矿用传感器技术发展现状与展望

李泽芳

（1. 煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2. 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；3. 北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013）

0 引 言

矿用传感器及智能化仪器仪表是矿山智能化、信息化和工业化深度融合的源头，为煤矿的安全高产高效提供了有力保障。随着煤矿开采深度和强度的不断增大、大型电气设备的投入应用及各类环境参数监测要求的提升，对矿用传感器的准确性、稳定性及智能化水平也提出了更高要求。本文对矿用传感器的应用现状进行了梳理，分析了当前矿用传感器在使用中面临的问题和挑战，对影响矿用传感器性能的关键共性技术进行了总结，并提出了未来一段时间矿用传感器技术的重点研究方向。

1 矿用传感器技术发展现状

矿用传感器种类繁多、测量原理各异，以煤矿安全监控配套传感器举例，从检测目标数值的连续性上分类，可以分为开关量传感器和模拟量传感器。从功能模块上来看，基本由数据检测、采集、处理、输出、显示等部分构成。

矿用传感器发展至今，随着检测技术、应用技术的进步，尤其是经过煤矿安全监控系统数字化升级改造，性能得到大幅提高，但仍然存在一些共性问题，在一定程度上影响了煤矿安全监控系统的可靠性、稳定性。

（1） 传感器的工作稳定性时间短，标校周期短、维护量大。

目前相关行业标准规定传感器工作稳定性不少于15 d，即规定气体类传感器每隔15 d 进行一次标校，煤矿工作人员的维护工作量较大，传感器的工作稳定性有待提升。

（2） 传感器的抗电磁干扰能力有待提高。

矿井大型设备尤其是变频设备的广泛应用，导致井下机电设备在开启和关闭瞬间能产生极为强烈的电磁干扰脉冲，未来5G 设备的推广应用，井下电磁环境将愈加恶劣。传感器经数字化改造后，信号传输部分不易受干扰，避免了冒大数现象，但传感器敏感元件极易受干扰，造成监测数据不准。

（3） 传感器的防护等级与井下环境不相匹配。

煤矿井下环境比较恶劣，特别是井下工作面回风、掘进面回风及总回风等处，湿度基本达98%以上，加上局部粉尘浓度较高，在高湿度高粉尘环境中，对外壳的防护要求较高，而现有的部分传感器防护等级一般为IP54，只能满足环境条件较好的场所使用，需要更高外壳防护来满足新型矿井要求。防护等级的提升不仅受机械结构设计影响，更受传感器敏感元件的制约，既要保证测量精度，又要保证响应时间。

（4） 传感器传输能力无法满足长距离传输的要求。

有些大型矿井采掘工作面回风巷长度超过2 500 m，部分回风巷超过6 000 m。现有传感器特别是瓦斯传感器的功耗较大，其功耗主要在检测元件，由于传感器的功耗大，无法长距离传输，已经不满足特大型矿井的需求。

（5） 无线传感器应用受限制。

设备的移动、长距离工作面的延伸、不适宜布置有线传感器的场所需要无线传感器来进行监测，但目前的无线传输设备还存在着功耗大、传输距离短、组网稳定性差、故障断电时间及控制时间不符合要求等问题。

2 关键共性技术研究

2.1 矿用传感器抗电磁干扰技术

可通过抑制传感器自身电路噪声及外部干扰源来提高抗电磁干扰能力。抑制传感器内部电路噪声可以采取合理选择噪声低的半导体元器件、传感器电路中加入滤波环节、加入负反馈电路、抑制和减少输入端偏置电路的噪声等4 个方面措施；提高传感器抗外部干扰能力可以采取合理进行电路布局、使用高导电和导磁屏蔽外壳、可靠接地、采用光电和磁电隔离技术抑制共阻耦合干扰、软件补偿等措施。

2.2 矿用激光气体检测技术

基于TDLAS 的激光甲烷检测技术是近年来新研发的传感技术，利用激光的单光源、高光强的特性提高敏感元件的灵敏度，增强抗环境干扰能力。受益于监控系统升级改造，激光甲烷检测技术水平得到了大幅提升，但还需要继续研究聚能模块的安全防护设计、激光源光强稳定性、衰减特性、激光特征波段的调制器综合性能。还需要进一步研究激光一氧化碳检测技术，提高检测灵敏度，排除交叉气体干扰，缩减检测单元体积，降低传感探头成本。

2.3 矿用传感器自诊断技术

在传感器设计及测试过程中对传感器的工作电压、工作电流、ADC 源信号强度、敏感元件供电范围、信号值等在线监测，并与内部固化参数对比，得出传感器硬件运行状态。通过对传感器标定参数、补偿参数的对比，判断传感器内部参数的可信度，并给与相应报警，通过与外部通讯数据的交互，判断读取数据、控制指令发出源是否具有权限。

2.4 矿用传感器低功耗技术

可以探索新的低功耗检测技术或采用新的技术途径，如MEMS 技术，缩小元件体积，降低元件整体功耗。也可采用低功耗的电子元器件及软件处理技术、显示单元的低功耗化、供电方式的改变、声光报警功能的取消或者转变等措施，进一步降低传感器整机功耗。

3 矿用传感器技术展望

根据对国内外传感器技术的研究现状分析以及对传感器各性能参数的理想化要求，现代矿用传感器技术的发展趋势可以从以下方面分析与概括。

（1） 利用新材料、新工艺开发新型传感器。

发展性能和种类更加完善和丰富的新型矿用传感器，改善现有传感器。应用光导纤维、纳米材料、激光检测技术等新技术研制新型矿用传感器，进而实现矿用传感器的检测非接触化、廉价化、长寿命化。

（2） 集成化多功能智能传感器的开发。

将同类型的单个传感器排列在同一平面上，构成线型传感器或面型传感器，或是将传感器和运算、放大且温度补偿等部分组装成一个器件，如集成固态压力传感器或集成半导体温度传感器等。硬件上由微处理器系统对整个传感器电路、接口、信号转换进行处理调整，软件上进行非线性特性校正、误差的自动校准和数字滤波处理，加上神经网络、自学习等人工智能算法，从而形成传感技术的智能化系统。

（3） 实现传感技术硬件系统与元器件的微小型化。

利用集成电路微小型化的经验，从传感技术硬件系统的微小型化中提高其可靠性、质量、处理速度和生产率，降低成本，节约资源与能源，减少对环境的污染。随着敏感元件、功能材料、制作工艺的发展，传感器在小型化方面必将取得突破性的进展。

（4） 传感器与多学科交叉融合，推动矿用无线传感器网络的发展。

利用微传感器与微机械、通信、自动控制、人工智能、物联网等多学科的综合技术，实现传感器的无线网络化、智能化，使其能根据煤矿生产特点主动完成指定任务。实现无线传感器的大范围推广应用，需要解决传感器尤其是传感器探头的低功耗技术难题、无线网络的稳定性及实时性。

4 结 论

（1） 对我国矿用传感器的技术发展现状及存在的问题进行了归纳和总结。

（2） 针对矿用传感器存在的问题，提出了4个方面亟待解决的共性技术，即抗电磁干扰技术、激光气体检测技术、传感器自诊断技术及传感器低功耗设计技术。

（3） 提出了矿用传感器未来的4 个发展方向：利用新材料、新工艺开发新型传感器；开发集成化智能传感器；实现传感技术硬件系统与元器件的微小型化；推动矿用无线传感器网络的发展。