如何提高矿用传感器性能及适应煤矿井下环境浅析

摘要：本文从煤矿这个特殊行业着手，分析了矿用传感器的作用，并对如何提高传感器的性能及煤矿井下环境进行了一定的探讨。同时提出了作者认为可行性的设计方法。

Abstract： The article devote to analyse the function of mine sensor in the mine field， research how to improve the performance of sensors and mine environment. Writer draws feasible design methods.

关键词： 传感器；矿井环境；性能；方法

Key words： sensor；mine enviroonment；performance；method

中图分类号：TD82-9 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）11-0316-02

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作者简介：赵书沁（1980-），女，四川南充人，助理工程师，主要从事销售及售后管理工作。

1 我国煤矿主要分布

在我国国民经济中，煤炭资源的消耗约占能源消耗的75%，在我国民经济和社会发展中起着重要的作用，由于我国资源分布不均，导致是油少煤多的分布，我国国民经济呈现出对煤炭的依赖高于其他能源（如风能、太阳能等）。我国煤炭产区主要集中在北方，以传统的产煤大省山西、山东、河南、甘肃、陕西及新兴的产煤区新疆、内蒙为主，南方主要是以小煤矿为主，产量较低，却是经济相对欠发达地区的主要财政收入来源之一。我国煤炭资源的消耗逐年增加，近几年的开采量基本维持在25亿吨，更有增加的趋势，随着国民经济的不断发展，对能源的需求增加，加之其他因素的影响，煤炭的供应出现了国际化的趋势，以满足我国对能源的需求。

2 我国煤矿井下环境的概述

我国煤矿的开采技术相对落后，除国有大型矿井及达到规模化开采的矿井，大多是一种传统粗放的开采方式。特别是地方小煤矿，规模小、技术差、产量低、浪费严重并对环境造成污染或不可恢复性破坏。矿井环境大多复杂多变，并且较为恶劣，温度、湿度、照明、粉尘、有毒有害气体、风速、噪声等构成了矿井的微气候环境。其中，对传感器影响很大的因素主要是温度、湿度、负压及粉尘，温度是影响该微气候环境的重要因素之一，随着矿井采掘工作的不断向深部推进，由于地热、机械热、氧化热、压缩热等各种热源的影响，越来越多的矿井不可避免的出现矿井环境高温问题，随着一氧化碳的逐渐积累，温度的增高，矿井的煤炭自燃几率增加，为防止自燃，采用相应的降温、加大通风等措施。随着高温问题的出现，导致降尘后的水分蒸发，提高了矿井中的相对湿度，有的矿井相对湿度为98%，甚至100%，一般为85%以上。湿度和温度对传感器性能的影响是传感器能否正常工作的两个重要指标，一旦超出正常值，传感器的精度、可靠性及使用寿命都会大幅降低，甚至不能正常工作。如何提高传感器适应矿井环境就显得必要和迫切。

3 传感器的种类及原理

3.1 传感器的种类

由于矿井环境因素，以及“一通三防”的要求。一通就是通风，也就是通风系统要完善，合理，没有违反规程的不合理通风，并且通风构筑物要可靠。三防主要是指防火、防煤尘、防瓦斯，通过各类设备设施的安设来防范各种事故发生[1]。矿井中必不可少的传感器有瓦斯、风速、一氧化碳、温度、开停（属于开关量传感器）、语音风门（属于开关量传感器）、负压等，有些矿井还安装有二氧化硫、硫化氢、粉尘、烟雾等传感器。

在煤矿井下环境中，瓦斯、一氧化碳、粉尘等对人体危害极大。由于瓦斯、一氧化碳等气体是无色无味，只能通过相应的传感器进行监测。因此，提高传感器对环境的适应能力，才能提高监测的可靠性、稳定性、准确性。随着我国开采技术水平的提高，煤矿安全要求的提高，“六大系统”技术的推广（监测监控系统、人员定位系统、紧急避灾系统、压风自救系统、供水施救系统、通讯联络系统），使传感器的使用量大幅增加。这“六大系统”技术的推广，给矿用传感器生产企业带来了扩大产品的规模化、标准化、系统化、专业化等方面带来了机遇，同时对企业产品的质量，市场占有率如何提高传感器的性能，传感器的新技术的应用，规模相等或相似的该型企业也带来了挑战。

3.2 传感器的基本原理组成

我国现有能生产矿井所用传感器的厂家，采用的基本电路原理大致相同，是把采集到的被测气体通过气体扩散原理信号变为模拟信号，模拟信号是一种不仅在时间上连续、数值上也连续的物理量，具有无穷多的数值，其数学表达是必较复杂，比如正弦函数、指数函数等[2]。模拟信号需通过相应的转换变成数字信号，数字信号是指数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限数值之内。二进制码就是一种数字信号。二进制码受噪声的影响小，易于有数字电路进行处理，所以得到了广泛的应用。模拟信号通过A/D转换，A/D转换[3]是指把模拟信号转变成数字信号，形成之后的信号易于形成频率信号，再通过CPU中央处理单元相应的处理，输出为频率（200―1000Hz）或电流（1―5mA）信号。其电路组成主要有以下几个部分：①稳压供电电路；②气体（涡流、粉尘、热电偶）检测及A/D转换电路；③CPU电路（数据存储、复位）；④声光报警电路；⑤数码显示电路；⑥遥控控制电路；⑦信号输出驱动电路。如图1。

3.3 传感器的定义及矿用传感器的主要技术指标

3.3.1 传感器的定义：什么叫传感器？从广义上讲，传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置；简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。所以它由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。敏感元器件品种繁多，就其感知外界信息的原理来讲，可分为：①物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。②化学类，基于化学反应的原理。③生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类[4]。矿用传感器的使用环境是决定了该型传感器的特殊性，主要是因为大部分矿用模拟传感器既需要防爆，又需要计量，受不同标准约束，生产成本相对较高。矿用传感器需采用高稳定性、长寿命的敏感元件、在整机硬件、软件的设计中，采取多种干扰措施，满足国家相关标准规定的电磁兼容要求。具有性能稳定、测量精确、响应速度快、抗冲击能力强、遥控调校、断电控制、结构坚固、易使用、易维护、易更换、体积小、重量轻等特点。

3.3.2 矿用传感器主要技术指标如下：①工作电压：

9―24V。②测量范围：根据不同传感器种类量程做出相应指标。③测量精度：根据不同传感器种类量程做出相应指标。④元件反应时间：根据不同传感器种类做出相应符合相关国家要求并满足该指标。⑤调校周期：不同传感器的要求不同。⑥使用寿命：基本在一年以上。⑦采样方式：不同传感器的要求不同。⑧最大传输距离：2km。⑨输出信号：200―1000hz、1―5mADC、4―20mADC。⑩防爆型式：Exibd I矿用本安或Exibd I矿用本安兼隔爆型。

4 如何提高传感器使用性能

4.1 加强防水、防尘的设计 防水和防尘在煤矿矿井环境中是重要的研究方向，这两个因素几乎是对所有传感器都会产生严重的影响。由于矿井环境的不断变化，这两种因素的影响也在不停的变化，随着温度的增高，只要矿方井下防尘工作一开展，湿度会不断加大，粉尘越多，降尘的次数增加，湿度增加。由于传感器是传输的电信号，因此，防尘和防水显得尤为重要，传感器一经受潮，性能会大幅降低，甚至数值固定不变，输出监测值为“0”的情况普遍存在。湿度、粉尘是影响传感器不稳定的重要因素之一。

4.2 加强抗干扰能力 由于受地磁或其他磁场的干扰，开停传感器的误报增加，改善该传感器的防磁设计显得很重要，可以尝试增加屏蔽。

4.3 加强减少震动对传感器的影响 这类影响主要是煤矿井下炮采，都会产生震动，对传感器的影响主要是一氧化碳、瓦斯等传感器。如产生的冲击波很强时，该类传感器的值会出现高值或误报警，导致矿方维护人员的工作量增加或监测监控系统的断电控制，影响正常的日常工作。

总之，所有矿用传感器，在满足我国基本的相关规定要求条件下，只有充分了解研究煤矿矿井的环境，加强工业性试验，加强器件选型实验，得出正确的设计参数，根据现场情况和用户的需求，达到相关的各项标准及要求，才能设计出高可靠性、高稳定性、高准确性的产品，才能全面提高产品的质量。

参考文献：

[1]国家安全生产监督管理总局 国家煤矿安全监察局 煤矿

安全规程.煤炭工业出版社，2011，（3）.

[2]童诗白.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社，2006.

[3]刘美玲，邓荣.数字电子技术基础[M].清华大学出版社，2008.

[4]田裕鹏等编著.传感器原理[M].科学出版社，2007.