傳感器在煤礦工程中的應(yīng)用

彭大恒

【摘 要】隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器越來越成熟和完善，其先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢將會(huì)在眾多領(lǐng)域中得到應(yīng)用。近些年來，在煤礦開采領(lǐng)域中事故頻發(fā)，傳統(tǒng)的煤礦檢測系統(tǒng)的弊端日益暴露，基于此，本文著重分析了無線傳感器的應(yīng)用，以便可以為煤礦領(lǐng)域提供有價(jià)值的參考。

【關(guān)鍵詞】傳感器；煤礦工程；應(yīng)用

傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。隨著煤炭開發(fā)力度的不斷提升，安全問題對(duì)于煤炭行業(yè)顯得尤為重要，瓦斯爆炸、冒頂、透水、火災(zāi)和沖擊地壓是煤礦的主要災(zāi)害，直接威脅著煤礦的生產(chǎn)和工人的生命。因此對(duì)礦井中涉及安全的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測是煤礦安全生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它能有效地減少災(zāi)害的發(fā)生和保證煤礦的正常生產(chǎn)秩序。 目前，用于檢測煤礦井下有害氣體如瓦斯、一氧化碳等的光纖氣體傳感器已經(jīng)有了實(shí)際應(yīng)用，對(duì)于檢測煤塵濃度、巷道面應(yīng)力應(yīng)變及煤倉倉位、通風(fēng)巷風(fēng)速等方面的光纖傳感檢測技術(shù)，也都有了相關(guān)的產(chǎn)品，并且越來越多地引起人們的興趣。

1.氣體傳感器

瓦斯（CH4）是煤礦安全生產(chǎn)的主要威脅，井下瓦斯的濃度4.9%-5%時(shí)，容易發(fā)生爆炸。所以，實(shí)時(shí)而精確地監(jiān)測爆炸氣體的濃度，對(duì)于安全生產(chǎn)和保障生命財(cái)產(chǎn)的安全來說，顯得尤為重要。在礦井有害氣體檢測上，它相對(duì)于普通傳感器來說有諸多優(yōu)點(diǎn)，輕便、靈巧、不會(huì)產(chǎn)生電火花、不會(huì)出現(xiàn)中毒現(xiàn)象，具有相當(dāng)高的靈敏度和快速的響應(yīng)能力。

在氣體傳感器中使用最多、效果最好的是光譜吸收型氣體傳感器，許多種氣體在紅外波段（4-10μm）都有本征吸收，這個(gè)波段遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了石英光纖的透射窗口（0.8-1.7μm），所以光譜型氣體傳感器一般都是利用氣體在近紅外和可見波段的較弱的泛頻吸收，在這一波段發(fā)光器件和接收器件都是比較理想的光電轉(zhuǎn)換器件，因此用這種方法可以對(duì)大多數(shù)氣體濃度進(jìn)行較高精度的測量。光通過被測氣體以后由于氣體的吸收會(huì)使光的強(qiáng)度發(fā)生衰減，輸出光強(qiáng)可用Beer-Lambert定律給出：I=I0e-αLC（1）式中，I0為入射光強(qiáng)，α為吸收系數(shù)，C為氣體濃度，L為光通過氣體的長度。由此我們可以通過測量光強(qiáng)度的損耗計(jì)算氣體的濃度。典型的光譜吸收型氣體傳感器由光源、氣室、光路和信號(hào)處理4個(gè)環(huán)節(jié)組成，它的探頭部分是一個(gè)氣室，氣室有一個(gè)進(jìn)風(fēng)口和一個(gè)出風(fēng)口，保持空氣采樣的實(shí)時(shí)性。光從氣室的一端射入，另一端射出，為了增加光通過氣體的有效光程，可采用反射式的方式或用懷特腔的方式，但懷特腔的腔壁造成的反射損失會(huì)抵消它的好處，因而并沒有多大實(shí)際意義。

2.粉塵傳感器

粉塵傳感器一般也采用氣室作為探頭，光從懸浮著煤塵顆粒的空氣中通過時(shí)，由于煤塵顆粒的吸收和散射效應(yīng)，光強(qiáng)會(huì)有相應(yīng)的吸收和散射兩部分衰耗，如式：I=I0exp{（α1+α2）L} 式中，α1為吸收系數(shù)，α2為散射系數(shù)。根據(jù)光強(qiáng)的衰減量可以計(jì)算出煤塵的濃度。光學(xué)測量法較傳統(tǒng)的稱重測量法有很多優(yōu)點(diǎn)，能連續(xù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，并具有較高的精度。但光學(xué)測量法存在塵染的問題，附著在反射鏡的鏡面上的粉塵會(huì)影響傳感器的測量精度，為了克服這一缺陷，設(shè)計(jì)采用雙光路差分補(bǔ)償式的方式，其原理與雙波長氣體傳感器相同。光束在通過含塵空氣時(shí)會(huì)產(chǎn)生吸收和散射，從而引起光強(qiáng)在其傳播方向上的衰減，且符合指數(shù)規(guī)律，當(dāng)光束傳播距離較短時(shí)，光強(qiáng)減弱對(duì)于粉塵濃度的變化是不敏感的，所以利用光吸收原理直接測量浮游粉塵濃度是不可行的。采用米氏散射理論，利用測定散射光的強(qiáng)度測量粉塵的濃度是一種好方法。煤礦粉塵是含有多個(gè)粒子的獨(dú)立散射粒子系，獨(dú)立散射粒子系具有可加性，由此可計(jì)算出某處的散射光強(qiáng)采用光電轉(zhuǎn)換器將接收到的光強(qiáng)信號(hào)I轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)過一系列信號(hào)處理，最后以模擬或數(shù)字的方式顯示出粉塵質(zhì)量濃度。

3.應(yīng)變（位移）傳感器

應(yīng)變（位移）傳感器主要用于礦井井壁和巷道變形的監(jiān)測，其工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)和光彈性效應(yīng)引起的相位變化。與其它傳感器不同，光纖傳感器可以進(jìn)行連續(xù)測量，根據(jù)光應(yīng)變效應(yīng)原理，可計(jì)算相位延遲，根據(jù)相位的延遲可以算出光纖長度的變化量，進(jìn)而可得到應(yīng)變量。但在很多情況下這種方法無法進(jìn)行精確的測量，因?yàn)闊o法確定光纖的應(yīng)力作用長度，所以有時(shí)不得不借助于其它技術(shù)。下面介紹幾種有代表性的新技術(shù)，這幾種技術(shù)既可以作為輔助測量方法，也可以進(jìn)行獨(dú)立測量。

3.1布拉格（Bragg）光柵技術(shù)

用以上方法只能用于巷道或硐室的狀態(tài)監(jiān)測，由于應(yīng)力作用長度不容易確定，要進(jìn)行定位或精確測量需要借助其它技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。近幾年出現(xiàn)的布拉格光柵技術(shù)克服了這一缺陷。1978年，發(fā)現(xiàn)光致光柵效應(yīng)，其后又制成世界上第一根Bragg光柵。光纖光柵采用波長調(diào)制，具有頻帶寬、波長編碼、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。光纖光柵技術(shù)在最近幾年得到了長足的發(fā)展，并應(yīng)用到了很多場合。根據(jù)光纖耦合模理論，當(dāng)寬帶光在光纖布拉格光柵中傳輸時(shí)，產(chǎn)生模式耦合，滿足布拉格條件的波長光被反射，由于應(yīng)力的影響導(dǎo)致光彈效應(yīng)和光纖柵格周期的變化，光纖Bragg光柵在外界應(yīng)力場和溫度梯度場的作用下，反射光（或透射光）的中心波長將發(fā)生位移。除了具有普通光纖傳感器的許多優(yōu)點(diǎn)外，Bragg光柵型光柵傳感器還有一些明顯優(yōu)于其他光纖傳感器，它的傳感信號(hào)為波長調(diào)制，因而測量信號(hào)不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測器老化等因素的影響；避免了一般干涉型傳感器中相位測量的不清晰和對(duì)固有參考點(diǎn)的需要；能方便地使用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中串接多個(gè)傳感器，實(shí)現(xiàn)真正意義上的多點(diǎn)線式分布測量。因此，一旦光柵甚至光路中出現(xiàn)非連續(xù)剪切變形或剪斷，時(shí)域反射計(jì)就可接收到回波，測量網(wǎng)絡(luò)仍能全部或部分正常工作，并且通過時(shí)域分析和光強(qiáng)分析可以確定被測物體內(nèi)產(chǎn)生不連續(xù)剪切變形的位置和大小，這在諸如滑坡監(jiān)測和地下工程圍巖深部位移觀測中具有非常重要的意義。

3.2 OTDR（光時(shí)域反射）技術(shù)

OTDR（Optical Time Domain Reflecting）檢測原理類似于雷達(dá)技術(shù)。光源發(fā)出的脈沖光進(jìn)入被測光纖中，光纖產(chǎn)生的瑞利后向反射光經(jīng)耦合器、光放大探測器，進(jìn)入OTDR信號(hào)處理系統(tǒng)，最后給出光纖沿線損耗大小和位置。

傳感器作為一種高效、先進(jìn)的生產(chǎn)監(jiān)測設(shè)備，在廣大科研人員的不斷努力下，技術(shù)工藝不斷得以改進(jìn)，其在煤礦開采中的應(yīng)用也將不斷深化。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

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