传感器在煤炭行业安全生产中的应用

姚文苇

（陕西学前师范学院物理与电子技术系，陕西西安,710100）

传感器在煤炭行业安全生产中的应用

姚文苇

（陕西学前师范学院物理与电子技术系，陕西西安,710100）

本文介绍了如何把煤炭生产需要检测的参量，压力、速度、温度、气体成分等非电量通过传感器转换成便于传输处理的电信号，已达到安全生产的需要。

煤炭;安全生产;传感器

0 引言

煤炭作为一种常规能源，目前是世界上储量最多、分布最广，也是最廉价的能源，它具有其他资源（如石油、天热气）不可替代的地位。随着全球电力需求的增长和工业发展的需要，煤炭需求在亚洲，乃至全球将持续保持增长势头。煤炭行业大好发展形势，主要归因于这三个方面：产业政策的导向；宏观经济的调控；技术的不断创新。在煤炭行业迅猛发展的同时，我们也不难发现，安全生产因素对煤炭行业的影响不容忽视，煤矿下的安全检测也一直是国家的硬性规定。造成煤矿事故的原因主要有：顶板坍塌、瓦斯爆炸、水喷、煤炭层断裂、煤尘等几大类。传感器可以把需要测量的非电量参数通过相应的敏感元件检测到，然后经转换元件转换成便于传输处理的电信号，其中包括温度、压力、速度、气体成分、煤位、烟雾、计量等煤炭行业所需要的检测量。本文系统介绍在以上参量的检测中传感器的具体工作原理，以为煤炭安全生产服务。

1 压力传感器

液压支架的电液控制技术是随着采煤设备和技术的自动化发展起来的一项新兴技术，实现此项技术的电液控制系统主要由单片机、传感器等电子装置和液压回路控制部件三大构成，压力传感器是其中的一个主要组成部分。压力传感器可采用金属应变片式力传感器，将金属电阻应变片粘贴在液压支架前后支柱或前伸梁的表面，当支架或前伸梁有机械变形时，其电阻随机械变形而发生相应的应变导致阻值发生变化。电阻应变片用于力的测量时，需要通过电桥将其电阻的变化转变成容易传输处理的电压或电流，如图1。应变片电桥电路的输出信号（电压或电流）微弱，需要采用交流放大器对信号进行放大。

压电式测力传感器也是测力中经常用到的一种，主要是利用某些材料（石英、陶瓷）具有压电效应，当受到外力作用时发生变形，在内部将发生极化现象，在其某两个对应表面有电荷出现，形成电场；当外力去掉时，又恢复不带电的状态；电荷的极性、多少与受力的方向、大小成正比。此过程可以把非电信号机械量转换

成电量。

图1 贴应变片测力传感器的测量电路

图2 液位报警器

采用液压支架的电液控制技术能够实现自动化作业，降低工人的劳动强度，改善工人的劳动条件，从而减少工作面的操作人员；可以解决特殊地质条件和困难生产条件下的生产工艺问题，有利于保障人身安全等等。

2 温度传感器

温度的测量可以分为接触式和非接触式两种。接触式温度传感器多采用集成温度式传感器，具有线性度高、精度高、体积小，响应快、价格低等优点。它由测温三极管、激励电路、放大电路等集成在小芯片上构成。图2是把集成温度传感器、运算放大器与报警电路组合起来检测液位高低，进行液位报警。将传感器B2放置于警戒线液面之上，传感器B1放置在外部。平时状态下两个传感器在相同的温度条件下，调节电位器RP1使运算放大器的输出为零。当液面升高时，传感器B2将会被液体淹没，由于液体温度与环境温度不同，运算放大器会输出一个控制信号，经报警电路报警。通过此项装置可以实时检测水位，防止水喷。

利用物体受热后将部分能量转变成辐射能的原理，可以进行非接触式温度测量，也常称为辐射式温度传感器，它由光学系统和检测元件两大部分构成。目前多采用图3(a)所示的红外温度传感器，其所辐射的能量大小直接跟温度有关，可表示为

式中E表示物体在温度T时单位面积和单位时间的红外辐射能量表示物体的辐射率分别表示物体的温度与周围的温度。

3 速度传感器

超速是一项非常严格检查，后果特别严重，尤其是重载货车。对于煤炭车的运行速度（即线速度）可利用多普勒效应雷达检测。它由发射机、接收机（煤炭车）、混频机、检波器、放大器及处理电路等组成。当发射信号和接收信号经混频后，两者产生差频现象，差频的频率正好为多普勒频率。图3(b)是其检测线速度的原理图。

采煤过程中，大型机械的转速测量可以选择霍尔转速表，在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选择机械系统中的一个齿轮，将霍尔元件及磁路系统靠近齿盘，随着齿盘的转动，磁路的磁阻发生周期性变化，测量霍尔元件输出的脉冲频率就可以确定被测物的转速。

4 气体成分传感器

煤炭瓦斯是矿井下有害气体的总称，通常所说的煤炭瓦斯是指沼气CH4。它是由植物纤维经厌氧菌反应产生的无色、无味、无臭的气体，难溶于水。瓦斯无毒，但浓度高时，会引起窒息，而且空气中含量达到一定浓度时，遇到高温会发生爆炸。图4是由瓦斯报警电路、气敏元件和电位器组成的气体检测电路。当没有瓦斯气体时，气敏元件的A、B之间的电导很小，由电位器滑动触电的输出电压小于0.7，555集成电路的4脚被强行复位，振荡器处于不工作状态，报警器不发出声响。当周围空气中有瓦斯气体时，A、B之间的电导迅速增加，555集成电路4脚为高电平，振荡电路起振，扬声器发出警报声。该装置除了对瓦斯气体报警外，调节电位器对烟雾和其它有害气体也可以报警。

图3 (a)红外温度传感器

图3 (b)多普勒效应雷达检测煤炭车线速度

图4 瓦斯气体报警器

图5 红外气体成分分析仪

图6 超声波物位传感器

图7 煤尘光检测器

红外气体成分分析仪根据吸收带的分布情况与吸收强弱，识

别气体的类型和浓度情况。其结构如图5，在测量时，由红外光源1发出红外线，使其分别通过标准器室2和充满被测气体的测量气室3，然后通过干涉滤波片4后被红外传感器5吸收。如果标准器室2中的气体成分与测量器室3中气体成分一致，则传感器5只有直流输出，交流放大器9就没有输出；若气体成分不一致，则红外传感器5相当于交替接收两束不同的红外辐射，因此传感器输出交流信号，放大器9就有输出。气体成分差别越大，交流输出值也越大。从输出的信号类型及强弱可以检测气体的成分和浓度。

5 物位传感器

物位的测量主要是按生产工艺要求等监视、控制被测物位的变化。物位包括液位、料位和界位，液位是指液体所积存的高度，料位是指固体物的相对高度，而界位则是两种密度不同互不相溶的液体间或液体与固体的分界面。利用物位传感器可以检测煤位（料位）及水位（液位）的高度，当高度超标时可以及时报警。超声波物位传感器是利用超声波在两种介质（煤和空气或水和空气）分界面上的反射特性而制成的。通过从发射超声脉冲到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔就可以求出分界面的位置。图6中两个换能器的距离为2，换能器到分界面接收点的距离为，则从发射到接收经过的总路程为2，那么可以推算煤位或水位的高度

6 煤尘传感器

煤矿井下的煤尘可以通过光在传输过程中的变化大小来检测。如果煤尘含量增加，图7中光源发出的光就被充满空间的煤尘颗粒吸收和折射，到达光检测器的光就减少，因而光检测器输出信号的强弱可反映煤尘含量的变化。选取可见光作为光源，光检测器以获取随煤尘变化的响应电信号。为了提高检测灵敏度，采用具有高增益、高输入阻抗、低零漂、高共模抑制比的运算放大器，对信号进行放大。报警电路由多谐振荡器组成，当运算放大器输出浊度信号超过规定值时，多谐振荡器输出信号经放大后推动扬声器发出报警信号。

7 探伤传感器

超声波在传播时，如遇到缺陷（介质与空气的分界面处），若满足缺陷的尺寸等于或大于超声波波长时，则超声波将会被反射回来，通过探伤仪可将反射波显示出来。脉冲反射式是超声波探伤仪在实际探伤过程中应用最为广泛的一种，类似于图6。在均匀的煤层中，断裂的存在将造成煤层的不连续，这种不连续将会导致声阻抗（密度与声速的乘积）不一致，超声波在两种不同声阻抗的介质分界面上将会发生反射，反射回来的能量的大小与两边介质的声阻抗以及交界面的取向和大小有关。根据这个原理可以对煤炭层进行检测，通过反射的声波的强弱可以判定有无裂痕及其大小。

8 结论

在信息社会的一切活动领域，从日常生活、生产活动到科学实验，时时处处都离不开检测。现代化的检测手段决定了生产、科学技术的发展水平，传感器处于测试系统的最前端，用来获取需要检测的信息。煤炭作为我国的基础能源，其安全生产对我国的国民经济发展具有重要的作用。传感器作为信息的获取手段，在煤炭安全检测中占有极其重要的地位。随着新材料和技术的不断开发和应用，传感器在煤炭行业安全生产方面将发挥越来越重要的作用。

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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

姚文苇(1981-),女,山东临沂人,讲师,硕士，主要从事功率超声及传感器的研究.

陕西教育学院科研基金项目（11KJ022）