礦用傳感器簡介

第二節(jié)礦用傳感器簡介煤礦中應(yīng)用的傳感器現(xiàn)狀煤礦中應(yīng)用的傳感器發(fā)展檢測瓦斯含量的方法采掘機(jī)械化方面

隨著綜采機(jī)械化的發(fā)展，目前綜采程度已達(dá)43%以上，電牽引采煤面已投入使用。綜采設(shè)備電氣控制與檢測較普遍采用電壓、電流檢測。少數(shù)采煤機(jī)具備速度、功率、油溫的傳感器及其檢側(cè)器。礦用傳感器現(xiàn)狀礦山固定設(shè)備方面

提升安全運(yùn)行，以微機(jī)為核心的提升機(jī)后備保護(hù)裝置的開發(fā)得到迅速發(fā)展，提升機(jī)控制使用了行程位置傳感器、提升機(jī)深度指示器、提升機(jī)過卷保護(hù)器、電壓、電流變送器、功率變送器、防爆磁性開關(guān)等。風(fēng)機(jī)、水泵微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)和壓風(fēng)機(jī)自動化監(jiān)測系統(tǒng)已投入使用。目前使用的傳感器有:電壓、電流功率變送器、負(fù)壓、風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、水泵效率檢測、水倉水位、壓力、二級排氣溫度定點(diǎn)式、風(fēng)包定點(diǎn)、軸承定點(diǎn)式溫度、自動風(fēng)門傳感器等。礦用傳感器現(xiàn)狀煤礦電力調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)方面目前使用的傳感器有:電壓、電流變送器、有功功率變送器、功率因數(shù)傳感器。礦用傳感器現(xiàn)狀礦井環(huán)境、生產(chǎn)監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)方面?zhèn)鞲衅魇菍?shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)設(shè)備自動化必不可少的部份。監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器齊全程度及系列產(chǎn)品已具備相當(dāng)水平，井下機(jī)電設(shè)備開/停檢測，由稱重傳感器、測速傳感器等組成的礦用微機(jī)皮帶秤，監(jiān)測料倉料位的超聲波料位計，本安電容液位計，使用于機(jī)電設(shè)備外殼溫度檢測的溫度傳感器、環(huán)境溫度、高低濃度瓦斯、水壓、超聲風(fēng)速、供電狀態(tài)、饋電開關(guān)、超聲計數(shù)、一氧化碳、二氧化碳、氧氣、負(fù)壓、煙霧、風(fēng)門開關(guān)等幾十種傳感器。礦用傳感器現(xiàn)狀礦并運(yùn)輸自動化方面我國井下主煤運(yùn)輸還是以軌道運(yùn)輸為主，礦用電機(jī)車行車安全檢測裝置中使用了速度、里程累計、電池容量、電池電壓、超速報警、架線電壓監(jiān)測等傳感器。80年代以后，隨著工作面產(chǎn)量日益增加，在一些大中型礦井中主煤運(yùn)輸逐步被膠帶輸送機(jī)所代替，備有打滑、跑偏、斷帶、縱撕、物料探測、堆煤、煙霧、溫度(軸承、環(huán)境)、速度、防塵灑水、滅火灑水等門類齊全的保護(hù)裝置，真空開關(guān)過流過壓保護(hù)、沿線緊急閉鎖保護(hù)、電機(jī)電流檢測等功能，選配有超聲料位計、電子膠帶秤或核子膠帶秤等設(shè)備，并有多種故障保護(hù)功能。每種傳感器都有相應(yīng)的開關(guān)量或模擬量輸出，使系統(tǒng)功能更加完善。礦用傳感器現(xiàn)狀

傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)煤礦自動化技術(shù)的基礎(chǔ)，而礦用傳感器的現(xiàn)狀遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)煤礦自動化發(fā)展的需要。當(dāng)今世界，由于微電子學(xué)和微處理機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，用微電子集成芯片組成的電子計算機(jī)、以微型機(jī)為中心的工業(yè)過程控制、以分布式測量組成的多機(jī)系統(tǒng)以及區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)，已在各行各業(yè)領(lǐng)風(fēng)騷。礦用傳感器發(fā)展礦用傳感器發(fā)展舉例采煤機(jī)機(jī)組位置檢測傳感器，采用微機(jī)芯片后，不僅可檢測機(jī)組位置，還可顯示走行方向、走行速度、每班的割煤量等；膠帶電子秤除單一顯示累計運(yùn)輸量外，還可顯示瞬時運(yùn)量、最大運(yùn)量、平均運(yùn)量，自動校正自重減少計量誤差；煤倉超聲波料位計增加，排除干擾信號、進(jìn)行各種參數(shù)的修正，并可自動報警，一臺主機(jī)可帶多個探頭等功能；提升機(jī)的行程位置傳感器不但顯示箕斗的位置，還可計算出箕斗的運(yùn)行速度，根據(jù)給定的速度運(yùn)行圖，自動調(diào)節(jié)運(yùn)行速度以達(dá)到縮短運(yùn)行周期，提高運(yùn)量并能自動運(yùn)行準(zhǔn)確停車的效果。電參數(shù)智能化傳感器不僅可測出電流、電壓、有功功率、無功功率，還可提供短路、過載，斷相以及相位保護(hù)等；即使是一臺簡單的速度傳感器，智能化后便可測運(yùn)轉(zhuǎn)周期、累計轉(zhuǎn)數(shù)并且大大擴(kuò)展了測量范圍。礦用傳感器發(fā)展礦用傳感器應(yīng)提供新品、產(chǎn)品系列化、高功能、智能化等來滿足發(fā)展的需要，與煤礦重要的機(jī)電設(shè)備有機(jī)結(jié)合形成新一代的機(jī)電一體化的產(chǎn)品。例如：采煤機(jī)，配雙向傾抖度、煤巖分界、油量、油壓、油溫、軸承溫度、電流、電壓、振動等，并與微機(jī)組成健康檢測及故障診斷使采煤機(jī)更新?lián)Q代。同樣對液壓支架、運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等進(jìn)行開發(fā)，使工作面順槽控制得以實(shí)現(xiàn)。礦用傳感器發(fā)展機(jī)器人開發(fā)煤炭工業(yè)是多種技術(shù)綜合應(yīng)用的行業(yè)，工種多且作業(yè)復(fù)雜，可供選擇機(jī)器人作為開發(fā)的目標(biāo)產(chǎn)品，其選擇范圍寬，自由度大，如掘進(jìn)、采煤、鑿巖、支護(hù)噴漿、水采、消防、救災(zāi)等機(jī)器人。機(jī)器人開發(fā)特點(diǎn)不表現(xiàn)在機(jī)械本身，而主要是完善的傳感器及完整的軟硬件，實(shí)現(xiàn)井下無人采煤要研制在規(guī)律和不穩(wěn)定煤層中制導(dǎo)機(jī)器的傳感器。機(jī)器人內(nèi)部傳感器是用于檢測對象和作業(yè)環(huán)境，需要使用各門類各品種傳感器、如加速度、速度、線位移、角位移等內(nèi)部傳感器，視覺、聽覺等非接觸外部傳感器，接觸、壓覺、滑覺、硬覺等接觸外部傳感器。礦用傳感器發(fā)展高精度、微型化、集成化、數(shù)字化、智能化，已成為發(fā)展傳感器技術(shù)總的途徑和趨勢。礦用傳感器發(fā)展

高精度為了提高煤礦環(huán)境的測控精度，必須使傳感器的精度盡可能地高，例如CO傳感器，希望測試精度能優(yōu)于士l％，風(fēng)速傳感器的精度要求優(yōu)于±2％。礦用傳感器發(fā)展

微型化微型化傳感器主要由硅材料構(gòu)成,具有體積小、重量輕、反應(yīng)快、靈敏度高以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。其核心技術(shù)是研究微電子和微機(jī)械加工與封裝技術(shù)的巧妙結(jié)合,期望能夠由此而制造出體積小巧但功能強(qiáng)大的新型系統(tǒng)。它對于經(jīng)常變換作業(yè)場所的煤炭企業(yè)，易于搬遷、移動，更具特殊意義。礦用傳感器發(fā)展集成化兩個含義：第一是將傳感器與放大器、檢測電路等集成在同一芯片上既減小體積，又增加抗干擾能力。第二是將同一類傳感器集成在同一芯片上構(gòu)成多功能傳感器，它可以同時測量煤壁、頂?shù)装宓缺砻鏍顩r。礦用傳感器發(fā)展數(shù)字化數(shù)字化對數(shù)字式傳感器的研究是很重要的，它可以使傳感器直接與計算機(jī)聯(lián)機(jī)。礦用傳感器發(fā)展智能化定義：指那些裝有微處理器的，不但能夠執(zhí)行信息處理和信息存儲，而且還能夠進(jìn)行邏輯思考和結(jié)論判斷的傳感器系統(tǒng)。這一類傳感器就相當(dāng)于是微型機(jī)與傳感器的綜合體一樣，其主要組成部分包括主傳感器、輔助傳感器及微型機(jī)的硬件設(shè)備。如智能化壓力傳感器，主傳感器為壓力傳感器，用來探測壓力參數(shù)，輔助傳感器通常為溫度傳感器和環(huán)境壓力傳感器。采用這種技術(shù)時可以方便地調(diào)節(jié)和校正由于溫度的變化而導(dǎo)致的測量誤差，硬件系統(tǒng)除了能夠?qū)鞲衅鞯娜踺敵鲂盘栠M(jìn)行放大、處理和存儲外，還執(zhí)行與計算機(jī)之間的通信聯(lián)絡(luò)。礦用傳感器發(fā)展熱導(dǎo)法光干涉法紅外光譜系數(shù)法超聲波測量法氣敏半導(dǎo)體法熱載體催化元件檢測瓦斯含量的方法原理熱導(dǎo)率是組成混合氣體的成分及各成分所占百分比的函數(shù)。因此，測出氣體的熱導(dǎo)率就可以確定混合氣體的成分。按此原理就可測量井下氣體中CH4的含量。檢測瓦斯含量的方法——熱導(dǎo)法缺點(diǎn)（1）待測氣體的熱導(dǎo)率與空氣的熱導(dǎo)率相差越遠(yuǎn)，得到的信號就越強(qiáng)。瓦斯的熱導(dǎo)率近似為空氣熱導(dǎo)率的1.3倍，兩者懸殊不大，因此用熱導(dǎo)法測量低濃度瓦斯，傳感器輸出的信號很小，測量誤差相應(yīng)增加。（2）熱導(dǎo)儀器的零點(diǎn)漂移嚴(yán)重，也不適宜測量低濃度瓦斯。一般情況下，熱導(dǎo)儀器常與載體催化型儀器配套使用，用來測量５%～100%CH4的高濃度瓦斯。檢測瓦斯含量的方法——熱導(dǎo)法原理

利用瓦斯與空氣對光線的折射率不同而制成。檢測瓦斯含量的方法——光干涉法

由光源1發(fā)出的光，經(jīng)聚光鏡2和狹縫3到達(dá)平面鏡4，并經(jīng)其反射與折射形成兩束光，分別通過空氣室5和甲烷室6，再經(jīng)折射棱鏡7折射后，兩束光經(jīng)平面鏡4反射，一同進(jìn)入反射棱鏡8，再反射給望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)9。在物鏡的焦平面上產(chǎn)生干涉條紋。檢測瓦斯含量的方法——光干涉法當(dāng)甲烷室與空氣室同時充入空氣時，兩束光所經(jīng)過的光程相同，則干涉條紋不產(chǎn)生移動。如改變在甲烷室中的氣體成分、溫度或壓力，則因折射率改變，光程也隨之改變，干涉條紋便會發(fā)生移動。當(dāng)兩室溫度和壓力相等時，干涉條紋的移動量與甲烷濃度成正比。測量這個移動量，便可測定空氣中的甲烷含量。檢測瓦斯含量的方法——光干涉法優(yōu)點(diǎn)安全可靠、操作簡單、測量范圍廣（0～10%），成為我國礦井安全檢查員必備的儀器之一。缺點(diǎn)很難把光干涉信號進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電信號，無法與監(jiān)控系統(tǒng)連續(xù)實(shí)現(xiàn)遙測，只能用于個人攜帶；當(dāng)待測氣體中其他成分氣體的百分比變化時，光干涉條紋位置也會變化，形成較大的測量誤差。檢測瓦斯含量的方法——光干涉法原理

每種氣體對紅外區(qū)域的光波都一個或多個吸收譜線，甲烷的吸收譜線是3.39μm，用氦氖激光器可以獲得穩(wěn)定的3.39μ紅外激光。當(dāng)激光穿過瓦斯氣體時，將被瓦斯吸收，使光強(qiáng)度減弱，根據(jù)光強(qiáng)度的變化情況就可反映出瓦斯含量。檢測瓦斯含量的方法——紅外光譜系數(shù)法優(yōu)點(diǎn)激光瓦斯測量儀器有很高的靈敏度和選擇性，受氣體中其他氣體成分變化的影響小，測量的準(zhǔn)確度高。缺點(diǎn)只適用于實(shí)驗(yàn)室使用。因?yàn)榧す夤茈妷汉芨?，設(shè)備復(fù)雜，在井下使用有一定的困難。檢測瓦斯含量的方法——紅外光譜系數(shù)法原理根據(jù)超聲波在不同氣體中傳播的速度不同的原理制成。在常溫常壓下，聲波在氣體中傳播的速度為k——常數(shù)；m——?dú)怏w的分子量

標(biāo)準(zhǔn)氣體的分子量是29，CH4的分子量是16，根據(jù)超聲波穿過氣樣后速度的變化就可測出氣樣中瓦斯的含量。檢測瓦斯含量的方法——超聲波測量法缺點(diǎn)

對低濃度瓦斯不靈敏。因此，這類儀器主要在瓦斯抽放管道或高濃度瓦斯檢測中使用。檢測瓦斯含量的方法——超聲波測量法原理某些金屬氧化物（如SiO2及ZnO等）在600℃左右的溫度下，吸附不同的氣體后電阻發(fā)生變化，利用這一原理可實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊臏y量。優(yōu)點(diǎn)制造簡單，使用方便缺點(diǎn)元件的穩(wěn)定性和選擇性差，對氣體的分辨力弱。檢測瓦斯含量的方法——?dú)饷舭雽?dǎo)體原理

元件內(nèi)部以鉑絲為核心，外部以氧化鋁為載體，載體上涂有催化劑，當(dāng)鉑絲通過一定的電流且元件處于含有瓦斯的氣體中時，表面會產(chǎn)生無焰燃燒，使鉑絲因溫度升高而增加，實(shí)現(xiàn)對瓦斯的檢測。目前，低濃度甲烷傳感器均采用這種方法。檢測瓦斯含量的方法——熱載體催化元件幾個概念白元件：因氧化鋁呈白色，習(xí)慣上稱為白元件；黑元件：載體上涂以由活性組分鈀、鉑配制而成的催化劑，由于催化劑呈棕黑色，習(xí)慣上稱之為黑元件。沒有涂催化劑的元件稱之為補(bǔ)償元件或載體元件。檢測瓦斯含量的方法——熱載體催化元件鉑絲催化元件的特點(diǎn)既是催化劑，又是加熱器，同時又是感溫元件。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單；穩(wěn)定性好；受硫化物中毒影響小。缺點(diǎn)：催化活性低，工作溫度900～1000℃,升華嚴(yán)重，電阻增加，零點(diǎn)漂移，壽命短。檢測瓦斯含量的方法——熱載體催化元件載體催化元件結(jié)構(gòu)鉑絲：加熱，感溫載體：固定鉑絲，附載催化劑，傳熱催化劑：Pt,Pd,Th催化作用，降低甲烷燃燒溫度（300～400℃）；對靈敏度、穩(wěn)定性、功耗、壽命有很大改善。黑元件：工作元件白元件：補(bǔ)償元件檢測瓦斯含量的方法——熱載體催化元件檢測瓦斯含量的方法——性能比較作業(yè)：2-1什么是傳感器？其作用是什么？2-2傳感器主要由哪些部分組成？各部分的作用是什么？2-3傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)主要有哪些？第三節(jié)光纖瓦斯傳感器性能比較實(shí)例1：相位調(diào)制型光纖壓力傳感器光纖傳感器是以光為媒介傳輸信息，以光纖為傳感元件，對壓力或溫度的檢測是通過干涉條紋與光電檢測電路配合來完成的。氦氖激光器發(fā)出的激光經(jīng)透鏡集聚于光耦合器中,經(jīng)光耦合器分成兩路光束分別由參考光纖和測量光纖傳輸，并在終端光耦合器輸出端面形成干涉條紋，經(jīng)透鏡成像于探測器光敏面上。參考光纖的光程保持不變，而測量光纖的光程隨壓力p的變化而改變。相位調(diào)制型光纖傳感器參考光纖的光程保持不變,而測量光纖的光程隨壓力p的變化而改變。在壓力腔上安裝彈性圓筒，在圓筒上繞多圈光纖(約40～50匝)，構(gòu)成壓力傳感光纖。在壓力的作用下彈性圓筒的直徑發(fā)生變化，導(dǎo)致光纖的長度、直徑和折射率的變化，最終影響光程的變化。顯然，壓力增加時光程增加，反之光程減小。相位調(diào)制型光纖傳感器設(shè)兩路光纖的光程差為Δ，由光程差Δ導(dǎo)致兩路光波的相位差Φ為式中λ=632.8nm，為氦氖激光的波長；Δ=Sp，S為壓力傳感光纖的轉(zhuǎn)換系數(shù),與傳感光纖的長度、折射率和橫截面積變化有關(guān)。上式說明了相位調(diào)制的原理。相位調(diào)制型光纖傳感器干涉條紋的光強(qiáng)I與相位差Φ（即光程差與壓力）的關(guān)系為式中，I0為平均光強(qiáng)；K為干涉條紋對比度。由上式可知：當(dāng)Δ=±nλ(n=0，1，2，3…)時，其干涉光強(qiáng)最大為亮條紋；當(dāng)Δ=±(2n+1)λ/2(n=0，1，2，3…)時，干涉光強(qiáng)最小為暗條紋；光程差Δ每變化一個波長λ，即壓力p每變化p=λ/S時，干涉條紋將亮暗相間的變化一次，其光強(qiáng)變化近似于正弦波。相位調(diào)制型光纖傳感器可見，被測壓力是用干涉條紋作為一把尺子進(jìn)行度量的。若檢測干涉條紋變化次數(shù)為N,則壓力變化為式中，q=λ/S為光纖壓力傳感器的量化單位。相位調(diào)制型光纖傳感器兩路光波在終端光耦合器處產(chǎn)生干涉條紋，干涉條紋某一點(diǎn)由透鏡經(jīng)狹縫成像于探測器的光敏面上。其干涉條紋的光強(qiáng)分布與信號檢測反映在此仿真圖。干涉條紋的亮暗交替變化，相當(dāng)于干涉條紋在移動，光電探測器輸出的光電信號的變化波形與光強(qiáng)變化波形相同。光電探測器輸出的光電信號經(jīng)放大與整形電路后變?yōu)榉讲ㄐ盘?。一個脈沖方波對應(yīng)一個干涉條紋。根據(jù)Δp=nq，只要檢測脈沖數(shù)目N，就能計算壓力Δp。相位調(diào)制型光纖傳感器現(xiàn)在瓦斯檢測的方法主要有兩種：一是利用瓦斯氣體的光譜吸收檢測濃度；二是利用瓦斯?jié)舛群驼凵渎实年P(guān)系用干涉法測折射率。實(shí)例2：光纖瓦斯傳感器單波長吸收比較型吸收法的基本原理均是基于光譜吸收,不同的物質(zhì)具有不同特征吸收譜線。單波長吸收比較型屬吸收光譜型傳感器，根據(jù)Lambert定律:

I=I0e-ucL

其中，I、I0

為吸收后和吸收前射線強(qiáng)度，u為吸收系數(shù)，L為介質(zhì)厚度，c為介質(zhì)的濃度。從上式看出，根據(jù)透射和入射光強(qiáng)之比?？梢缘弥?dú)怏w的濃度。單波長吸收比較型原理圖選擇合適波長的光源。脈沖發(fā)生器使激光器發(fā)出脈沖光，或采用快速斬波器將連續(xù)光轉(zhuǎn)變成脈沖光(斬波頻率為數(shù)kHz)，經(jīng)透鏡耦合進(jìn)入光纖，并傳輸?shù)竭h(yuǎn)處放置的待測氣體吸收盒,由氣體吸收盒輸出的光經(jīng)接收光纖傳回。干涉濾光片選取瓦斯吸收率最強(qiáng)的譜線，由檢測器接收，經(jīng)鎖相放大器后送入計算機(jī)處理，根據(jù)強(qiáng)度的變化測量瓦斯?jié)舛?。?節(jié)一氧化碳傳感器CO檢測的意義CO傳感器分類及工作原理典型礦用傳感器CO濃度檢測的意