矿用风速传感器的设计

毕 业 设 计（论文）

题

姓

学 明 书） 目： 名： xxx 号：

年 12 月 9 日

（说

毕 业 设 计 （论文） 任 务 书

姓名 xxx

专业

任 务 下 达 日 期 2 年 9 月 19 日

设计（论文）开始日期 2 年 9 月 26 日

设计（论文）完成日期 2 年 12 月 9 日

设计（论文）题目： 矿用风速传感器

A²编制设计 B²设计专题（毕业论文）

指 导 教 师

系（部）主 任

20 年 12 月 9日

院

毕业设计（论文）答辩委员会记录

自动化与信息工程 系应用电子线路（设计与应用方向）专业，学生 xxx

于 20 年 12 月 日进行了毕业设计（论文）答辩。

设计题目： 矿用风速传感器 专题（论文）题目： 矿用风速传感器 指导老师：

答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，

经答辩委员会讨论评定，给予学生 xxx 毕业设计（论文）成绩

为 。

答辩委员会 人，出席 人

答辩委员会主任（签字）： 答辩委员会副主任（签字）： 答辩委员会委员： ， ， ， ， ， ，

毕业设计（论文）评语

第 页

毕业设计（论文）及答辩评语：

目录

摘要 ....................................................................................................................... 1

第1章 矿用风速传感器概述 ........................................................................... 2

1.1矿用风速传感器的作用 ............................................................................................... 2

1.2矿用风速传感器的安装位置 ....................................................................................... 2

1.3矿用风速传感器的技术指标 ....................................................................................... 2

1.4矿用风速传感器的分类 ............................................................................................... 2

1.5测风方法 ....................................................................................................................... 3

1.6测风注意事项 ............................................................................................................... 4

1.7 各类传感器性能比较 ................................................................................................. 5

1.8超声波风速传感器的主要特点 ................................................................................... 6

第2章工作原理及设计方案 ......................................................................................................... 7

2.1工作原理 ....................................................................................................................................... 7

2.1.1卡曼涡街原理 ................................................................................................................... 7

2.1.2超声波旋涡式风速传感器工作原理 .......................................................................... 8

2.2设计方案 ....................................................................................................................................... 9

第3章各部分电路设计 ..................................................................................................................11

3.1电源电路的设计 ......................................................................................................... 11

3.2发射电路设计 ............................................................................................................. 12

3.2.1电感三点式振荡器 ........................................................................................... 12

3.2.2乙类推挽功率放大电路 ................................................................................... 14

3.2.3 相关的计算 ...................................................................................................... 15

3.3超声波发射/接收电路 ............................................................................................... 16

3.4接收电路的设计 ......................................................................................................... 17

3.4.1 中频放大电路 .................................................................................................. 17

3.4.2 检波电路 .......................................................................................................... 18

3.4.3低频放大电路 ................................................................................................... 19

3.5整形电路的设计 ......................................................................................................... 21

3.6频率-电流装换电路的设计 ....................................................................................... 22

3.7显示电路的设计 ......................................................................................................... 23

第4章 风速传感器的应用 ......................................................................................................... 29

4.1使用前的准备 ............................................................................................................................ 29

4.2 传感器接线 ................................................................................................................ 29

4.3 风速传感器使用注意事项 ........................................................................................ 30

4.4 维护与保养 ................................................................................................................ 30

结束语 ................................................................................................................. 32

致谢 ..................................................................................................................... 33

参考文献 ............................................................................................................... 1

附录 ....................................................................................................................... 2

摘要

矿用传感器是煤矿监控系统的“耳目”，它用于监测煤矿环境参数与生产过程参数，将各种物理量转换为电信号。

煤矿安全监测系统是煤炭高产、高效、安全生产的重要保证。世界各主要产煤国对此都十分重视，研制、生产和推广使用了环境安全、轨道运输、胶带运输、提升运输、供电、排水、矿山压力、火灾、水灾、煤与瓦斯突出、大型机电设备健康状况等监控系统，提高了生产率和设备利用率，增强了矿山安全。

随着传感器技术、电子技术、计算机技术和信息传输技术的发展和在煤矿的应用，为适应机械化采煤的需要，矿井监控系统由早期的单一参数的监测系统，发展为多参数单方面监控系统。这些系统均针对某一方面的多参数监控，这包括环境安全监控系统、轨道运输监控系统，胶带运输监控系统、提升运输监控系统、供电监控系统、排水监控系统、矿山压力监控系统、火灾监控系统、水灾监控系统、煤与瓦斯突出监控系统、大型机电设备健康状况监控系统等。

环境安全监控系统主要用来监测甲烷浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度、硫化氢浓度、风速、负压、湿度、温度、风门状态、风窗状态、风筒状态、局部通风机开停、主通风机开停、工作电压、工作电流等，并实现甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁控制等。

环境参数传感器包括甲烷、一氧化碳、二氧化碳、温度、湿度、风速、绝对压力、相对压力(负压)、粉尘、烟雾等传感器。生产参数传感器包括机电设备开／停、料位、皮带秤重、机组位置、皮带打滑、电压、电流、功率等传感器。

矿用风速传感器在煤矿开采业中的作用，不可小觑。在煤矿开采时风速的大小直接影响矿工的生命安全，风速太小，有害气体得不到及时的稀释，可能导致爆炸；如瓦斯爆炸。当风速太大时，可能导致粉尘爆炸。因此风速传感器在煤矿开采中至关重要。

主要是将信号转换为超声波，利用接收换能器接收经过风速调制的信号。然后经过中频放大、检波、低频放大、整形后得到方波，然后分两路，一路送给就地显示，一路进行F/I转换。

第1章 矿用风速传感器概述

1.1矿用风速传感器的作用

矿用风速传感器用于检测煤矿井下各坑道、风口、主风扇等处的风速。在煤炭开采的过程中，总有瓦斯涌出。为稀释矿井空气中的瓦斯，需不断地向井下输送新鲜空气。风量是通风系统的重要参数之一。因此，对矿井风速的监测是矿井监控的主要内容之一。

1.2矿用风速传感器的安装位置

安装：风速传感器可安装在主要测风站和进回风巷等地。安装地应在距顶板较好无明显淋水，不妨碍运输和行人安全的地方，传感头指向应与风流方向一致。安装前应首先测量通道平均风速，任选一点安装，遥控器对准传感器按动上、下键，使就地显示为平均风速即可。注意：传感器安装一定要牢固，不得摆动，传感器测风面一定要垂直风流方向。

1.3矿用风速传感器的技术指标

测量范围：0.4 ～15m/s

测量误差：≤±0.3m/s

输出信号：频率型200Hz~1000Hz或电流型1mA~5mA

工作电压：12V～21V(DC)

工作电流：≤90 mA

传输距离：≤2Km

1.4矿用风速传感器的分类

（1）按传感器用途可分为环境参数传感器与生产参数传感器。

（2）按供电方式可分为自带电源式传感器与外接电源式传感器两种。

（3）按其输出信号形式可分为模拟量、开关量、累计脉冲量等。模拟信号应符合下列信号制式：电流模拟信号为1～5mA或4～20mA，频率模拟信号为200～1000Hz或5～15Hz。

（4）按作用原理不同可分为：机械翼式风速传感器、电子翼式风速传感器、热效应式风速传感器超声波风速传感器。

（5）按风速的测量范围可分为高速风速传感器（V>10m/s）、中速风速传感器（V=0.5m/s～10m/s）、低速风速传感器(V =0.3m/s～0.5m/s)

1.5测风方法

测量井巷的风量一般要在测风站内进行，在没有测风站的巷道中测风时，要选一段巷道没有漏风、支架齐全、断面规整的直线段进行测风。

空气在井巷中流动时，由于受到内外摩擦的影响，风速在巷道断面内的分布是不均匀的I如图1-1所示。在巷道轴心部分风速最大，而靠近巷道周壁风速最小，通常所说的风速是指平均风速而言，故用风表测风必须测出平均风速。为了测得巷道断面上的平均风速，测风时可采用路线法，即将风表按图1-2所示的路线均匀移动测出断面上的风速；或者采用分格定点法，如图1-3所示，即将巷道断面分为若干方格，使风表在每格内停留相等的时问，进行移动测定，然后计算出平均风速。根据断面大小，常用的有9点法、

12

点法等。

图1-1风速流动状态 图1-2 线路法测风 图1-3定点法测风

测风时，根据测风员的站立姿势不同又分为迎面法和侧身法两种。

迎面法是测风员面向风流方向，手持风速传感器，将手臂向正前方伸直进行测风。此时因测风人员立于巷道中间，阻挡了风流前进，降低了风速传感器测得的风速。为了消除测风时人体对风流的影响，须将测算的真实风速乘以校正系数(1.14)才能得出实际风速。

侧身法是测风人员背向巷道壁站立，手持风速传感器，将手臂向风流垂直方向伸直，然后测风。用侧身法测风时，测风人员立于巷道内减少了通风断面，从而增大了风速，需对测风结果进行校正，其校正系数按下式计算：

S0.4 SS

式中 K—--测风校正系数，

S——测风站的断面积（m2），

0.4--- 测风人员阻挡风流的断面积（m2）。

1.6测风注意事项

(1) 风速传感器度盘一侧背向风流，即测风员能看到度盘；否则，风速传感器指针会发生倒转。

(2) 风速传感器不能距人体太近，否则会引起较大的误差。

(3) 风速传感器在测量路线上移动时，速度一定要均匀。在实际工作中，这点常不被重视，由此引起的误差是很大的。如果风速传感器在巷道中心部分停留的时间长，则测量结果较实际风速偏高；反之，测量结果较实际值偏低。

(4)叶轮式风速传感器一定要与风流方向垂直，在倾斜巷道测风时，更应注意。如表1-1传感器偏角对测量结果的影响。由表1-1可知偏角10°以内时所产生的误差可忽略

不计。

表1-1传感器偏角对测量结果的影响

风度偏角/(°)

O

5

10

15

20 风表平均读数 141．O 140.5 139．O 137.5 132．O 误差/% O．35 1.42 2.50 6.50

(5) 在同一断面测风次数不应小于3，三次测量结果的最大误差不应超过5%。

(6)传感器的量程应和测定的风速相适应，否则将造成风速传感器损坏或量程不准确。

(7)为了减小测量误差，一般要求在1min时间内，使传感器从移动路线的起点到达终点。

(8)使用前还应注意传感器的校正有效期。

1.7 各类传感器性能比较

表1-2各类传感器性能的比较

矿用风速传感器的种类 优点 缺点

精度低，不能直接指示风

体积小，质量轻，可测平

机械翼式风速传感器

均速度。

测微风。

叶片有惯性运动，所以测

接近开关式

能发展遥测，精确度比机

电子翼式风速传感器 （感应式）

械翼式高，能直接指示瞬

电容式

时风速。

光电式

低也不能测。

热线式

没有惯性影响，高低风速

热效应式风速传感器 热球式

均可测，能发展遥测。

热敏电阻式 成份的影响。

结构简单，寿命长，性能稳定，不受风流的影响，精超声波风速传感器

度高，风速测量范围大。 呈非线性，受湿度和气体热敏电阻和热球的测值风速过高不能测、风速过机械翼式大，构造复杂，量值偏大，体积和质量比速，不能自动遥测，不能

通过表中的比较，可以明显的看到，设计传感器最好的选择就是超声波风速传感器。不仅结构简单，性能稳定，不受风流影响而且精度高，测量范围大。

1.8超声波风速传感器的主要特点

1.超声波旋涡式风速传感器具有如下特点(1)采用超声波涡街原理具有可动部件，可靠性高介质适应性强等特点。(2)红外线遥控调校，避免校正时干扰流场(3)采用新型单片微机和高集成数字化电路，电路结构简单，性能可靠，便于维修与调试(4)外壳采用全不锈钢材料-设计，增强了传感器的抗冲击和抗腐蚀能力

2.超声波旋涡式风速传感器具有如下优点：

（1）无可动部件，无机械磨损，性能稳定，使用寿命长；

（2）输出本身就是与风速成线性关系的脉冲频率信号，没有零点漂移，且敏感元件灵敏度变化不会直接影响输出，测量精度高；

（3）输出信号不受流体特性（温度、湿度、压力、成份、密度、粘度、矿尘等）影响；

（4）响应迅速。

第2章工作原理及设计方案

2.1工作原理

矿用风速传感器是利用卡曼涡街原理和超声波旋涡式风速传感器工作原理下面分别介绍卡曼涡街效应和旋涡式风速传感器。

2.1.1卡曼涡街原理

超声波旋涡式风速传感器是利用卡曼涡街效应设计的。在流体中设置旋涡发生体（阻流体），从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡称为卡曼涡街，如图2-1所示。旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。

图2-1卡曼涡街效应

vfsd

式中：f-漩涡频率；

s-常数；圆柱形挡体的s值为0.21；

v-未扰动流体的速度；

d-阻挡体宽度（或直径）

首先将风速转换成与风速成正比的旋涡频率，然后通过超声波将旋涡频率转换成超声波脉冲，后将超声波脉冲转换成电脉冲，从而测得风速。由于超声波旋涡式风速传感器具有寿命长，易维护，成本低等优点。因此，在矿井监控系统中获得了广泛应用。

我们知道，在流动的水中，垂直于流向插人一阻挡体，在阻挡体的下游会产生两列内旋的互相交替的旋涡。可以证明：在无限界流场中，垂直流向插入一根无限长非流线形阻挡体，阻挡体的下游将产生两列内旋、互相交替的旋涡，若对流速、阻挡体截面面积和形状作适当的限制，则旋涡频率与流速成正比：其旋涡的发生频率为 f，被测介质来流的平均速度为 V ，旋涡发生体迎面宽度为d ，交替产生的漩涡数通过压电元件检测出频率 f ，经电子线路检测后送给定时控制器、锁定寄存器进行运算处理给显示电

路进行显示。

2.1.2超声波旋涡式风速传感器工作原理：

如图2-2 所示。在风洞中设置确旋涡发生杆（即阻挡体），在阻挡体下方安装一对超声波发射器和接收器，当流动空气经过旋涡发生杆时，在其下方产生两列内旋相互交替的涡旋。由于旋涡对超声波的阻挡作用，超声波接收器将会收到强度随旋涡频率变化的超声波，即旋涡没有阻挡超声波时，接收到的超声波强度最大，旋涡正好阻挡超声波时，

接收到的超声波强度最小。超声波接收器将接收到的幅度变化的超声波转换成电信号，所经过放大、解调、整形等就可获得与风速成正比的脉冲频率。

图2-2超声波旋涡式风速传感器工作原理

当发生杆一定时，风速越大，形成的卡曼旋涡就越强，对超声波束调制度越大。当风速很低时，会形不成旋涡。为检测较低的风速，可以增大发生杆直径或提高超声波接收器的灵敏度。能产生旋涡的发生杆直径与风速关系如图

2-3 所示。

图2-3产生旋涡的发生杆直径与风速关系

超声波发射与接收器的形状、截面尺寸、相对位置、坚固程度、发射与接收器偏移角度等都会影响灵敏度。超声波发射与接收器应设置在其轴线距发生杆的距离为发生杆直径6 倍的地方，以保证线性度。超声波的工作频率应为140～150kHz，即高于风速旋涡频率两个数量级，但不要过高，过高会造成超声波在空气中传播时的严重衰减。

2.2设计方案

矿用风速传感器主要由：电源电路，发射电路，接收电路，整形电路，频流转换，就地显示组成。超声波旋涡风速传感器是利用卡曼涡街对超声波调制原理来实现对风速的测量的。传感器输出1~5mA的直流模拟信号，其值对应0~15m/s的风速值。并有就地数字显示功能。可直读风速值。与KJ1型矿井环境监测系统配套使用时，可对煤矿井下的风速进行遥测。其测量范围0.4~15m/s。

1.电源电路：由三端固定集成稳压器W和由闸流管SCR、稳压管D4组成的保护电路构成。由电源箱供给21V450mA直流电源，经本电路稳压后输出12V直流电压作为传感器的工作电路，当W由于某种原因损坏，使输出电压大于13V时，稳压管D4被击穿，闸流管SCR导通电流经SCR流入地，从而实现就地保护。

2.发射电路：该电路由电感三点式振荡器（哈特莱电路）和乙类推挽功率放大器组成。振荡器产生141.5KHz的连续等幅正弦波，由变压器输入端，经功率放大后施加到发射换能器F上。发射电压约11V，发射功率约200mW。

3.接收电路：由中频放大器、检波器、低频放大器组成。

发射换能器发出的超声波，经空气衰减后，被接收换能器接收，转换能量损失很大，接收换能器输出的信号很微弱，一般只有几毫伏，为了满足检波器的需要，实现大信号检波而采用了中频放大器专门对接收换能器输出的信号进行放大。中频放大器由两级LC选频放大器组成，放大器的中心频率为141.5KHz，频带宽度为3 KHz，电压放大倍数为600~800倍，输出电压有效值为1V，当输入端短路时输出端最大噪声电压不大于4mV。

检波器将中频放大器输出的调幅信号中的低频漩涡信号检出送给低频放大器，检波器输出电压幅值为5~10 mV，其值随风速增加而增大。

低频放大器采用8FC7型单电源运放构成两级放大器，每级放大约20倍，频率范围在20~1200Hz，当输入端短路时，输出端噪声电压不大于1 mV.

4.整形电路：由BG6、BG7两只硅晶体管构成，把低频放大器输出的近似正弦波信号转换成矩形波，完成波形变换，一路送给就地显示电路，另一路送给频率—电流转换电路。

5.频率—电流转换电路：由CMOS单稳态触发器IC4、单电源运算放大器IC5、场效应晶体管BG8和硅晶体管BG9构成。

单稳态触发器IC4输出脉冲TM由R42和C26确定，由施密特整形电路输入的矩形波信号，经单稳态电路再次整形后输出脉宽恒定幅值恒定的矩形脉冲，经R43、WD2、R41、R46、C27分压滤波后，输出0~1V直流电压信号，完成频率—电压转换。输出电压信号

可以由WD2在小范围内调整。

由IC5、BG8、BG9、构成恒流电路，WD为模拟负载电阻。WD5为采样电阻，IC5结成同相放大工作状态，恒流电路将0~1V直流电压信号转化成1~5mA直流电流信号，经长线输送至矿井监测系统、电源箱，从而完成频率—电流转换。

6.就地数字显示电路。由CMOS定时控制器IC6，十进制数字寄存译码器IC7、IC8、IC9和数码管等构成。

定时控制器IC6由晶体振荡器SZ和R56 、C30、C31构成晶体振荡器，产生32768Hz的振荡频率，经分频后，由IC6的12脚输出32Hz，占空比为50%的方波信号作为数码管的驱动信号。IC6 的2、3脚接入R54、R57构成施密特触发器，对输入的被测脉冲进行整形，被测信号由IC3的2脚输入。R55、C29决定单稳态触发器的单稳时间，其值应取得比最小输入信号周期小些，以免前一个单稳时间尚未结束，后一个输入信号又到来。

IC7、IC8、IC9 的锁定寄存器选通信号是由IC6 的15脚供给。它是由定时器的窄脉冲产生器产生的间隔周期为1s，脉宽脉冲为1.5x10-5 的负窄脉冲信号。IC7、IC8、IC9的清零信号由IC6的11脚供给。它是由定时控制器的窄脉冲产生器产生的间隔周期为1s，脉宽脉冲为1.5x10-5 的正窄脉冲信号。被测脉冲由IC6的10脚输出送给IC7的计数输入端6脚进行计数。当计数时间到1秒钟时，选通信号到来，给IC7 ~IC9锁定寄存器解锁，所测信号进入译码器，显示器将显示这1秒钟的测量值。选通脉冲后，液晶显示器保持测量值，同时清零信号对计数器清零。清零脉冲过后，计数器开始下一秒钟的计数。当计数又到1秒钟是，选通信号又到来，锁定寄存器又解锁，液晶显示器显示新的测量值。如此循环，显示器将不断地显示新的测量值，其显示周期为

1秒，如图2-4.

图2-4风速传感器原理框图

第3章各部分电路设计

3.1电源电路的设计

电源电路的作用就是为发射电路，接收电路，整形电路，频流转换电路提供+12V电源，为就地显示电路提供+5V电源;由煤矿电源箱KDW6B提供+21V电压；为了得到+12V电压和+5V电压可以利用三端固定集成稳压器7812和稳压二极管。

三端固定输出集成稳压器通用产品有CW7800系列（正电源）和CW7900系列（负电源）。

CW7800基本应用电路：（7812）如图3-1；

图3-1

由于输出电压决定于集成稳压器，故输出电压为12V，最大电流1.5A。为使电路正常工作，要求输入电压U1比输出电压U0至少大2.5～3V。输出电容C1用以抵消输入端较长接线的电感效应，以防止自激振荡，还可以抑制电源的高频脉冲干扰。一般取0.1～1uF。输出端电容C2、C3用以改善负载的瞬态响应，消除电路的高频噪声，同时也具有消振作用。V是保护二极管，用来防止输入端短路时输出电容C3所存储电荷通过稳压器放电而损坏器件。

稳压二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件.在这临界击穿点上,反向电阻降低到一个 很小的数值,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定。

当电压过高时要进行断电保护，还要考虑自激振荡，故设计出图3-2。

图3-2

C1、C2为电容，用于滤波；C1用以抵消输入端较长接线的电感效应，以防止自激振荡，还可以抑制电源的高频脉冲干扰，C2用以改善负载的瞬态响应，消除电路的高频噪声，同时也具有消振作用。R1为限流电阻；D1、 D4为稳压管二极管；SCR为晶闸管；W为7812三端固定集成稳压器。

VCC输出电压经过C1滤波，W稳压输出12V电压经C2滤波提供给后续电路，D1稳压得到5V电源给显示电路供电;当W出现故障，输出电压高于13V时稳压管D4被击穿，晶闸管SCR导通，电流经D4和SCR流入地，从而实现保护。

3.2发射电路设计

3.2.1电感三点式振荡器

振荡器的组成部分：放大器、正反馈电路和选频网络。放大器能对振荡器输入端所加的输入信号予以放大使输出信号保持恒定的数值。正反馈电路保证向振荡器输入端提供的反馈信号是相位相同的，只有这样才能使振荡维持下去。选频网络则只允许某个特定频率f0能通过，使振荡器产生单一频率的输出。

正弦波振荡器按照选频网络所用的元件可以分成 LC 振荡器、 RC 振荡器和石英晶体振荡器三种。石英晶体振荡器有很高的频率稳定度，只在要求很高的场合使用。在一般家用电器中，大量使用着各种 LC 振荡器和 RC振荡器。

振荡电路的作用：是一种能量转换装置——将直流电能转换为具有一定频率的交流电能。其构成的电路叫振荡电路.（能够产生振荡电流的电路叫做振荡电路。）

振荡器能不能振荡起来并维持稳定的输出是由以下两个条件决定的；一个是反馈电压Uf 和输入电压 U i 要相等，这是振幅平衡条件。二是 Uf 和 Ui 必须相位相同，这是

相位平衡条件，也就是说必须保证是正反馈。一般情况下，振幅平衡条件往往容易做到，所以在判断一个振荡电路能否振荡，主要是看它的相位平衡条件是否成立。

电感三点式振荡电路的特点是：频率范围宽、容易起振，但输出含有较多高次调波，

1 L=L ＋ L ＋ 2M 。常用于产生几波形较差。它的振荡频率是：，其中12f02LC十兆赫以下的正弦波信号。

LC振荡器的选频网络是LC谐振电路。它们的振荡频率都比较高，常见电路有 3 种。

（1）变压器反馈LC振荡电路（2）电容三点式振荡电路（3）电感三点式振荡电路 振荡电路中的放大器都是用的共发射极电路。共发射极接法的振荡器增益较高，容易起振。也可以把振荡电路中的放大器接成共基极电路形式。共基极接法的振荡器振荡频率比较高，而且频率稳定性好；故设计出由电感三点式振荡器（哈特莱电路）图3-3

图3-3 电感三点式振荡器

电感三点式振荡电路的特点是：频率范围宽、容易起振，但输出含有较多高次调波，波形较差。常用于产生几十兆赫以下的正弦波信号。

电感线圈L1和L2是一个线圈，a点是中间抽头。如果设某个瞬间集电极电流减小，线圈上的瞬时极性如图所示，反馈到发射极性对地为正，图中三极管是共基极接法，所以使发射结的净输入减小，集电极电流减小，符合正反馈的相位条件。晶体管的输入电压和反馈电压是同相的，满足相位平衡条件的，因此电路能起振。由于晶体管的 3 个极是分别接在电感的 3 个点上的，因此被称为电感三点式振荡电路。

ZJ1为滤波网络；R4、R5、R6组成分压式偏置电路；C4为交流旁路电容；C6为隔直电容；三极管BG1为振荡管； L1、L2和C5组成并联谐振网络。根据“大电容画为导线，小电容不变；大电感开路，小电感保持；电阻省略的原则”画出交流通路图3-4：

图3-4 电感三点式振荡器的交流通路

3.2.2乙类推挽功率放大电路

图3-5 乙类推挽功率放大电路

(2)工作原理（令VBE(on)=0，即φ=90°)

Tr1完成T1、T2两管轮流工作

Tr2完成电流波形上下合成

在正弦信号激励下，iB1、iB2、iC1、iC2均为半个正弦波，UCE1、UCE2为完整正弦波

0～T/2 ：T1导通，T2截止，产生上半个正弦波iC1 ，iC1通过RL ;

T/2～T : T1截止，T2导通，产生下半个正弦波iC2 ，iC2通过RL ;

在一个周期内在RL上合成一个完整的正弦波。

由LC振荡器产生145KHz正弦波，经过乙类推挽功率放大器放大后由发射换能器转换为超声波发射出去。

图3-6 发射电路

3.2.3 相关的计算

LC振荡频率是： f 0 =

起振条件：

.1 ，其中 L=L1 ＋ L2 ＋ 2M 。 2LC

振幅起振条件：AUF1

相位起振条件：af2n（n=0,1,2,3………）

平衡条件：

振荡平衡条件：AUF1,

相位平衡条件：af2n（n=0,1,2,3………）

AU：放大倍数；F反馈系数。

AUUoUf ； F UiUo

1 2LCLC振荡频率是：f0

3.3超声波发射/接收电路

1.超声波发射接收头压电陶瓷超声波换能器,压电陶瓷超声波换能器体积小，灵敏度高、性能可靠、价格低廉，是遥控、遥测、报警等电子装置最理想的电子器件、用此换能器构成的超声波遥控开关，可使家电产品、电子玩具加速更新 换代，提高市场竞争能力。

2.技术参数

发射距离:8- 10米 发射角度:30-60

灵敏度：≥-70dB / V / ubar

谐振频率：40KHZ±1KHZ（UCM—T40K1·发射用）

40KHZ±1KHZ（UCM—R40K1²接收用）

频 带 宽：2KHZ±0.5KHZ

外形尺寸：∮16mm×22.5mm

3.使用环境

温 度：-20℃~ + 60 ℃ 相对湿度：20 ± 5℃时达98%

4.使用注意事项

两接线脚焊接时间不宜过长，以免器件内之焊点溶化脱焊及造成底座与接线脚之间松动,不宜与腐蚀性物质接触

由VT1、VT2组成正反馈回授振荡器。电路的振荡频率决定于反馈元件的T40-16，其谐振频率为40kHZ±2kHZ。频率稳定性好，不需作任何调整，并由T40-16作为换能器发出40kHZ的超声波信号。电感L1与电容C2调谐在40kHZ起作谐振作用。本电路适应电压较宽（3~12V），且频率不变。电感采用固定式，电感量5.1mH。整机工作电流约25mA。发射超声波信号大于8m。

图3-7 40kHZ超声波信号的发射电路

单稳式超声波接收器电路原理图，超声波换能器R40-16谐振频率为40kHZ，经R40-16选频后，将40kHZ以外的干扰信号衰减，只有谐振于40kHZ的有用信号（发射机信号）送入VT1～VT3组成的高通放大器放大，经C5，VD1检出直流分量，控制VT4，VT5组成的电子开关带动继电器K工作。由于该电路仅作单路信号放大，当发射机每发射一次超声波信号时，接收机的继电器吸合一次（吸合时间同发射机发射信号时间相同），无记忆保持功能。可用作无线遥控摄象机快门控制、儿童玩具控制、窗帘控制等。电路中VT1的β≥200，VT2的β≥150，其他元件自定。电路不需调试即可工作。如灵敏度和抗干扰不够，可检查三极管的β值与电容C4的容量是否偏差太大。经实测，配合相应的发射机，遥控距离可达8m以上。在室内因墙壁反射，故没有方向性。电路工作电压3V，静态电流小于 10mA。

图3-8 40kHZ超声波信号的接收电路

3.4接收电路的设计

3.4.1 中频放大电路

发射换能器发出的超声波，经空气衰减后，被接收换能器接收，转换能量损失很大，接收换能器输出的信号很微弱，一般只有几毫伏，为了满足检波器的需要，实现大信号检波而采用了中频放大器专门对接收换能器输出的信号进行放大。中频放大器由两级LC选频放大器组成，放大器的中心频率为141.5KHz，频带宽度为3 KHz，电压放大倍数为600~800倍，输出电压有效值为1V，当输入端短路时输出端最大噪声电压不大于4mV。

中频放大器是由两级LC选频放大器组成，S为接收换能器；C8为隔直电容R11、R12为分压电阻，调节两者的比值，就可以获得BG4的基极正偏电压值。

R13、C9和R15、C11用来改善电路的温度稳定性。

图3-9 中频放大电路

3.4.2 检波电路

检波电路的作用是从调幅波中取出低频信号。它的工作过程正好和调幅相反。检波过程也是一个频率变换过程，也要使用非线性元器件。常用的有二极管和三极管。另外为了取出低频有用信号，还必须使用滤波器滤除高频分量，所以检波电路通常包含非线性元器件和滤波器两部分。下面图3-10举二极管检波器为例说明它的工作。

图3-10 二极管检波电路

图 3-10是一个二极管检波电路。 VD 是检波元件， C 和 R 是低通滤波器。当输入的已调波信号较大时，二极管 VD 是断续工作的。正半周时，二极管导通，对 C 充电；负半周和输入电压较小时，二极管截止， C 对 R 放电。在 R 两端得到的电压

包含的频率成分很多，经过电容 C 滤除了高频部分，再经过隔直流电容 C0 的隔直流作用，在输出端就可得到还原的低频信号。

图3-11 检波电路

检波电路：即二极管包络检波（3-11）。由二极管和RC低通滤波电路组成。二极管导通时，输入信号向C充电，截止时C向R放电，再输入信号作用下，二极管不断重复导通和截止，直到充放电达到平衡，输出信号跟踪了输入信号的包络。

检波器将中频放大器输出的调幅信号中的低频漩涡信号检出送给低频放大器，检波器输出电压幅值为5~10 mV，其值随风速增加而增大。

3.4.3低频放大电路

如图3-12所示为单电源低电压带通滤波电路。

图3-12 单电源低电压带通滤波电路

该电路采用单电源运算放大器8FC7构成二阶带通滤波器，电源电压范围可从3V到30V。在决定各元件数值时，首先确定带通滤波器的中心频率f0，再按下表选用合适

的电容C(C=C1=C2)。然后选定Q值。Q值是代表选频特性的一个参量，Q值高，通带就窄。当Q=10时，可得每倍频程-40dB的频率响应特性。但Q值太大，电路稳定性差。一般Q值选择小于10。闭环增益K，应保证在不失真前提下得到尽可能大的输出幅度。一般KF小于l。

图3-13低频放大电路

如图3-13所示，低频放大器采用8FC7型单电源运放构成两级放大器，每级放大约20倍，频率范围在20~1200Hz，当输入端短路时，输出端噪声电压不大于1 mV.

3.5整形电路的设计

图3-14 整形电路

整形电路。由BG6、BG7两只硅晶体管构成，把低频放大器输出的近似正弦波信号转换成矩形波，完成波形变换如图3-15，一路送给就地显示电路，另一路送给频率—电流转换电路。

3-15 波形图

3.6频率-电流装换电路的设计

单稳态触发器IC4的作用:F / V 转换电路如图3-16所示，其工作原理是：利用输入脉冲F 的上升沿（或下降沿）触发单稳态触发器，单稳态触发器对应每一个输人脉冲的上升沿（或下降沿）都有一个恒定宽度的脉冲输出，并且输出脉冲频率与输人脉冲频率相等。该脉冲经RC 滤波器滤波后，电压V0 随输人脉冲频率的增大而增大，从而将频率信号转换电压信号。各点波形如图

3-16b 所示。

图3-16 整形波

图3-17 F/I转换电路

频率—电流转换电路。由CMOS单稳态触发器IC4、单电源运算放大器IC5、场效应晶体管BG8和硅晶体管BG9构成。

单稳态触发器IC4输出脉冲TM由R42和C26确定，由施密特整形电路输入的矩形波信号，经单稳态电路再次整形后输出脉宽恒定幅值恒定的矩形脉冲，经R43、WD2、R41、R46、C27分压滤波后，输出0~1V直流电压信号，完成频率—电压转换。输出电压信号可以由WD2在小范围内调整。

由IC5、BG8、BG9、构成恒流电路，WD为模拟负载电阻。WD5为采样电阻，IC5结成同相放大工作状态，恒流电路将0~1V直流电压信号转化成1~5mA直流电流信号，经长线输送至矿井监测系统、电源箱，从而完成频率—电流转换。

3.7显示电路的设计

显示电路是由CD4511即（BCD锁存/7段译码器/驱动器），CD4518（双BCD同步加计数器），LED显示屏构成。

1.CD4511是BCD锁存/7段译码器/驱动器，常用的显示译码器件图3-18

图3-18 七段锁存-译码-驱动器CD4511

CD4511 是专用于将二-十进制代码(BCD)转换成七段显示信号的专用标准译码器，它由4位锁存器，7段译码电路和驱动器三部分组成。

CD4511引脚功能：

BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态是怎么样的，七段数码管都会处于消隐也就是不显示的状态。

LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。

LT：3脚是测试信号的输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮全部显示。它主要用来检测数7段码管是否有物理损坏。

A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。

a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。

CD4511的里面有上拉电阻，可直接或者接一个电阻与七段数码管接口。

数字电路CD4511的原理（引脚及功能）

CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码—七段码译码器，特点：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。

CD4511 是一片 CMOS BCD—锁存/7 段译码/驱动器，引脚排列如3-18图所示。其中a 、b 、c、 d 为 BCD 码输入，a为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， B1端应加高电平。另外 CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。a～g是 7 段输出，可驱动共阴LED数码管。另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观 一般由 CD4511和CD4518配合而成一位计数显示电路，若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只 CD4511 和 LED 数码管即可。所谓共阴 LED 数码管是指 7 段 LED 的阴极是连在一起的，在应用中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300Ω的限流电阻。

CD4511的工作原理

(1)CD4511的工作真值表如表3-1

表3-1 CD 4511的真值表

输入

LE X X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

BI X 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 LI 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

D X X 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 C X X 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1

B X X 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 X A X X 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

a 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 X b 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0

c 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 X d 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0

输出 e 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 X

f 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0

g 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0

显示 8 消隐 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 消隐 消隐 消隐 消隐 消隐 消隐 锁存

(2).锁存功能

译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。 当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。

(3).译码

CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数 据B、C进行组合，得出码。

(4).消隐

BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。 消隐输出J的电平为 J=

=（C+B）D+BI

如不考虑消隐BI项，便得J=（B+C）D

据上式，当输入BCD代码从1010---1111时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。

2.CD4518是一个双BCD同步加计数器，由两个相同的同步4级计数器组成。 CD4518引脚功能(管脚功能)如下： 1CP、2CP：时钟输入端。 1CR、2CR：清除端。

1EN、2EN：计数允许控制端。 1Q0～1Q3：计数器输出端。 2Q0～2Q3：计数器输出端。 Vdd：正电源。 Vss：地。

四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译

图3-19 CD4518同步加计数器

CD4518是一个同步加计数器，在一个封装中含有两个可互换二/十进制计数器，其功能引脚分别为1～7和9～15.该CD4518计数器是单路系列脉冲输入（1脚或2脚；9脚或10脚），4路BCD码信号输出（3脚～6脚；11脚～14脚）。

CD4518控制功能：CD4518有两个时钟输入端CP和EN,若用时钟上升沿触发,信号由CP输入,此时EN端为高电平1,若用时钟下降沿触发,信号由EN输入,此时CP端为低电平0,同时复位端Cr也保持低电平0,只有满足了这些条件时,电路才会处于计数状态.否则没办法工作。

将数片CD4518串行级联时，尽管每片CD4518属并行计数，但就整体而言已变成串行计数了。需要指出，CD4518未设置进位端，但可利用Q4做输出端。有人误将第一级的Q4端接到第二级的CP端，结果发现计数变成“逢八进一”了。原因在于Q4是在CP8作用下产生正跳变的，其上升沿不能作进位脉冲，只有其下降沿才是“逢十进一”的进位信号。正确接法应是将低位的Q4端接高位的EN端，高位计数器的CP端接USS。

图3-20 显示电路

如图3-20，定时控制器IC6由晶体振荡器SZ和R56 、C30、C31构成晶体振荡器，产生32768Hz的振荡频率，经分频后，由IC6的12脚输出32Hz，占空比为50%的方波信号作为数码管的驱动信号如图3-21。IC6 的2、3脚接入R54、R57构成施密特触发器，对输入的被测脉冲进行整形，被测信号由IC3的2脚输入。

图3-21 波形图

IC7、IC8、IC9 的锁定寄存器选通信号是由IC6 的15脚供给。它是由定时器的窄脉冲产生器产生的间隔周期为1s，脉宽脉冲为1.5x10-5 的负窄脉冲信号。IC7、IC8、IC9的清零信号由IC6的11脚供给。它是由定时控制器的窄脉冲产生器产生的间隔周期为1s，脉宽脉冲为1.5x10-5 的正窄脉冲信号。被测脉冲由IC6的10脚输出送给IC7的计数输入端6脚进行计数。当计数时间到1秒钟时，选通信号到来，给IC7 ~IC9锁定寄存器解锁，所测信号进入译码器，显示器将显示这1秒钟的测量值。选通脉冲后，液晶显示器保持测量值，同时清零信号对计数器清零。清零脉冲过后，计数器开始下一秒钟的计数。当计数又到1秒钟是，选通信号又到来，锁定寄存器又解锁，液晶显示器显示新的测量值。如此循环，显示器将不断地显示新的测量值，其显示周期为1秒。

第4章 风速传感器的应用

4.1使用前的准备

1.首先将四芯电缆插头缺口对准传感器上方插座上好旋紧。四芯电缆线在连接时，一定要严格按颜色要求接线：红色线——电源正极（电缆插头1号口），蓝色或黑色线——电源负极或信号负极（电缆插头2号口），白色或黄色线——连接分站信号线（电缆插头3号口），绿色线——不使用。

注：信号线与分站接通后传感器左侧指示灯应点亮。 2.传感器调校

(1)将传感器放置在风洞中，在无风时调节W2使信号输出为2000HZ或1mA。 (2)传感器量程为0—15m/s，调校分5档。风洞开到任意位置时，遥控器对准传感器按动粗调和细调上、下按钮，使传感器显示值现风洞风速相同即可 ；

(3)井下调校时，严禁用矿灯直照显示窗 。 (4)维护与修理

4.2 传感器接线

1.引出线表4-1

表引脚号 1 2 3 4 5 6 7 8

引线名称 超生波接收探头正极 超生波接收探头负极

超生波发射探头负极 超生波发射探头正极

信号输出端 传感器电源负极 传感器电源正极

引线

颜色

备注 出厂时已连接 出厂时已连接 出厂时已连接 出厂时已连接 出厂时已连接 需用户连接 需用户连接 需用户连接

2.传感器输出信号类型选择拨码开关（四位平拨开关） （1）电流型时1、2、4位拨至OFF，3位拨至ON； （2）频率型时1、2拨至ON，3、4拨至OFF 3.传感器与分站的连接步骤

（1）要确定传感器输出信号的类型（电流型或频率型或开关量）；

（2）在监测系统中心站主机上进行测点定义； （3）接着在相应分站的主板上进行相应的跳线设置；

（4）通过接线盒将分站对应的模入口19芯航空插头与传感器4芯插头进行连接； （5）确认接线无误后通电进行调试。

例如井下35#分站的模入2口的第8路需要接入一频率型风速传感器步骤。 传感器为频率型输出信号；

在监测系统中心站主机由专职人员录入测点信息（分站号、通道号、传感器类型、量程、报警值等）；

按分站配接电源KDW6B时X13接线图，将井下35#分站的模入2口的航空电缆的过接线盒与传感器的四芯电缆相连；

设置分站的S15和S16跳A， S75、S76跳A，同时C、D短接； 通电进行调试。

4.3 风速传感器使用注意事项

1.使用前必须详细阅读使用说明书。

2.为保证传感器的测量精度，应保持传感器下端风道风壁的清洁，擦拭风壁时应注意不要损伤传感件的保护层。

3.矿用风速传感器的设置、调整及标定工作需在标准风洞中进行，传感器的软硬件各项参数出厂时已调整到最佳位置，无特殊情况，不得随意乱调，以免影响整机性能，特殊情况需调整时，应严格按使用说明书所述步骤进行

4.本传感器不得随意与其它未经联检的设备连接，需要配接时必须通过国家指定的检验部门的防爆联检。

5.一旦发生故障及损坏，不得随意更换元器件，与本安电路有关的元器件更换时，其规格、型号、参数必须与原来相同

4.4 维护与保养

必须指定专人负责传感器的使用和维护，应经常对传感器外壳进行清扫，防止煤尘积聚。

传感器周围环境中不应有严重腐蚀性气体，开盖操作时不得将煤泥及污水带入壳体内部。

传感器故障及排除方法见下表，表中所示内容只作参考，出现故障时还应具体分析，如无法准确判断故障原因，建议及时与生产厂家联系。

表4-2 传感器故障及排除方法

故障现象 传感器无任何显示

故障原因

1、电源线断

2、7812稳压块或滤波 电容损坏

1、某芯片损坏

LED显示不规则、

无变化

2、CD4511或CD4518损坏

3、LED显示器损坏 4、显示接口损坏

1、参数调整不合适 2、探头表面不清洁 3、发射换能器损坏 4、接收换能器损坏

断线

排除方法 检查、连接 更换 检测，更换 更换 更换 更换 重新标定 擦拭使表面清洁

更换 更换

测量数据不准

监测显示正常， 无信号输出

检查连接

结束语

看着毕业设计——矿用风速传感器呈现在自己面前，所有的心酸与委屈都化为乌有，以前觉得电脑知识掌握的还不错，可经过这次的毕业设计让我彻底认清了自己，原来真的是山外有山，人外有人。

在实训室画总的电路图，因为没有及时保存，多次因为突然地停电，我的劳动成果一而再，再而三的丢失，其中的心酸是不可言语的。但它给我的影响也是非常大的，如果我及时保存，这种情况就不会出现了。

由于诸多原因，为了方便做毕业设计，就借了一台电脑，病毒多的让人不寒而栗，使用杀毒软件结果将word2003杀的失去作用。考完试将全部精力都投入到毕业设计里，就在快看到光明时，U盘中毒，所有的文件都打不开。好在因为以前多次受病毒欺负，所以这次在邮箱里保存了备份，使自己的损失降到最小。就个人经验来说，我觉得大一来时就把毕业设计分配给个人，会使同学们学到更多。一路的风雨兼程，让我最后终于顺利到达重终点。

马上就要离开很多人向往的象牙塔，离开朝夕相处的老师、同学，离开这个记录我们最年轻岁月的地方；矿用风速传感器为我的大学画了一个句号。

致谢

经过近两个月的努力，我的毕业论文《矿用风速传感器》终于出炉了，这意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。

非常感谢张宏老师、尚姝钰、郭宗跃老师在我大学的最后学习阶段——毕业设计阶段给我的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，他们给了我耐心的指导和无私的帮助。为了指导我的毕业论文，他们放弃了自己的休息时间，他们的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向他们表示我诚挚的谢意。同时，感谢所有任课老师和所有同学在这三年来给我的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下！

由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！

参考文献

【1】 崔新跃，张宏等.高频电子线路.哈尔滨工程大学出版社。 【2】 张宏，段新峰.煤矿检测原理及应用.高等教育出版社。 【3】 胡宴茹，耿苏燕等.模拟电子技术.高等教育出版社。 【4】 张庆双.实用电子电路200例.机械工业出版社。 【5】 杨志忠，卫桦林等.数字电子技术.高等教育出版社。 【6】 钱德群.矿井通风安全仪器及监测系统.煤炭工业出版社。 【7】 张国枢.矿井实用通风技术.煤炭工业出版社。

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