶，且吸声胶的厚度为0.1mm～0.8mm，压电薄膜层的厚度为0.5μm～0.8μm；
步骤101中敏感薄膜层为二氧化锡薄膜层，且敏感薄膜层的厚度为100nm～12nm，敏感薄膜层的两侧距离输入叉指换能器与输出叉指换能器之间均有间隙，压电薄膜层为石英。
上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。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明方法步骤简单，设计合理，设计的矿井安全监测系统设计方法功耗低，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，
2、本发明采用延迟线型声表面波延迟线型器件，由于延迟线型saw器件通常具有较长的声传输距离，便于传感检测时对saw传播特性分析，使其充分感知待测物质，因此具有较高灵敏度和宽的调频范围保证了信息传感的高精确度和高灵敏度。
3、本发明振荡发生电路中三级放大结构，前二级放大回路保证放大器增益足够补偿saw宽带声表面波延迟线型器件选频回路的损耗，第三级放大结构用于隔离输出，从而减少环路输出受到负载牵引的影响。
4、本发明低频信号调理电路中设置衰减器电路，通过电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r10可动态调整低频信号调理电路输出信号幅值，解决了第三级放大器输入过饱和问题，增加了系统信号传递的稳定性和可靠性。
5、本发明低频信号调理电路中加入电压跟随电路，不仅增加了系统电路前后级的隔离度，还进一步提高了其负载能力。
6、本发明振荡发生电路和低频信号调理电路均采用正直流电源和负直流电源供电，并且各模块减少不必要外围匹配元器件的使用，从而降低了系统整体功耗。
7、所采用的基于声表面波传感器的矿井安全监测系统设计方法操作简便且使用效果好，首先制作包含敏感薄膜的延迟线型saw器件，接着选择组成振荡发生电路的合适参数；其次选择组成低频信号调理电路的合适参数，将基准振荡发生电路、振荡发生电路和低频信号调理电路的连接，完成甲烷浓度检测模块的设计，并将甲烷浓度检测模块、表面波温度传感器和声表面波湿度传感器与fpga主控器，最后在甲烷浓度检测模块、表面波温度传感器和声表面波湿度传感器对矿井下的甲烷浓度、温度和湿度检测过程中，进行传感器数据融合，避免叠加在甲烷浓度信号、温度信号上或者湿度信号上的白噪声干扰。
综上所述，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，便于矿井环境检测准确而做出预警，从而避免安全事故的发生。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明包含敏感薄膜的延迟线型saw器件的结构示意图。
图3为本发明振荡发生电路的电路原理图。
图4为本发明低频信号调理电路的电路原理图。
图5为本发明分频器的电路原理图。
图6为本发明的方法流程框图。
附图标记说明:
1—压电薄膜层；2—输入叉指换能器；3—输出叉指换能器；
4—敏感薄膜层；5—吸声胶。6—振荡发生电路；
8—低频信号调理电路；9—声表面波温度传感器；10—主控器；
12—包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件；
13—声表面波温度传感器；14—报警器。
具体实施方式
如图1至图5所示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，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；
本实施例中，进一步优选，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的电阻值为100ω，电阻r7-2的电阻值为270ω。
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；
本实施例中，进一步优选，电容c1-2、电容c2-2和电容c3-2的电容值为1μf，电容c4-2、电容c5-2和电容c6-2的电容值为300pf，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。
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；
本实施例中，进一步优选，电感l1-2、电感l2-2和电感l3-2的电感值为120nh。
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；
本实施例中，进一步地，r4和电阻r10的电阻值为1kω，电阻r9的电阻值为200ω，电阻r12的电阻值为50ω。
步骤302、根据
本实施例中，设计衰减器电路的衰减幅度为9.5db，则衰减器电路的输入输出电压比为2.9853，则得到电阻r13和电阻r15的电阻值为100.4ω，因此为了购买电阻的方便，具体实施时，选取电阻r13和电阻r15的电阻值为100ω。
步骤303、根据公式
本实施例中，当电阻r13和电阻r15的电阻值为100.4ω时，得到电阻r14的电阻值为66.3ω,因此为了购买电阻的方便，具体实施时，电阻r14的电阻值为68ω。
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；
本实施例中，进一步优选，电阻r5的电阻值为10ω，电阻r6的电阻值为175ω，电阻r7和电阻r8的电阻值为402ω。
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；
本实施例中，进一步优选，电容c2、电容c3和电容c6的电容值为0.1μf，电容c4和电容c5的电容值为6.8μf。
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
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。
本实施例中，步骤602中叠加在温度信号上的白噪声的方差
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
步骤c、fpga主控器10根据
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
本实施例中，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。
本实施例中，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。
本实施例中，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。
综上所述，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，甲烷浓度检测模块、表面波温度传感器和声表面波湿度传感器对矿井下的甲烷浓度、温度和湿度检测过程中，进行传感器数据融合，避免叠加在甲烷浓度信号、温度信号上或者湿度信号上的白噪声干扰，提高了矿井下温度、湿度、甲烷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，便于矿井环境检测准确而做出预警，从而避免安全事故的发生。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
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