矿用传感器简介

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,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。,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。,矿用传感器现状,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,矿用传感器发展,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；,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。,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。,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。,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。,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。,矿用传感器发展,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,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。,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%100%CH4的高浓度瓦斯。,检测瓦斯含量的方法热导法,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。,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。,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（010%），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。,检测瓦斯含量的方法光干涉法,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3.39m，用氦氖激光器可以获得稳定的3.39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,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红外光谱系数法,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,k常数；m气体的分子量,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超声波测量法,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气敏半导体,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。,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9001000,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（300400）；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热载体催化元件,检测瓦斯含量的方法性能比较,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。,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4050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。,相位调制型光纤传感器,设两路光纤的光程差为，由光程差导致两路光波的相位差为,式中=632.8nm，为氦氖激光的波长；=Sp，S为压力传感光纤的转换系数,与传感光纤的长度、折射率和横截面积变化有关。上式说明了相位调制的原理。,相位调制型光纤传感器,干涉条纹的光强I与相位差（即光程差与压力）的关系为,式中，I0为平均光强；K为干涉条纹对比度。由上式可知：当=n(n=0，1，2，3)时，其干涉光强最大为亮条纹；当=(2n+1)/2(n=0，1，2，3)时，干涉光强最小为暗条纹；光程差每变化一个波长，即压力p每变化p=/S时，干涉条纹将亮暗相间的变化一次，其光强变化近似于正弦波。,相位调制型光纤传感器,可见，被测压力是用干涉条纹作为一把尺子进行度量的。若检测干涉条纹变化次数为N,则压力变化为,式中，q=/S为光纤压力传感器的量化单位。,相位调制型光纤传感器,两路光波在终端光耦合器处产生干涉条纹，干涉条纹某一点由透镜经狭缝成像于探测器的光敏面上。其干涉条纹的光强分布与信号检测反映在此仿真图。干涉条纹的亮暗交替变化，相当于干涉条纹在移动，光电探测器输出的光电信号的变化波形与光强变化波形相同。光电探测器输出的光电信号经放大与整形电路后变为方波信号。一个脉冲方波对应一个干涉条纹。根据p=nq，只要检测脉冲数目N，就能计算压力p。,相位调制型光纤传感器,现在瓦斯检测的方法主要有两种：一是利用瓦斯气体的光谱吸收检测浓度；二是利用瓦斯浓度和折射率的关系用干涉法测折射率。,实例2：光纤瓦斯传感器,单波长吸收比较型吸收法的基本原理均是基于光谱吸收,不同的物质具有不同特征吸收谱线。单波长吸收比较型属吸收光谱型传感器，根据Lambert定律:I=I0e-ucL其中，I、I0为吸收后和吸收前射线强度，u为吸收系数，L为介质厚度，c为介质的浓度。从上式看出，根据透射和入射光强之比。可以得知气体的浓度。,单波长吸收比较型原理图,选择合适波长的光源。脉冲发生器使激光器发出脉冲光，或采用快速斩波器将连续光转变成脉冲光(斩波频率为数kHz)，经透镜耦合进入光纤，并传输到远处放置的待测气体吸收盒,由气体吸收盒输出的光经接收光纤传回。干涉滤光片选取瓦斯吸收率最强的谱线，由检测器接收，经锁相放大器后送入计算机处理，根据强度的变化测量瓦斯浓度。,第4节一氧化碳传感器,CO检测的意义CO传感器分类及工作原理典型矿用传感器,CO浓度检测的意义,随着经济的发展，人们对生活质量的提高和生活环境的改善越来越重视，液化气、煤气进入家庭的使用为人们带来了方便，也改善了城市的环境，但同时也给人们带来了潜在的危险，其中一氧化碳是最主要的危险源。一氧化碳是一种无色无味的气体，由于它与人体内的血红蛋白有高度的亲和力，所以当它被吸入人体后，会争夺体内血液中的氧形成一氧化碳血红蛋白，使动脉壁缺氧、水肿，阻碍血流通畅，使人发生疲倦、气短、恶心和头晕眼花等不良症状，体内吸入过多一氧化碳时甚至会导致人因缺氧而死亡。另据科技日报报道，经医学验证，当空气中一氧化碳浓度达到35ppm时，就会对儿童智商造成损害。,同时，一氧化碳也是一种易燃易爆的危险气体，是煤矿井下是否发生自燃火灾的重要标志之一。其在空气中的阀限值（指在空气中允许存在的最低浓度为5010-6，爆炸极限为12.5%74%。因此，不论是在煤矿井下监控系统中增设CO传感器还是对室内及时准确地进行CO浓度监测和报警，都成为保障群众生命安全和国家财产安全的一项必不可少的工作。,CO浓度检测的意义,目前达到实用化水准的CO传感器主要分为金属氧化物半导体(MOS)型、电化学固体电解质型和电化学固体高分子电解质型等三种类型。其他，如触媒燃烧型、场效应晶体管型及石英晶体谐振型等类型使用较少。,CO传感器分类,金属氧化物半导体(MOS)型,左图为MOS传感器的结构，包括陶瓷基体、敏感材料层、加热器及测量电极等。其中敏感材料采用金属氧化物粉体构成，如SnO2、Fe2O3、氧化铟In2O3、氧化钨WO3、氧化银Ag2O等。,CO传感器分类及原理,缺点MOS传感器已广泛应用于CO的探测。这种类型的传感器易受其他还原性气体如H2、NO、挥发性有机物等的干扰。改进方法为了提高选择性，常采取掺入金属如铑(Rh)、钌(Ru)或氧化物如氧化钍（ThO2）、氧化锑(SbO3)及氧化铋(BiO3)和利用厚、薄膜技术制备SnO2敏感层，也有采用氧化钼（(MoO3)为敏感材料，再掺杂其他金属触媒等方法来提高对CO的选择性。,金属氧化物半导体(MOS)型,CO传感器分类及原理,CO传感器分类及原理,适用范围MOS气体传感器具有耐热性、耐蚀性强，材料成本低廉，元件制作工艺简单，再加上易于与微处理电路组合制成气体监测系统或制作成便携式监测器等优点，因此广泛应用于家庭、工业生产环境中有毒气体及可燃性、爆炸性气体的监测。,金属氧化物半导体(MOS)型,电化学固体电解质型,CO传感器分类及原理,固体电解质型传感器主要以无机盐类如氧化锆ZrO2、氧化钇Y203、K2CO3、氟化镧LaF3等为固体电解质，加上阴、阳极材料组合而成。,缺点由于无机盐类固体电解质在低温下的电导率极低；且利用电位差原理工作；对于微小温度的变化并不灵敏，此外还易受其他气体干扰，因此并不适合在复杂场所检测CO。,电化学固体电解质型,CO传感器分类及原理,化学固态高分子电解质型,CO传感器分类及原理,电化学固态高分子电解质传感器的感测原理与固体电解质型类似，它利用高分子中的官能基来传导离子，可在室温下工作。,由于高分子可按照设计需要通过化学反应的方法(如枝接、嵌人、交联、聚合等)进行改性，且可常温工作，因此该类传感器目前倍受关注。,这是一种结构简单的气体传感器，能检测爆炸点以下高浓度的可燃性气体，其输出信号与气体浓度成线性关系，是一种非常适合于可燃性气体(如氢气、天然气、液化石油气、酒精等可燃且易挥发的有机溶剂)检测的传感器。,触媒燃烧型,CO传感器分类及原理,结构：主要由两部分组成，一为感测元件，一为温度补偿元件。原理：在敏感元件的两端施加电压，并以200400mA的电流使传感器保持气体能在催化剂表面燃烧的工作温度(300400)，通入可燃性气体，气体接触到传感器表面的触媒层而产生氧化反应放出热量。可燃性物质的氧化反应在触媒的催化作用下反应速率激增，使Pt丝的温度升高，即引起电阻增大，电流下降，此时元件电桥的输出端电压上升，且电压的大小与感测气体的浓度成正比。利用此关系可达到检测CO气体浓度的目的。,CO传感器分类及原理,场效应晶体管CO传感器可分为结型场效应体管(J-FET)与绝缘栅极晶体管(FET)或称金属氧化物一硅场效应晶体管(MOSFET)。,场效应晶体管型,CO传感器分类及原理,根据以上原理，若有气体吸附在绝缘层上，并且在绝缘层下的半导体中产生一电子堆集形成空穴区时，则会影响到电子在通道中的阻力，通过电路设计维持电流不变，则栅极电压的变化与气体浓度成一函数关系，便可达到检测气体浓度的目的。最新的实验成果表明，在MOS元件的金属栅表面添加某种气敏膜，也可以提高MOSFET传感器对待定气体的灵敏度。,石英晶体型,左图为石英晶体型CO传感器，若在石英晶体上淀积一层敏感性物质，则吸附在敏感材料表面上待测气体的吸附量与空气中待测的气体浓度有关。利用此方式可以通过测定谐振频率的变化来量测待测气体的浓度。,CO传感器分类及原理,表1主要的气体敏感元件材料