傳感器在煤炭行業(yè)安全生產(chǎn)中的應(yīng)用

姚文葦

（陜西學(xué)前師范學(xué)院物理與電子技術(shù)系，陜西西安,710100）

傳感器在煤炭行業(yè)安全生產(chǎn)中的應(yīng)用

姚文葦

（陜西學(xué)前師范學(xué)院物理與電子技術(shù)系，陜西西安,710100）

本文介紹了如何把煤炭生產(chǎn)需要檢測(cè)的參量，壓力、速度、溫度、氣體成分等非電量通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成便于傳輸處理的電信號(hào)，已達(dá)到安全生產(chǎn)的需要。

煤炭;安全生產(chǎn);傳感器

0 引言

煤炭作為一種常規(guī)能源，目前是世界上儲(chǔ)量最多、分布最廣，也是最廉價(jià)的能源，它具有其他資源（如石油、天熱氣）不可替代的地位。隨著全球電力需求的增長(zhǎng)和工業(yè)發(fā)展的需要，煤炭需求在亞洲，乃至全球?qū)⒊掷m(xù)保持增長(zhǎng)勢(shì)頭。煤炭行業(yè)大好發(fā)展形勢(shì)，主要?dú)w因于這三個(gè)方面：產(chǎn)業(yè)政策的導(dǎo)向；宏觀經(jīng)濟(jì)的調(diào)控；技術(shù)的不斷創(chuàng)新。在煤炭行業(yè)迅猛發(fā)展的同時(shí)，我們也不難發(fā)現(xiàn)，安全生產(chǎn)因素對(duì)煤炭行業(yè)的影響不容忽視，煤礦下的安全檢測(cè)也一直是國(guó)家的硬性規(guī)定。造成煤礦事故的原因主要有：頂板坍塌、瓦斯爆炸、水噴、煤炭層斷裂、煤塵等幾大類(lèi)。傳感器可以把需要測(cè)量的非電量參數(shù)通過(guò)相應(yīng)的敏感元件檢測(cè)到，然后經(jīng)轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成便于傳輸處理的電信號(hào)，其中包括溫度、壓力、速度、氣體成分、煤位、煙霧、計(jì)量等煤炭行業(yè)所需要的檢測(cè)量。本文系統(tǒng)介紹在以上參量的檢測(cè)中傳感器的具體工作原理，以為煤炭安全生產(chǎn)服務(wù)。

1 壓力傳感器

液壓支架的電液控制技術(shù)是隨著采煤設(shè)備和技術(shù)的自動(dòng)化發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新興技術(shù)，實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)技術(shù)的電液控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)、傳感器等電子裝置和液壓回路控制部件三大構(gòu)成，壓力傳感器是其中的一個(gè)主要組成部分。壓力傳感器可采用金屬應(yīng)變片式力傳感器，將金屬電阻應(yīng)變片粘貼在液壓支架前后支柱或前伸梁的表面，當(dāng)支架或前伸梁有機(jī)械變形時(shí)，其電阻隨機(jī)械變形而發(fā)生相應(yīng)的應(yīng)變導(dǎo)致阻值發(fā)生變化。電阻應(yīng)變片用于力的測(cè)量時(shí)，需要通過(guò)電橋?qū)⑵潆娮璧淖兓D(zhuǎn)變成容易傳輸處理的電壓或電流，如圖1。應(yīng)變片電橋電路的輸出信號(hào)（電壓或電流）微弱，需要采用交流放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。

壓電式測(cè)力傳感器也是測(cè)力中經(jīng)常用到的一種，主要是利用某些材料（石英、陶瓷）具有壓電效應(yīng)，當(dāng)受到外力作用時(shí)發(fā)生變形，在內(nèi)部將發(fā)生極化現(xiàn)象，在其某兩個(gè)對(duì)應(yīng)表面有電荷出現(xiàn)，形成電場(chǎng)；當(dāng)外力去掉時(shí)，又恢復(fù)不帶電的狀態(tài)；電荷的極性、多少與受力的方向、大小成正比。此過(guò)程可以把非電信號(hào)機(jī)械量轉(zhuǎn)換

成電量。

圖1 貼應(yīng)變片測(cè)力傳感器的測(cè)量電路

圖2 液位報(bào)警器

采用液壓支架的電液控制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工人的勞動(dòng)條件，從而減少工作面的操作人員；可以解決特殊地質(zhì)條件和困難生產(chǎn)條件下的生產(chǎn)工藝問(wèn)題，有利于保障人身安全等等。

2 溫度傳感器

溫度的測(cè)量可以分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式溫度傳感器多采用集成溫度式傳感器，具有線性度高、精度高、體積小，響應(yīng)快、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。它由測(cè)溫三極管、激勵(lì)電路、放大電路等集成在小芯片上構(gòu)成。圖2是把集成溫度傳感器、運(yùn)算放大器與報(bào)警電路組合起來(lái)檢測(cè)液位高低，進(jìn)行液位報(bào)警。將傳感器B2放置于警戒線液面之上，傳感器B1放置在外部。平時(shí)狀態(tài)下兩個(gè)傳感器在相同的溫度條件下，調(diào)節(jié)電位器RP1使運(yùn)算放大器的輸出為零。當(dāng)液面升高時(shí)，傳感器B2將會(huì)被液體淹沒(méi)，由于液體溫度與環(huán)境溫度不同，運(yùn)算放大器會(huì)輸出一個(gè)控制信號(hào)，經(jīng)報(bào)警電路報(bào)警。通過(guò)此項(xiàng)裝置可以實(shí)時(shí)檢測(cè)水位，防止水噴。

利用物體受熱后將部分能量轉(zhuǎn)變成輻射能的原理，可以進(jìn)行非接觸式溫度測(cè)量，也常稱為輻射式溫度傳感器，它由光學(xué)系統(tǒng)和檢測(cè)元件兩大部分構(gòu)成。目前多采用圖3(a)所示的紅外溫度傳感器，其所輻射的能量大小直接跟溫度有關(guān)，可表示為

式中E表示物體在溫度T時(shí)單位面積和單位時(shí)間的紅外輻射能量表示物體的輻射率分別表示物體的溫度與周?chē)臏囟取?/p>

3 速度傳感器

超速是一項(xiàng)非常嚴(yán)格檢查，后果特別嚴(yán)重，尤其是重載貨車(chē)。對(duì)于煤炭車(chē)的運(yùn)行速度（即線速度）可利用多普勒效應(yīng)雷達(dá)檢測(cè)。它由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)（煤炭車(chē)）、混頻機(jī)、檢波器、放大器及處理電路等組成。當(dāng)發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)經(jīng)混頻后，兩者產(chǎn)生差頻現(xiàn)象，差頻的頻率正好為多普勒頻率。圖3(b)是其檢測(cè)線速度的原理圖。

采煤過(guò)程中，大型機(jī)械的轉(zhuǎn)速測(cè)量可以選擇霍爾轉(zhuǎn)速表，在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤(pán)，也可選擇機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將霍爾元件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤(pán)，隨著齒盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，磁路的磁阻發(fā)生周期性變化，測(cè)量霍爾元件輸出的脈沖頻率就可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。

4 氣體成分傳感器

煤炭瓦斯是礦井下有害氣體的總稱，通常所說(shuō)的煤炭瓦斯是指沼氣CH4。它是由植物纖維經(jīng)厭氧菌反應(yīng)產(chǎn)生的無(wú)色、無(wú)味、無(wú)臭的氣體，難溶于水。瓦斯無(wú)毒，但濃度高時(shí)，會(huì)引起窒息，而且空氣中含量達(dá)到一定濃度時(shí)，遇到高溫會(huì)發(fā)生爆炸。圖4是由瓦斯報(bào)警電路、氣敏元件和電位器組成的氣體檢測(cè)電路。當(dāng)沒(méi)有瓦斯氣體時(shí)，氣敏元件的A、B之間的電導(dǎo)很小，由電位器滑動(dòng)觸電的輸出電壓小于0.7，555集成電路的4腳被強(qiáng)行復(fù)位，振蕩器處于不工作狀態(tài)，報(bào)警器不發(fā)出聲響。當(dāng)周?chē)諝庵杏型咚箽怏w時(shí)，A、B之間的電導(dǎo)迅速增加，555集成電路4腳為高電平，振蕩電路起振，揚(yáng)聲器發(fā)出警報(bào)聲。該裝置除了對(duì)瓦斯氣體報(bào)警外，調(diào)節(jié)電位器對(duì)煙霧和其它有害氣體也可以報(bào)警。

圖3 (a)紅外溫度傳感器

圖3 (b)多普勒效應(yīng)雷達(dá)檢測(cè)煤炭車(chē)線速度

圖4 瓦斯氣體報(bào)警器

圖5 紅外氣體成分分析儀

圖6 超聲波物位傳感器

圖7 煤塵光檢測(cè)器

紅外氣體成分分析儀根據(jù)吸收帶的分布情況與吸收強(qiáng)弱，識(shí)

別氣體的類(lèi)型和濃度情況。其結(jié)構(gòu)如圖5，在測(cè)量時(shí)，由紅外光源1發(fā)出紅外線，使其分別通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)器室2和充滿被測(cè)氣體的測(cè)量氣室3，然后通過(guò)干涉濾波片4后被紅外傳感器5吸收。如果標(biāo)準(zhǔn)器室2中的氣體成分與測(cè)量器室3中氣體成分一致，則傳感器5只有直流輸出，交流放大器9就沒(méi)有輸出；若氣體成分不一致，則紅外傳感器5相當(dāng)于交替接收兩束不同的紅外輻射，因此傳感器輸出交流信號(hào)，放大器9就有輸出。氣體成分差別越大，交流輸出值也越大。從輸出的信號(hào)類(lèi)型及強(qiáng)弱可以檢測(cè)氣體的成分和濃度。

5 物位傳感器

物位的測(cè)量主要是按生產(chǎn)工藝要求等監(jiān)視、控制被測(cè)物位的變化。物位包括液位、料位和界位，液位是指液體所積存的高度，料位是指固體物的相對(duì)高度，而界位則是兩種密度不同互不相溶的液體間或液體與固體的分界面。利用物位傳感器可以檢測(cè)煤位（料位）及水位（液位）的高度，當(dāng)高度超標(biāo)時(shí)可以及時(shí)報(bào)警。超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)（煤和空氣或水和空氣）分界面上的反射特性而制成的。通過(guò)從發(fā)射超聲脈沖到接收換能器接收到反射波為止的這個(gè)時(shí)間間隔就可以求出分界面的位置。圖6中兩個(gè)換能器的距離為2，換能器到分界面接收點(diǎn)的距離為，則從發(fā)射到接收經(jīng)過(guò)的總路程為2，那么可以推算煤位或水位的高度

6 煤塵傳感器

煤礦井下的煤塵可以通過(guò)光在傳輸過(guò)程中的變化大小來(lái)檢測(cè)。如果煤塵含量增加，圖7中光源發(fā)出的光就被充滿空間的煤塵顆粒吸收和折射，到達(dá)光檢測(cè)器的光就減少，因而光檢測(cè)器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱可反映煤塵含量的變化。選取可見(jiàn)光作為光源，光檢測(cè)器以獲取隨煤塵變化的響應(yīng)電信號(hào)。為了提高檢測(cè)靈敏度，采用具有高增益、高輸入阻抗、低零漂、高共模抑制比的運(yùn)算放大器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。報(bào)警電路由多諧振蕩器組成，當(dāng)運(yùn)算放大器輸出濁度信號(hào)超過(guò)規(guī)定值時(shí)，多諧振蕩器輸出信號(hào)經(jīng)放大后推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

7 探傷傳感器

超聲波在傳播時(shí)，如遇到缺陷（介質(zhì)與空氣的分界面處），若滿足缺陷的尺寸等于或大于超聲波波長(zhǎng)時(shí)，則超聲波將會(huì)被反射回來(lái)，通過(guò)探傷儀可將反射波顯示出來(lái)。脈沖反射式是超聲波探傷儀在實(shí)際探傷過(guò)程中應(yīng)用最為廣泛的一種，類(lèi)似于圖6。在均勻的煤層中，斷裂的存在將造成煤層的不連續(xù)，這種不連續(xù)將會(huì)導(dǎo)致聲阻抗（密度與聲速的乘積）不一致，超聲波在兩種不同聲阻抗的介質(zhì)分界面上將會(huì)發(fā)生反射，反射回來(lái)的能量的大小與兩邊介質(zhì)的聲阻抗以及交界面的取向和大小有關(guān)。根據(jù)這個(gè)原理可以對(duì)煤炭層進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)反射的聲波的強(qiáng)弱可以判定有無(wú)裂痕及其大小。

8 結(jié)論

在信息社會(huì)的一切活動(dòng)領(lǐng)域，從日常生活、生產(chǎn)活動(dòng)到科學(xué)實(shí)驗(yàn)，時(shí)時(shí)處處都離不開(kāi)檢測(cè)。現(xiàn)代化的檢測(cè)手段決定了生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平，傳感器處于測(cè)試系統(tǒng)的最前端，用來(lái)獲取需要檢測(cè)的信息。煤炭作為我國(guó)的基礎(chǔ)能源，其安全生產(chǎn)對(duì)我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的作用。傳感器作為信息的獲取手段，在煤炭安全檢測(cè)中占有極其重要的地位。隨著新材料和技術(shù)的不斷開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，傳感器在煤炭行業(yè)安全生產(chǎn)方面將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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Application of sensor in the safe production of the coal industry

Yao Wenwei
(Department of physics and electronic technology,Xi'an,710100 Shaanxi Preschool Normal College of Shaanxi)

This paper introduces how to use coal production requires detection of parameters,pressure, speed,temperature,gas composition and other parameters through the sensor into easy to electrical signal transmissionprocessing,has reached the need for safety production.

coal production safety;sensor

姚文葦(1981-),女,山東臨沂人,講師,碩士，主要從事功率超聲及傳感器的研究.

陜西教育學(xué)院科研基金項(xiàng)目（11KJ022）