矿用传感器简介

矿用传感器发展
传感器技术是实现煤矿自动化技术的基础，而矿用 传感器的现状远远不能适应煤矿自动化发展的需要。 当今世界，由于微电子学和微处理机技术的飞速发展， 用微电子集成芯片组成的电子计算机、以微型机为中 心的工业过程控制、以分布式测量组成的多机系统以 及区域性网络，已在各行各业领风骚。
矿用传感器发展
第二节 矿用传感器简介
煤矿中应用的传感器现状 煤矿中应用的传感器发展 检测瓦斯含量的方法
矿用传感器现状
• 采掘机械化方面 随着综采机械化的发展，目前综采程度已达43%以上， 电牵引采煤面已投入使用。综采设备电气控制与检测较普 遍采用电压、电流检测。少数采煤机具备速度、功率、油 温的传感器及其检侧器。
矿用传感器发展
矿用传感器应提供新品、产品系列化、高功能、智能化 等来满足发展的需要，与煤矿重要的机电设备有机结合 形成新一代的机电一体化的产品。 例如： 采煤机，配双向倾抖度、煤岩分界、油量、油压、油 温、轴承温度、电流、电压、振动等，并与微机组成健 康检测及故障诊断使采煤机更新换代。同样对液压支架、 运输机、转载机等进行开发，使工作面顺槽控制得以实 现。
• 举例 采煤机机组位置检测传感器，采用微机芯片后，不仅可 检测机组位置，还可显示走行方向、走行速度、每班的 割煤量等； 胶带电子秤除单一显示累计运输量外，还可显示瞬时运 量、最大运量、平均运量，自动校正自重减少计量误差；
矿用传感器发展
煤仓超声波料位计增加，排除干扰信号、进行各种参数的修正， 并可自动报警，一台主机可带多个探头等功能； 提升机的行程位置传感器不但显示箕斗的位置，还可计算出箕斗 的运行速度，根据给定的速度运行图，自动调节运行速度以达到 缩短运行周期，提高运量并能自动运行准确停车的效果。 电参数智能化传感器不仅可测出电流、电压、有功功率、无功功 率，还可提供短路、过载，断相以及相位保护等；即使是一台简 单的速度传感器，智能化后便可测运转周期、累计转数并且大大 扩展了测量范围。
检测瓦斯含量的方法——红外光 谱系数法
• 原理 每种气体对红外区域的光波都一个或多个吸收谱线， 甲烷的吸收谱线是3.39μ m，用氦氖激光器可以获得稳定 的3.39μ 红外激光。当激光穿过瓦斯气体时，将被瓦斯吸 收，使光强度减弱，根据光强度的变化情况就可反映出瓦 斯含量。
检测瓦斯含量的方法——红外光 谱系数法
矿用传感器现状
• 煤矿电力调度监控系统方面 目前使用的传感器有:电压、电流变送器、有功功 率变送器、功率因数传感器。
矿用传感器现状
• 矿井环境、生产监测、监控系统方面 传感器是实现煤矿安全生产设备自动化必不可少的部份。监 测监控系统的传感器齐全程度及系列产品已具备相当水平，井下 机电设备开/停检测，由称重传感器、测速传感器等组成的矿用 微机皮带秤，监测料仓料位的超声波料位计，本安电容液位计， 使用于机电设备外壳温度检测的温度传感器、环境温度、高低浓 度瓦斯、水压、超声风速、供电状态、馈电开关、超声计数、一 氧化碳、二氧化碳、氧气、负压、烟雾、风门开关等几十种传感 器。
矿用传感器发展
• 智能化
定义：指那些装有微处理器的，不但能够执行信息处理和信息存 储，而且还能够进行逻辑思考和结论判断的传感器系统。 这一类传感器就相当于是微型机与传感器的综合体一样，其主要 组成部分包括主传感器、辅助传感器及微型机的硬件设备。如智 能化压力传感器，主传感器为压力传感器，用来探测压力参数， 辅助传感器通常为温度传感器和环境压力传感器。 采用这种技术时可以方便地调节和校正由于温度的变化而导致的 测量误差，硬件系统除了能够对传感器的弱输出信号进行放大、 处理和存储外，还执行与计算机之间的通信联络。
检测瓦斯含量的方法——热载体 催化元件
• 几个概念 白元件：因氧化铝呈白色，习惯上称为白元件； 黑元件：载体上涂以由活性组分钯、铂配制而成的催化 剂，由于催化剂呈棕黑色，习惯上称之为黑元件。 没有涂催化剂的元件称之为补偿元件或载体元件。
检测瓦斯含量的方法——热载体 催化元件
• 铂丝催化元件的特点 既是催化剂，又是加热器，同时又是感温元件。 优点：结构简单；稳定性好；受硫化物中毒影响小。 缺点：催化活性低，工作温度900～1000℃,升华严重，电 阻增加，零点漂移，寿命短。
检测瓦斯含量的方法——热 导法
• 缺点 （1）待测气体的热导率与空气的热导率相差越远， 得到的信号就越强。 瓦斯的热导率近似为空气热导率的1.3倍，两者悬 殊不大，因此用热导法测量低浓度瓦斯，传感器输出 的信号很小，测量误差相应增加。 （2）热导仪器的零点漂移严重，也不适宜测量低 浓度瓦斯。 一般情况下，热导仪器常与载体催化型仪器配套 使用，用来测量５%～100% CH4的高浓度瓦斯。
矿用传感器发展
机器人开发
煤炭工业是多种技术综合应用的行业，工种多且作业复杂，可 供选择机器人作为开发的目标产品，其选择范围宽，自由度大，如 掘进、采煤、凿岩、支护喷浆、水采、消防、救灾等机器人。 机器人开发特点不表现在机械本身，而主要是完善的传感器及 完整的软硬件，实现井下无人采煤要研制在规律和不稳定煤层中制 导机器的传感器。 机器人内部传感器是用于检测对象和作业环境，需要使用各门 类各品种传感器、如加速度、速度、线位移、角位移等内部传感器， 视觉、听觉等非接触外部传感器，接触、压觉、滑觉、硬觉等接触 外部传感器。
矿用传感器现状
• 矿并运输自动化方面 我国井下主煤运输还是以轨道运输为主，矿用电机车行车安全检 测装置中使用了速度、里程累计、电池容量、电池电压、超速报警、 架线电压监测等传感器。 80年代以后，随着工作面产量日益增加，在一些大中型矿井中主 煤运输逐步被胶带输送机所代替，备有打滑、跑偏、断带、纵撕、 物料探测、堆煤、烟雾、温度(轴承、环境)、速度、防尘洒水、灭 火洒水等门类齐全的保护装置，真空开关过流过压保护、沿线紧急 闭锁保护、电机电流检测等功能，选配有超声料位计、电子胶带秤 或核子胶带秤等设备，并有多种故障保护功能。每种传感器都有相 应的开关量或模拟量输出，使系统功能更加完善。
• 原理
某些金属氧化物（如SiO2及ZnO等）在600℃左右的温度下，吸附不 同的气体后电阻发生变化，利用这一原理可实现瓦斯浓度的测量。
• 优点
制造简单，使用方便
• 缺点
元件的稳定性和选择性差，对气体的分辨力弱。
检测瓦斯含量的方法——热载体 催化元件
• 原理 元件内部以铂丝为核心，外部以氧化铝为载体，载体 上涂有催化剂，当铂丝通过一定的电流且元件处于含有瓦 斯的气体中时，表面会产生无焰燃烧，使铂丝因温度升高 而增加，实现对瓦斯的检测。 目前，低浓度甲烷传感器均采用这种方法。
矿用传感器发展
• 集成化 两个含义：第一是将传感器与放大器、检测电路等集 成在同一芯片上 既减小体积，又增加抗干扰能力。第二 是将同一类传感器集成在同一芯片上构成多功能传感器， 它可以同时测量煤壁、顶底板等表面状况。
矿用传感器发展
• 数字化 数字化对数字式传感器的研究是很重要的，它可以 使传感器直接与计算机联机。
作业：
2-1 什么是传感器？其作用是什么？
2-2 传感器主要由哪些部分组成？各部分 的作用是什么？ 2-3 传感器的静态特性指标主要有哪些？
第三节 光纤瓦斯传感 器
性能比较
实例1：相位调制型光纤压 力传感器
光纤传感器是以光为媒介传输信息，以 光纤为传感元件，对压力或温度的检测 是通过干涉条纹与光电检测电路配合来 完成的。
检测瓦斯含量的方法——光干涉 法
• 优点
安全可靠、操作简单、测量范围广（0～10%），成为我国 矿井安全检查员必备的仪器之一。
• 缺点
很难把光干涉信号进一步转换成电信号，无法与监控系统连续 实现遥测，只能用于个人携带； 当待测气体中其他成分气体的百分比变化时，光干涉条纹位置 也会变化，形成较大的测量误差。
k——常数； m——气体的分子量
1 vk m
标准气体的分子量是29，CH4的分子量是16，根据超声 波穿过气样后速度的变化就可测出气样中瓦斯的含量。
检测瓦斯含量的方法——超声波 测量法
• 缺点 对低浓度瓦斯不灵敏。 因此，这类仪器主要在瓦斯抽放管道或高浓度瓦斯检测 中使用。
检测瓦斯含量的方法——气敏半 导体
检测瓦斯含量的方法
• • • • • • 热导法 光干涉法 红外光谱系数法 超声波测量法 气敏半导体法 热载体 催化元件
检测瓦斯含量的方法——热 导法
• 原理 热导率是组成混合气体的成分及各成分所占百分比的 函数。因此，测出气体的热导率就可以确定混合气体的成 分。按此原理就可测量井下气体中CH4的含量。
矿用传感器发展
• 高精度、微型化、集成化、数字化、智能 化，已成为发展传感器技术总的途径和趋 势。
矿用传感器发展
• 高精度 为了提高煤矿环境的测控精度，必须使传感器的精度 尽可能地高，例如CO传感器，希望测试精度能优于士l％， 风速传感器的精度要求优于±2％。
矿用传感器发展
• 微型化 微型化传感器主要由硅材料构成, 具有体积小、重 量轻、反应快、灵敏度高以及成本低等优点。其核心 技术是研究微电子和微机械加工与封装技术的巧妙结 合, 期望能够由此而制造出体积小巧但功能强大的新 型系统。它对于经常变换作业场所的煤炭企业，易于 搬迁、移动，更具特殊意义。
检Biblioteka Baidu瓦斯含量的方法——热载体 催化元件
• 载体催化元件结构 铂丝：加热，感温 载体：固定铂丝，附载 催化剂，传热 催化剂：Pt,Pd,Th催化 作用，降低甲烷燃烧温 度（300～400℃ ）； 对灵敏度、稳定性、功 耗、寿命有很大改善。
黑元件：工作元件 白元件：补偿元件
检测瓦斯含量的方法——性能比 较
矿用传感器现状
• 矿山固定设备方面
提升安全运行，以微机为核心的提升机后备保护装置的开发 得到迅速发展，提升机控制使用了行程位置传感器、提升机深度 指示器、提升机过卷保护器、电压、电流变送器、功率变送器、 防爆磁性开关等。 风机、水泵微机监测系统和压风机自动化监测系统已投入使 用。 目前使用的传感器有:电压、电流功率变送器、负压、风速、 转速、水泵效率检测、水仓水位、压力、二级排气温度定点式、 风包定点、轴承定点式温度、自动风门传感器等。
相位调制型光纤传感器
氦氖激光器发出的激光经透镜集聚于光耦合器 中,经光耦合器分成两路光束分别由参考光纤和 测量光纤传输，并在终端光耦合器输出端面形 成干涉条纹，经透镜成像于探测器光敏面上。 参考光纤的光程保持不变，而测量光纤的光程 随压力p的变化而改变。
相位调制型光纤传感器
参考光纤的光程保持不变, 而测量光纤的光程随压力p的 变化而改变。 在压力腔上安装弹性圆筒，在圆筒上绕多圈光纤(约40～ 50匝)，构成压力传感光纤。在压力的作用下弹性圆筒的直 径发生变化，导致光纤的长度、直径和折射率的变化，最 终影响光程的变化。显然，压力增加时光程增加，反之光 程减小。
检测瓦斯含量的方法——光干涉 法
• 原理 利用瓦斯与空气对 光线的折射率不同而 制成。
检测瓦斯含量的方法——光干涉 法
由光源1发出的光， 经聚光镜2和狭缝3到达 平面镜4，并经其反射 与折射形成两束光，分 别通过空气室5和甲烷 室6，再经折射棱镜7折 射后，两束光经平面镜 4反射，一同进入反射 棱镜8，再反射给望远 镜系统9。在物镜的焦 平面上产生干涉条纹。
• 优点 激光瓦斯测量仪器有很高的灵敏度和选择性，受气体 中其他气体成分变化的影响小，测量的准确度高。 • 缺点 只适用于实验室使用。因为激光管电压很高，设备复 杂，在井下使用有一定的困难。
检测瓦斯含量的方法——超声波 测量法
• 原理
根据超声波在不同气体中传播的速度不同的原理制成。 在常温常压下，声波在气体中传播的速度为
检测瓦斯含量的方法——光干涉 法
• 当甲烷室与空气室同时充入空气时，两束光所经过的 光程相同，则干涉条纹不产生移动。如改变在甲烷室 中的气体成分、温度或压力，则因折射率改变，光程 也随之改变，干涉条纹便会发生移动。当两室温度和 压力相等时，干涉条纹的移动量与甲烷浓度成正比。 测量这个移动量，便可测定空气中的甲烷含量。