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第一部分 安全仪器监测工基础知识第二章 基础知识第四节 安全监控仪器结构、原理一、常用传感器原理 在安全监控系统中，所需监测的物理量大多数是非电量，如甲烷、风速、一氧化碳、温度等，这些物理量不宜直接远距离传输。为了便于传输、存储和处理，就必须对这些物理量进行变换，将他们变换成便于传输、存储和处理的物理量。电信号便于信号的放大、传输、存储和计算机处理。为此，就需要使用传感器将被监测的非电量信号转换为电信号。传感器作为监控系统的第一个环节，完成信息的获取和转换功能。传感器元件主要由敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源组成见图2-44，在煤矿监控领域又将敏感元件和转换元件统称为传感元件。图2-44 传感器组成在进行非电量到电量的转换时，并非所有的非电量都能利用现有技术一次直接转换为电量。而是将被测非电量转换成另一种便于转换的非电量。敏感元件就是将被测非电量转换成电量的非电量的器件。转换元件是将敏感元件所输出的非电量转换成电量的器件。例如，矿用超声波漩涡式风速传感器，首先通过敏感元件将风速转换成与风速成正比的漩涡频率，然后再通过转换元件将与风速成正比的漩涡频率转换成电脉冲频率。有时敏感元件同时兼作转换元件。这时被测的非电量被直接转换为电量。例如。热催化式甲烷传感器的传感元件。（一）、传感器的基本知识煤矿安全监控的主要内容是对现场环境中的瓦斯、CO、CO2、O2、等气体浓度进行检测，对风速、风量、气压、温度、粉尘浓度等环境参数的检测，对生产设备运行参数的监测、监控等。这些参数均为非电量，为了便于监测、传输、存储和处理，就必须对这些非电量进行变幻，将其转换为电量，以实现对上述参数的监测、传输、存储和处理。传感器就应运而生了。国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。所谓传感器就是借助于检测元件（或成为传感元件或传感头）接受物理量形式的信息，并按一定的规律将其转换为同种或别种物理量形式信息的仪器。1、传感器的分类及组成煤矿使用的传感器种类繁多，各厂商的产品不尽相同，分类标准也千差万别，通常可以按被测量的不同、传感器原理、传输信号的不同三种方式进行分类。按传感器被测量的不同，传感器可分为速度传感器、压力传感器、温度传感器、浓度传感器等。风速传感器、皮带秤中的速度传感器等均为常见的速度传感器；负压传感器、皮带秤中的称重传感器等均为常见的压力传感器；浓度传感器则多见于测量环境中气体浓度的传感器，比如瓦斯传感器、CO传感器等等。另外根据传感器被测量的不同，还可以分为模拟量传感器、数字量传感器和控制量传感器。所谓模拟量传感器指的是被测物理量的变化是连续变化的，比如气体的浓度、环境的温度等等；数字量传感器指的是被测物理量的变化只有两态，比如设备开停传感器；控制量传感器指的是被测物理量是用于控制的，比如监控系统中的断电器等。按构造原理的不同，传感器可分为电阻式、磁阻式、热电式及特殊检测方式（如同位素、超声波、红外线）等。按输出信号的不同，传感器可分为模拟输出传感器和数字量输出传感器。传感器一般由检测元件、前置测量和转换电路、信号传输电路及电源等部分组成。检测元件直接与被测量直接接触，并输出与被测量成一定关系、便于检测的电量。测量电路将检测元件输出的电信号变换成为便于显示、记录、控制、处理的标准电信号。测量电路的选取视检测元件的性质而定。如对于输出量为电参量R、C、L的检测元件，一般多选用检测电桥电路；而对于输出量为电势、电流、频率的检测元件，则可直接进行放大、处理。测量电路中除检测电桥外，还包括放大器、量程转换电路和电参数变换电路等。放大器的作用是提高测量仪器的灵敏度。一般情况下，它与检测元件或检测电桥直接连接，接受并放大检测回路输出的微弱电信号。当系统的量程与测量电路的输出电压不一致时，需要增加转换电路，以保证两者匹配。信号传输电路的作用是将测量与转换电路的电信号传输到分站，并接受分站的指令以执行相应的操作。电源的作用是为传感器的工作提供相应的电源。2、传感器的主要技术指标：量程：传感器测量上限和下限的代数差。例如某压力传感器的下限为-10N/CM2，上限为90 N/CM2，则该传感器的量程为100 N/CM2。测量范围：传感器能按规定精度进行测量的上限与下限之间的区间。如上述传感器的测量范围为-1090 N/CM2。灵敏度：传感器输出量的变化值与相应的被测实际量的变化值之比。用公式表示为：K=Y/X式中K传感器的灵敏度Y输出被测量的变化值X输入被测量的变化值稳定性：在规定的工作条件和时间内，传感器性能保持不变的能力。分辨率：传感器可能检测出的被测信号的最小增量。误差：被测量实际值与真值之间的差。重复性：在同一工作条件下，对被测量在同一方向上进行重复测量时，测量结果的一致性。线性度：线性传感器的校准曲线逼近一条直线的密合程度。过载能力：表示传感器在不引起规定性能指标永久改变的条件下，允许超过测量范围的能力。一般用允许超过测量上限（或下限）的被测量与量程的百分比表示。、（二）、甲烷传感器原理在煤矿的日常生产过程中，矿井瓦斯作为一种有害气体，严重影响矿井的安全生产，特别是瓦斯爆炸事故严重威胁煤矿的安全，很容易造成重、特大事故，给国家财产和职工生命造成重大危害，因此对井下现场瓦斯的监测就显得尤为重要。煤矿常用的瓦斯监测仪器，按检测原理分类有：催化燃烧式、热导式、气敏半导体式、光电式等等，可以根据使用场所测量范围等要求，选择不同检测原理的瓦斯监测仪器。1、催化燃烧式催化燃烧式气体检测原理为：利用敏感元件对甲烷（或其它可燃性气体）的催化作用，使甲烷在元件表面上发生无焰燃烧，放出热量，使元件可随自身温度变化量测定气体浓度。这类气体传感器使用的敏感元件，有铂丝催化元件和载体催化元件两种。铂丝催化元件，一般用纯度很高（99.99%）的铂丝制成螺旋线圈，并对铂丝进行特殊处理，铂丝既是催化剂，又是加热器。这种催化元件结构简单，稳定性好，受硫化物中毒影响小。但铂丝的催化活性低，必须在900以上高温才能使元件工作，不仅耗电量大，而且高温会导致元件表面蒸发，使铂丝变细、电阻增加、仪器零位漂移。此外，铂丝催化元件机械强度低，由于振动或自重的影响，其几何形状将发生变化，也要改变传感器参数，影响检测的准确度。目前，在法国、波兰煤矿仍使用铂丝催化元件瓦斯检测仪器。我国曾引进了少量波兰监测系统，其瓦斯传感器就是使用铂丝催化元件。1954年，英国采矿安全研究所（SMRE）研制了载体催化元件，它克服了铂丝催化元件的不足，在煤矿得到普遍应用。我国自60年代起开始载体催化元件的研究，目前已形成系列产品。1）载体催化元件工作原理（1） 载体催化元件结构载体催化元件一般由一个带催化剂的敏感元件（俗称黑元件）和一个不带催化剂的补偿元件（俗称白元件）构成。两个载体催化元件的结构和尺寸均相同，如图2-45所示。载体催化元件元件最里层是铂丝线圈，通常用0.02-0.05mm高纯铂丝绕制，外面是载体和催化剂形成的催化外壳。铂丝线圈用于通电加热催化外壳，维持瓦斯催化燃烧反应所需温度，同时又兼作感温元件，检测在催化反应中催化外壳温度的变化。(a) (b)图2-45 载体催化元件结构 (a)带催化剂的载体敏感元件； (b)不带催化剂的载体补偿元件近年来，出现采用集成电路工艺制作的催化元件。用蒸发镀膜或厚膜印制烧结方法，把铂加热器附着在2-3mm2的Al2O3基片上，然后在上面涂催化剂，从而构成敏感元件。这种元件的突出优点是可以降低元件的功耗，产品一致性好，成本也有所降低。（2）瓦斯作用下催化反应机理瓦斯在载体催化元件上的反应是一种气固相催化反应过程，即为多相催化，又称非均相催化。多相催化反应是在固体催化剂的表面进行，即把反应物吸附在催化剂表面上，并在催化剂表面上发生反应，其反应产物也吸附在表面上。为了使载体催化反应能连续不断地在表面上发生，产物必须不断地从表面上解析出来。载体催化元件使用Pt、Pd等金属催化剂，其作用原理目前尚没有统一完整的理论。催化剂的催化活性与其电子结构及吸附能力有关。金属电子结构可以用鲍林理论说明。这种理论认为，金属键是一种特殊形式的共价键，金属中的共价键是由d电子参加的杂化轨道组金属键的程度。化学吸附主要是金属原子中未参与成键的d轨道在起作用，即金属键的d性百分数越大，参与化学吸附的轨道就越少。Pt、Pd、Rh等渡金属元素的d%在40%-50%之间，是较好的加氢脱氢催化剂，可以化学吸附甲烷，使甲烷离解，一般称为离解化学吸附，即CH4+2MCH3M+HM式中 M表面金属原子。甲烷是饱合烃，在金属催化剂上吸附保留时间极短，属难氧化性气体。由于离解化学吸附作用，使甲烷分子的价键力发生变化，降低了反应活化能，产生催化反应。因此，采用载体催化元件检测瓦斯时，只要维持甲烷空气混合气体中有足够量的氧，并维持一定的高温条件，就会在元件表面产生无焰燃烧。甲烷氧化过程如下：CH4+O2=CO2+H2O催化反应过程中无焰燃烧放出热量，增加了敏感元件铂丝的电阻值，通过图2-46所示的惠斯顿电桥测量电路，可以测量其载体催化元件电阻变化量。图中，RD为敏感元件，RC为补偿元件。将RD和RC置于同一测量气室中，测量电桥由稳压电源或恒流供电。在无瓦斯的新鲜空气中，RDRC，调整电桥使之平衡，信号输出端电压UAB=0。当瓦斯进入气室时，在敏感元 图2-46 催化元件测量电路 件RD表面上催化燃烧，RD阻值随温度上升而增加为RD+RD，而补偿元件RC阻值不变，从而电桥失去平衡。当采用恒压源E供电时，输出的不平衡电压，电桥输出电压与瓦斯浓度成正比。2）载体催化元件技术性能要求及影响因素载体催化元件的技术性能直接关系到瓦斯检测仪表的整机质量，了解催化元件技术性能要求及检验测试方法，对这类产品的设计、使用和维护是至关重要的。下面要据MT281-91煤矿甲烷检测用载体催化元件的规定，对元件的主要技术性能及其影响因素作简要讨论。（1）灵敏度指某一浓度的甲烷在敏感元件上反应时，电桥输出电压值与甲烷浓度之比值。由于外界环境影响、使用条件变化及元件自身催化活性的下降，都会使敏感元件灵敏度下降。灵敏度是衡量催化元件稳定性和使用寿命的重要指标，在现场使用时，由于灵敏度不断下降，要频繁用标准气样校准，给使用带来不便。MT281-91规定，当元件灵敏度降到初始值50%时，视为使用寿命终结。因此，有必要把元件的灵敏度、稳定性和使用寿命一并讨论。根据国内外学者多年理论研究和实际使用元件的经验，影响元件灵敏度的主要因素有以下几个方面。 催化剂衰老 催化元件在长期使用中，由于高温烧结，使催化剂活性物质的粒子变大，活性物质中心的晶格缺陷及催化剂从载体上转化成气态的升华等，都会使元件催化活性下降，影响灵敏度。催化剂蒸发还会使置于同一气室中的补偿元件载体上掺杂微量催化剂，补偿元件逐渐增加活性，从而使电桥输出灵敏度下降。 催化层形态构造变化 催化元件长期在高瓦斯浓度中工作，因缺氧而不完全燃烧，产生的碳粒子在催化层的孔隙中沉积，催化层的表面积减少，造成催化剂粒子和载体粒子之间结合力减少，导致催化层断裂、破坏，催化活性急剧下降。某些仪器在高浓度瓦斯渗出的掘进工作面中使用时，要频繁更换催化元件，这就是其主要原因。因此，标准中规定了元件的抗冲击性，即元件在高浓度甲烷空气混合气中短时间工作的承受能力及试验方法。一般是用40%CH4气样通入气室，经过10s燃烧后，检测通入气室前后元件灵敏度， 变化量不应大于20%。应当指出，通过这种测试的元件并不能完全表明具有抗高浓度甲烷的冲击能力。 载体表面积减小 为了提高元件催化活性，采用多孔氧化铝为载体，增大催化层表面积。由于元件长期处于高温下工作，-Al2O3逐渐向-Al2O3过渡，形成刚玉型氧化铝，减少了载体表面积，从而使元件灵敏度降低。 催化剂中毒 催化剂毒物能强烈地吸附在催化剂上，使催化剂活性减少或消失的现象，称为催化剂中毒。硫的化合物（H2S、SO2）、磷的化合物（H3P）以及有机硅蒸气等对Pt、Pd催化剂均有中毒作用。例如，H2S与Pd反应生成PdS，即H2S+Pd+1/2O2PdS+H2O。PdS为棕黑色固体物质吸附在催化元件上，使其灵敏度下降。元件中毒程度与毒物数量和中毒时间成正比。催化元件中毒分为暂时性中毒和永久性中毒两种类型。暂时性中毒后可以使其恢复，如硫化物、氯化物中毒；永久性中毒后则不能恢复，如Si、Pd、Sn等中毒。 冷凝影响某些元件在较低温度下工作，由于井下的高湿度环境及催化反应生成的水蒸气，会使元件表面出现冷凝，破坏元件表面气相传质过程。瓦斯在元件上的内扩散受阻，导致瓦斯浓度变化时元件不响应。一般说，催化元件灵敏度下降是个逐渐变化过程，为了保证仪器测量精度，就必须定期用标准气样校准仪器。（2） 基本误差指电桥输出信号值与真实值的偏差程度，一般用最大相对误差表示。MT281-91中对载体催化元件基本误差的规定见表2-13。表2-13 载体催化元件基本误差测量范围%CH40-11-22-4允许误差绝对误差%CH40.1相对误差%67由于在整个测量范围内基本误差不一致，一般量程上限误差大，量程下限误差小，这样就引入了“线性度”的概念。元件线性度的差异对测量范围影响很大，由于线性度不一致，有的仪器测量上限可达5% CH4，有的仪器只能达到3% CH4。就元件本身本来说，线性度与工作温度有关，在一定工作温度范围内，元件输出电压与瓦斯浓度呈线性关系。随着甲烷浓度的增加，催化反应产生的热量也增加，达到一定温度后则引起元件输出灵敏度下降，导致测量上限误差偏大。（3）稳定性指工作条件保持不变时，在规定的一段时间内元件输出信号保持不变的能力。由于元件输出灵敏度的变化可以表征其稳定性，因此标准中规定了零点漂移和灵敏度漂移指标。固定使用的瓦斯传感器中的催化元件称为连续式元件，连续工作时间为7天；携带登记表中使用的元件为间断式元件，工作时间为78h。稳定性是催化元件的重要技术指标，稳定性好的元件测量准确，并可延长仪器调校周期。影响元件稳定性的因素很多，除了讨论灵敏度中涉及的有关问题外，元件“激活”也会影响其稳定性。关于“激活”，在制作工艺中已经谈到，以金属催化剂为主的载体催化元件是将PdCl2溶液浸在Al2O3载体上，经热分解而成催化剂，以Pd和PdO形式存在于载体上，元件表面呈黑褐色，对瓦斯催化活性较低。在元件出厂前，为了使其具有较高活性，一般要在加热条件下通12%CH4进行活化处理，使催化剂中的PdO还原成金属钯。其化学反应方程式为4PdO + CH44Pd+CO2+2H2O这一过程就是通常所说的“激活”。激活后的元件要经过老化和稳定性处理才能提供使用。固定式瓦斯传感器元件经常接触1% CH4以下瓦斯，在这种环境中，元件中一部分Pd被气体中的氧氧化，即Pd+1/2O2PdO。所生成的氧化钯使元件呈红褐色，表现为催化剂活性降低。但当有大于10% CH4作用于元件上时，元件又被激活，将PdO还原为Pd，元件灵敏度提高，出现仪器零点上漂，而且短时间不能恢复，即元件稳定性被破坏。（4） 响应时间指瓦斯浓度发生阶跃变化时，电桥输出信号值达到稳定值90%的时间。井下瓦斯检测要求实时性强、响应时间短。标准中规定了响应时间，连续式为20s,间断式为6s。影响催化元件响应时间的因素主要有两个方面，一是瓦斯通过扩散孔（烧结金属孔）充满气室并到达元件表面的整个扩散过程所占用的时间；二是瓦斯在敏感元件上的催化反应产生热量，使温度上升，并和周围进行热交换，敏感元件最终达到平衡所需要的时间。响应时间的长短与元件尺寸、制作工艺及气室设计、通气方式有关。2、热导式热导式甲烷传感器的工作原理是：利用甲烷的热导率高于新鲜空气的热导率的物理性能，通过热敏元件测量甲烷空气混合物热导率的变化，进而测得甲烷空气混合物浓度的变化。矿井空气中主要气体成分的热导率如表2-14，不难看出，热导式甲烷传感器的选择性较差，空气中其它气体的浓度变化会影响甲烷浓度的测量。例如，二氧化碳浓度的增大会使热导率降低，湿度的增加将使热导率增大。因此，热导式甲烷传感器要能排除二氧化碳和空气湿度的影响。表2-14 矿井空气中主要气体成分的热导率气体名称分子式K*10-2(273K)K*10-2(373K)K(273K)/ K(273K)空气空气2.433.141.0氧O22.473.181.016氮N22.433.141.0甲烷CH43.0134.561.24氢气H217.422.347.115一氧化碳CO2.343.0130.96二氧化碳CO21.4642.220.707乙烷C2H61.83.050.74丙烷C3H81.52.6360.839由于气体的热导率随温度的增大而增大，环境温度的变化也将影响热导式甲烷传感器的测量精度，因此，热导式甲烷传感器必须对环境湿度进行补偿，并保持气室温度恒定。热传导、热对流和热辐射决定了气室内的热交换，温度不高时热交换主要取决于热传导和热对流。气室尺寸和气体流速会对热对流产生影响，将进一步造成对热导式甲烷传感器测量值的影响。由于空气中甲烷浓度的微量变化很难通过甲烷空气混合物热导率的变化测得。因此，热导式甲烷传感器目前主要用来检测高浓度甲烷。(a)结构； (b)基本电路图2-47 气体热导元件及检测电路测量热导率的元件有金属丝热电阻、半导体热敏电阻固体热导元件等，测量电路如图2-47所示，R1为测量元件，R2为补偿元件，测量元件与补偿元件的结构、形状、电参数完全相同，但测量元件置于与被测气体连通的气室中，而补偿元件置于密封的空气室中，在新鲜空气中由于R1=R2，所以电桥平衡，输出电压为零，当空气室中通入甲烷空气混合物时，由于甲烷空气混合物气体的热导率大于新鲜空气的热导率，因此，测量元件R1的传导出的热量大于补偿元件R2，R1变小，R1R2,电桥失去平衡，输出与甲烷相对应的信号电压。3、典型甲烷传感器各单元电路工作原理1）电源电路随着安全生产的需要，现阶段使用的传感器都要求供电距离大于2KM，这就给传感器的供电提出了较高的要求，瓦斯传感器黑白元件工作电流150mA。再加上其它电路的消耗，整机电流很难降低。这就限制了远距离供电。针对这种实际问题，很多生产厂家做了大量工作。将直流直流变换器应用于瓦斯传感器上。这样即保证了黑白元件工作电流的要求，又降低了整机电流。电源电路由两块电路组成，一块是由7805三端稳压集成电路将电源稳定在5伏，用来给单片机、V/F转换、EEPOM、声光报警和信号输出等电路提供电源；一块是由34063是专用的集成开关稳压器见图2-48，输出电压稳定在3.6伏，用来给检测元件、数据显示等电路提供电源。开关电源电路34063是专用的集成开关稳压器，由它和周边电路组成一个标准的开关电源电路。电路中R29是限流电阻，当输出电流大于R29的设定值时，34063关断输出；C8是输入滤波电容，C12是34063的震荡电容，VD6是续流二极管，L3是电感线圈，C18、C19是输出滤波电容，R31、R32是34063的取样分压电阻，改变R31、R32的值就直接改变了输出电压。当输出端的电压发生变化时，该变化信号送进D6的5脚，D6通过判断5脚的电压，控制2脚输出，使输出端输出一个稳定的电压。图2-48 开关电源原理图集成开关稳压器34063内部结构见图2-49，包含直流直流变换器所需的基本单元电路，它有能隙式1.25V基准电压源，电压比较器，具有限流电路的可控占空比振荡器，信号合成与门，RS触发器，驱动电路和可达1.5A输出的晶体管开关，比较器同相输入端接1.25V基准源，其输出电压从取样端取回接至比较器的反相输入端，与基准电压进行比较，若基准输出电压低时（即取样电压低于基准电压），则比较器输出高电平，将与门打开，振荡信号则可通过与门将触发器置位，触发器输出端Q为高电平，并将1.5A的晶体管打开，由电源对负载供电，而振荡信号的下降沿又将触发器复位，使输出晶体管关闭。电源对负载供电时，输出电压上升，取样电压高于基准电压时，比较器输出低电平，与门关闭。振荡器输出无法超过与门使触发器置位，因此触发器输出为0，输出晶体管关闭，电源停止对负载供电，输出电压又降低，整个系统达到平衡时，输出电压保持稳定。图2-49 34063内部结构图图2-50 三端稳压图使用7805三端稳压集成电路进行稳压的电路如图2-50，当输入端的电压在10-18V之间变化时，其输出稳定在5V电压上。2）检测电路本仪器无论低浓甲烷检测电路或高浓甲烷检测电路都采用了非常特殊的工作机制。此部分电路略。D2A 1脚输出与低浓甲烷浓度成正比的频率信号，输入到单片微机第12脚，由单片微机计数后，进行运算处理即可得到低浓甲烷浓度。当仪器进入高浓检测范围时D8A1脚输出电压随甲烷浓度的增加而升高，此模拟电压输入到集中电压频率转换器D3的7脚，3脚输出与之成正反的频率信号，单片机对频率信号计数运算处理后得到高浓甲烷浓度。3）V/F变换图2-51 V/F转换集成电路LM331是专用的V/F转换集成电路，见图2-51，由它和周边电路组成一个标准的V/F转换集成电路。电路中R23是隔离电阻，R26和C4是D3的震荡电阻和电容，其值决定了V/F变换器的变换比。4）信号输出电路信号输出部分电路见图2-52图2-52 信号输出部分电路该电路有两种输出，一种是电流信号输出，另外一种是频率信号输出。电流信号输出流程是：D1单片机的21脚R33R36D8BVD2V1R39VD3输出。频率信号输出流程是：D1单片机的22脚R34V1R39VD3输出。频率信号输出电路由三极管V1、发光二极管VD3、电阻R34、R37、R38、R39组成，其中三极管V1作为开关，VD3作频率信号输出指示，每输出一个脉冲闪亮一次，电阻R34、R38组成V1的偏置电路，R37为发射极电阻，R39为集电极负载电阻。当输出频率信号时，软件控制单片机22脚输出的高低电平（方波信号）通过电阻R34加到三极管V1的基极，从而控制其关和开，在频率信号输出端就有频率信号输出。5)显示电路 见图2-53图2-53 显示电路显示电路是采用动态扫描方式。由单片机PO口依次输出四位数码管段位码，与此同时单片机P2口通过反相器D4依次对4位数码管进行位扫描，4位数码管依次点亮。由于扫描速度较快，利用人眼的视觉暂停效果，看见的就是4位数码管同时点亮。6)声光报警电路见图2-54图2-54 声光报警电路声光报警电路如上图。当需要报警时，D1单片机的24和26脚以1Hz的频率信号交替送出高低电平，使声光报警电路断续工作。7)电桥电压调整电路电桥电压调整电路作用是稳定R20上端的电压，即D8A1脚的电压。这对高浓甲烷的检测致关重要。首先假定5V电压是稳定的，R17、R18、R19和W3组成的分压器就稳住了D2B6脚电压，如果R20上端电压，即D8A 3脚电压发生变化，就会有如下连锁反应，结果使R20上端电压不变。R20上端电压D2B 5脚电压D2B 7脚电压三极V6上压降R20上端电压。（三）一氧化碳传感器煤矿常用的一氧化碳传感器检测仪器有电化学式、红外线吸收式、催化氧化式等，国内外煤矿广泛使用的是电化学一氧化碳检测仪器。 最早的电化学传感器可以追溯到20世纪50年代，当时用于氧气监测。到了20世纪80年代中期，小型电化学传感器开始用于检测多种不同有毒气体，并显示出了良好的敏感性与选择性。目前，各种电化学传感器已得到广泛的应用。1、电化学式一氧化碳传感器电化学是研究电解质溶液与电极间发生电化学的过程，并因此发生化学能和电能之间相互转换的科学。用电化学原理构成检测气体的装置称为电化学气体传感器。这类传感器种类很多，目前检测一氧化碳主要采用定电位电解式一氧化碳检测仪器。电化学传感器包含以下主要元件： 1）透气膜：透气膜用于覆盖传感（催化）电极，在有些情况下用于控制到达电极表面的气体分子量。此类屏障通常采用低孔隙率特氟隆薄膜制成。这类传感器称为镀膜传感器。或者，也可以用高孔隙率特氟隆膜覆盖，而用毛管控制到达电极表面的气体分子量。此类传感器称为毛管型传感器。除为传感器提供机械性保护之外，薄膜还具有滤除不需要的粒子的功能。2）电极：选择电极材料很重要。电极材料应该是一种催化材料，能够执行在长时间内执行半电解反应。通常，电极采用贵金属制造，如铂或金，在催化后与气体分子发生有效反应。根据传感器的设计而定，为完成电解反应，三种电极可以采用不同材料来制作。 3）电解质：电解质必须有助促进电解反应，并有效地将离子电荷传送到电极。它还必须与参考电极形成稳定的参考电势并与传感器内使用的材料兼容。如果电解质蒸发过于迅速，传感器信号会减弱。 2、工作原理根据电化学理论，在金属和它接触的溶液之间有发生氧化还原反应倾向，反应过程中使反应物质的氧化数改变，并有电子得失，这是氧化还原反应的本质。每种物质的氧化还原反应必须在一定的电极电位下进行。反应的化学方程式：阳 极： CO + H2O CO2 + 2H+ + 2E阴 极： O2+4H+ +4e2H2O2CO+O22CO2电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。典型的电化学传感器由传感电极（或工作电极）和反电极组成，并由一个薄电解层隔开。 气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，然后是憎水屏障，最终到达电极表面。采用这种方法可以允许适量气体与传感电极发生反应，以形成充分的电信号，同时防止电解质漏出传感器。穿过屏障扩散的气体与传感电极发生反应，传感电极可以采用氧化机理或还原机理。这些反应由针对被测气体而设计的电极材料进行催化。 通过电极间连接的电阻器，与被测气浓度成正比的电流会在正极与负极间流动。测量该电流即可确定气体浓度。由于该过程中会产生电流，电化学传感器又常被称为电流气体传感器或微型燃料电池。 在实际中，由于电极表面连续发生电化发应，传感电极电势并不能保持恒定，在经过一段较长时间后，它会导致传感器性能退化。为改善传感器性能，人们引入了参考电极。参考电极安装在电解质中，与传感电极邻近。固定的稳定恒电势作用于传感电极。参考电极可以保持传感电极上的这种固定电压值。参考电极间没有电流流动。气体分子与传感电极发生反应，同时测量反电极，测量结果通常与气体浓度直接相关。施加于传感电极的电压值可以使传感器针对目标气体。选择性电化学传感器通常对其目标气体具有较高的选择性。选择性的程度取决于传感器类型、目标气体以及传感器要检测的气体浓度。最好的电化学传感器是检测氧气的传感器，它具有良好的选择性、可靠性和较长的预期寿命。其它电化学传感器容易受到其它气体的干扰。干扰数据是利用相对较低的气体浓度计算得出。在实际应用中，干扰浓度可能很高，会导致读数错误或误报警。预期寿命电化学传感器的预期寿命取决于几个因素，包括要检测的气体和传感器的使用环境条件。一般而言，规定的预期寿命为一至三年。在实际中，预期寿命主要取决于传感器使用中所暴露的气体总量以及其它环境条件，如温度、压力和湿度。3、典型一氧化碳传感器简介该电化学式一氧化碳传感器（以下简称传感器）能够实时地测量并且显示矿井下的一氧化碳浓度，根据浓度值的大小产生声光报警信号，并且输出与一氧化碳浓度相对应的模拟信号。传感器能在具有瓦斯、煤尘爆炸的矿井内工作，对煤层自燃发火、运输胶带事故等多种因素引发的火灾事故进行预测和预报。传感器除了可与煤矿监测系统配合使用外，也可独立使用于多种矿用火灾检测系统。传感器工作过程工作极上释放的电子产生与CO浓度成正比的电流经检测电路温度补偿、和线性放大后进行模拟数字转换，经单片机采集并且运算后通过三位数码管显示CO的浓度值，同时输出2001000Hz的频率信号，当一氧化碳的浓度超过报警值时，单片机产生间歇的声光报警信号。参见图2-55 传感器结构框图。图2-55 传感器结构框图（四）温度传感器煤矿常用的温度传感器有热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体PN结等。热电偶、热电阻原理在工业上已得到广泛的应用。半导体PN结原理在-100至100范围内的应用也很成功，煤矿井下应用较多。1、 热电偶及热电阻测温原理1） 热电偶测温原理将两种不同材料的金属A和B相连接，组成一个闭合回路，构成感温元件。当金属A和B的两个接点（冷端和热端）之间存在温差时，就在两者之间产生电动势，在回路中形成电流，此种现象称为热电效应。热电偶原理就是利用这一效应进行工作的。2）热电阻测温原理电阻随温度的变化而变化的现象称为热电阻效应。利用此效应可以制成金属热电阻和半导体热敏电阻，用于温度测量，分别称为热电阻温度传感器和热敏电阻温度传感器。按电阻-温度特性的不同（由材料的温度系数决定）,热敏电阻可分为负温度系数（NTC）和正温度系数(PTC)两大类。2、 半导体温度传感器测温原理用半导体材料制成的PN结型温度传感器称为半导体温度传感器。它的感温部分是利用二极管或晶体管的PN结正向电压相对温度呈线性变化的温度特性。图2-56中分别为锗和硅二极管的正向电压温度特性。可以看出正向电压相对于温度变化基本呈线性关系。 图2-56 晶体二极管正向电压对温度的关系特性对于晶体三极管，基于基极-发射极电压Ube对温度的依赖关系，利用晶体管特性和外接电路条件能获得较好线性关系。将晶体管电路与恒流源电路、放大电路等组合在一起集成于芯片上，就成为集成电路温度传感器，如AD590、AN6701等。半导体PN结温度传感器具有体积小、响应快、在一定范围内线性度较好、功耗低、抗干扰能力强等优点。因而在煤矿井下比较恶劣的环境条件下得到了较好的应用。3、典型温度传感器简介（1）概述该矿用温度传感器为本质安全型仪器。主要用于测量煤矿井下的环境温度，以便监视火灾的发生，也可用于其他场所的温度测量。（2）主要技术指标 测量范围：-545 测量精度：1.5 输出信号：对应满量程以下三种信号制任选其一2001000Hz 频率（幅度4.5V）515Hz频率（光耦输出或幅度4.5V） 15MA 电流 输出信号最大传输距离: 2KM 探头与仪表最大传输距离：800M 工作电压： DC924V 工作环境： 相对湿度95（3）工作原理 温度探头选用精密半导体温感元件，其输出电流随温度变化，灵敏度1A。探头有效测量温度范围为50到125。原理框图如图2-57，探头与取样电阻以及电位器5等组成检测电桥，电位器R5用于调节电桥的平衡。电桥输出经直流放大、V/F转换后送单片机进行运算处理、进行数字显示，再由单片机输出2001000或5-15的频率信号。频率信号可经驱动电路输出。2001000频率信号也可经频率电压转换电路及电压电流转换电路变换成1-5mA输出。单片机同时实现了放大倍数的数字调节。 图2-57 温度传感器原理框图（五）风速传感器煤矿井下需要不断的供给新鲜空气，风量是矿井通风的重要参数之一，因此，矿井风速的监测是矿井监控系统的主要内容之一。用于矿井风速监测的风速传感器主要有超声波旋涡式和超声波时差式两种。1、超声波旋涡式风速传感器超声波旋涡式风速传感器先将风速转换成与风速成正比的旋涡频率，然后通过超声波将旋涡频率转换成超声波脉冲，再将超声波脉冲转换成电信号。从而测得风速。由于超声波旋涡式风速传感器。该风速传感器在煤矿井下应用比较广泛。在流动的水中，垂直于流向插入一阻挡物，在阻挡物的下游会产生两列内旋的相互交替的旋涡。可以证明：在无限界流场中，垂直流向插入一根无限长非流线体形阻挡体，阻挡体的下游将产生两列内旋、相互交替的旋涡，如图2-58。若对流速、阻挡体截面面积和形状作适当的限制，则旋涡频率与流速成正比：F=sv/d式中：f-旋涡频率s-常数；雷诺数Red为200-*104范围内圆柱形阻挡体的s值为0.21；v-未扰动流体速度；d-阻挡体宽度（或直径）。图2-58 卡曼涡街原理图超声波旋涡式风速传感器工作原理如图2-59。在风洞中设置一旋涡发生杆（即阻挡体），在阻挡体下方安装一对超声波发射器和接收器，当流动空气经过旋涡发生杆时，在其下方产生两列内旋相互交替的旋涡。由于旋涡对超声波的阻挡作用，超声波接收器将会收到强度随旋涡频率变化的超声波。没有旋涡阻挡超声波时，接收的超声波最大如图2-60a；有旋涡阻挡超声波时，接收到的超声波最小如图2-60b。超声波接收器将接收到的幅度变化的超声波转换成电信号，再经过放大、解调、整形等就可以获得与风速成正比的脉冲频率。 图2-59 超声波旋涡风速传感器原理图 ( a ) ( b ) 图2-60旋涡调制超声波幅度原理图 图2-61 旋涡调制超声波幅度原理图 当发生杆一定时，风速越大，形成的卡尔曼旋涡就越强，对超声波束调制度越大。当风速很低时，将不会形成旋涡或旋涡很小。为检测较低风速，可以增大发生杆直径或提高接收器灵敏度。能产生旋涡的发生杆直径与风速关系如图2-61超声波发射器与接收器的形状截面尺寸、相对位置、坚固程度、发射器与接收器偏移角度等都会影响灵敏度。超声波发射器与接收器应设置在其轴线距发生杆的距离为发生杆直径的6倍的地方，以保证线性度。超声波的工作频率应为140kHz至150kHz，即高于风速旋涡频率的两个数量级，但不要过高，过高将会造成超声波在空气传播时的严重衰减。超声波旋涡式风速传感器具有如下优点： 无可动部件，无机械磨损，性能稳定，使用寿命长。输出本身就是与风速成线性关系的脉冲频率信号，没有零点漂移，且灵敏元件灵敏度变化不会直接影响输出，测量精度高。输出信号不受流体特性（温度、湿度、压力、成分、密度、矿尘等）影响。响应迅速。2）超声波时差式风速传感器超声波时差式风速传感器是应用超声波的时差来测定风速，如图2-62。当超声波以速度u从甲地传到距离L的乙地时，所需的时间t为 T=L/u 图2-62 超声波传播速度示意图在图2-62中，如果空气以速度V运动时，超声波从甲地到乙地所需的时间为 T=L/(u+VL)= L/(u+cosa)式中 VL-V在u（或L）方向的分量；a- V和u间的夹角。如图2-63所示，在顺风和逆风的条件下，超声波传播距离相同。 图2-63 顺风和逆风超声波传播时间顺风和逆风所需的传播时间分别为 t+ 和 t-，即t+ = L/(v+Vcosa) (顺风) t- = L/(v-Vcosa) (逆风)1/t+-1/t- = (v+ Vcosa)/L-(v- Vcosa)/L= 2Vcosa/LV=L/2cosa(1/t+-1/t-)不难看出，通过测量顺风和逆风超声波的时差关系(1/t+-1/t-)，就可测定风速大小。超声波时差式风速传感器的优点：*属于非接触式，无机械传动，因而不干扰流体的状态，不影响测试点的风速分布。*只基于时间、距离、角度的检测，因而不受流体压力、湿度、温度的影响。*无机械传动，使用寿命长。*转换精度高。（六）开关量传感器 1、开关量传感器原理在煤矿监控系统中，开关量监测的地位和比重随着生产自动化水平的提高而提高，在工况、生产监测方面发挥十分重要的作用。煤矿监控系统采用的开关量传感器主要有设备开停、风门开闭。馈电开关状态等。开关量的监测原理分为直接式和间接式两种。直接式是指在电气设备上与负荷直接联系，从供电网络上直接获取信号，如：电流互感器、电压互感器有无电信号输出等，间接式是指在电气设备上与负荷设备不直接联系，如：电磁感应原理、霍尔原理、测温原理、测磁原理、光电原理、接近（电感）原理等。1）电磁感应原理 电磁感应原理已被广泛应用，依据载流导体周围产生感应磁场的电磁感应原理，通过测定供电设备电缆周围磁场的有无，间接测定设备开停状态。载流导体周围磁感应强度为：B=0I/2 式中 I-流过载流导体的电流强度； -载流导体周围某点至载流导体的垂直距离。 当I=0时，B=0I/2=0。当电流为正弦波时，其表达式为： I=Imsin2ft其磁感应强度为： B=Bmsin2ft当面积为S的线圈置于交变磁场中时，在线圈中产生感应电动势。设N为线圈的匝数，则产生的感应电动势为 E=NS2f Bmcos2ft将此信号进行放大、检波和变换，可以用灯光信号形式就地显示设备开停状态。用电流、电压或触点信号形式输出到监控系统分站，经分站处理后传送到地面中心站。在矿井监控系统中，配套的设备开停传感器有KTC-90型、CHC-11型、KTK-1型等。都是采用电磁感应原理测定设备开停状态的。 2）霍尔原理霍尔原理是利用霍尔效应进行工作的，霍尔效应可描述为：在一个N型半导体薄片的相对两侧面通以控制电流I，在薄片的垂直方向上加磁场B，则在半导体的另外两侧会产生大小与控制电流I和磁场B之乘积成比例的电动势EH EH= KHIB式中 KH-霍尔元件的灵敏度可以把I和B的乘积作为输入，也可把I或B单独作为输入，输出的EH为测量结果。利用霍尔原理，可以测量磁场B或电流I的有无。用于设备开停、馈电开关状态、风门开闭等开关量测量。也可以用于电流、电压、功率等多种模拟量的测量。2、开关量传感器应用1）设备开停传感器 机电设备开/停传感器主要分为辅助触点型和电磁感应型两种。 辅助触点型开关量传感器是利用机电设备的接触器或中间继电器的辅助触点，由其闭合状态来反应机电设备的开停状态。所用的辅助触点可以是常开的也可以是常闭的。其监测原理如图2-64，使用辅助触点要注意本质安全防爆电路与非本质安全防爆电路的隔离。 图2-64 辅助触点型开关量传感器 电磁感应型开关量传感器是通过测量向机电设备馈电的电缆周围有无磁场存在，来间接地监测设备的工作状态。其工作原理是：向机电设备供电的三芯电缆中的三相电流有对称和不对称之分，但无论对称与否，在电缆外皮上，总可以找到一个与三相芯线不等距的点，该点的磁场强度以靠近该点的芯线起主导作用，如图2-65所示的C点。如果将电磁感应型开关量传感器安装在C点，传感器中的检测线圈就可以测得微弱电磁感应信号，供电电流越大，该感应信号就越强。感应出的信号再经过放大和变换就可得到反应机电设备工作状态的电信号。图2-65 电磁感应型开关量传感器2）馈电传感器馈电状态传感器用于监测被控设备开关负荷的馈电状态。馈电状态传感器可以采用被控开关（馈电开关或电磁启动器）的辅助接点，但要注意本质安全防爆电路与非本质安全防爆电路的隔离。目前煤矿使用的大多是电场检测原理制成的。将它卡在被控开关负荷电缆上，只要被控开关送电，在其电缆上就有电场存在，否则不存在电场。馈电传感器利用复合晶体三极管高输入阻抗的特点，在基极接一感应电极，当馈电开关不送电时，感应电极接收不到电场信号，三极管处于截止状态，馈电传感器显示无电；当馈电开关正常送电时，感应电极接收到电场信号，三极管处于饱和导通状态。馈电传感器显示送电状态。3） 风门传感器风门传感器是一种检测煤矿井下风门状态开闭的开关量传感器。它由干簧管组件，与磁性组件两部分组成。使用时，将磁性体安装在风门门扇上，将干簧管组件安装在门框上。当风门关闭时，在磁性体的作用下，干簧管接点闭合，接通监控分站的输入回路，有一定数值的电流通过，分站显示风门关闭；当风门打开时，磁性体远离干簧管组件，干簧管的接点打开，断开了监控分站的输入回路，没有电流通过，分站显示风门打开。二、监控分站1、概述以KJ65N-F为例说明各部分电路的工作原理。KJ65N-F型矿井环境监测仪可配接各类不同的传感器用来连续监测煤矿井下各种采、掘工作面及回风巷道等场所的各种环境参数，如甲烷、风速、一氧化碳、机电设备开停及馈电等，并可与KJ65矿井监测系统进行通讯，及时将各种环境参数传送给地面监控主机，并接收地面监控主机下发的各种控制命令。当监测