礦用傳感器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

李澤芳

（1. 煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2. 煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3. 北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013）

0 引 言

礦用傳感器及智能化儀器儀表是礦山智能化、信息化和工業(yè)化深度融合的源頭，為煤礦的安全高產(chǎn)高效提供了有力保障。隨著煤礦開采深度和強(qiáng)度的不斷增大、大型電氣設(shè)備的投入應(yīng)用及各類環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)要求的提升，對(duì)礦用傳感器的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性及智能化水平也提出了更高要求。本文對(duì)礦用傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，分析了當(dāng)前礦用傳感器在使用中面臨的問題和挑戰(zhàn)，對(duì)影響礦用傳感器性能的關(guān)鍵共性技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，并提出了未來一段時(shí)間礦用傳感器技術(shù)的重點(diǎn)研究方向。

1 礦用傳感器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

礦用傳感器種類繁多、測(cè)量原理各異，以煤礦安全監(jiān)控配套傳感器舉例，從檢測(cè)目標(biāo)數(shù)值的連續(xù)性上分類，可以分為開關(guān)量傳感器和模擬量傳感器。從功能模塊上來看，基本由數(shù)據(jù)檢測(cè)、采集、處理、輸出、顯示等部分構(gòu)成。

礦用傳感器發(fā)展至今，隨著檢測(cè)技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步，尤其是經(jīng)過煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字化升級(jí)改造，性能得到大幅提高，但仍然存在一些共性問題，在一定程度上影響了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。

（1） 傳感器的工作穩(wěn)定性時(shí)間短，標(biāo)校周期短、維護(hù)量大。

目前相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定傳感器工作穩(wěn)定性不少于15 d，即規(guī)定氣體類傳感器每隔15 d 進(jìn)行一次標(biāo)校，煤礦工作人員的維護(hù)工作量較大，傳感器的工作穩(wěn)定性有待提升。

（2） 傳感器的抗電磁干擾能力有待提高。

礦井大型設(shè)備尤其是變頻設(shè)備的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致井下機(jī)電設(shè)備在開啟和關(guān)閉瞬間能產(chǎn)生極為強(qiáng)烈的電磁干擾脈沖，未來5G 設(shè)備的推廣應(yīng)用，井下電磁環(huán)境將愈加惡劣。傳感器經(jīng)數(shù)字化改造后，信號(hào)傳輸部分不易受干擾，避免了冒大數(shù)現(xiàn)象，但傳感器敏感元件極易受干擾，造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)。

（3） 傳感器的防護(hù)等級(jí)與井下環(huán)境不相匹配。

煤礦井下環(huán)境比較惡劣，特別是井下工作面回風(fēng)、掘進(jìn)面回風(fēng)及總回風(fēng)等處，濕度基本達(dá)98%以上，加上局部粉塵濃度較高，在高濕度高粉塵環(huán)境中，對(duì)外殼的防護(hù)要求較高，而現(xiàn)有的部分傳感器防護(hù)等級(jí)一般為IP54，只能滿足環(huán)境條件較好的場所使用，需要更高外殼防護(hù)來滿足新型礦井要求。防護(hù)等級(jí)的提升不僅受機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響，更受傳感器敏感元件的制約，既要保證測(cè)量精度，又要保證響應(yīng)時(shí)間。

（4） 傳感器傳輸能力無法滿足長距離傳輸?shù)囊蟆?/p>

有些大型礦井采掘工作面回風(fēng)巷長度超過2 500 m，部分回風(fēng)巷超過6 000 m?，F(xiàn)有傳感器特別是瓦斯傳感器的功耗較大，其功耗主要在檢測(cè)元件，由于傳感器的功耗大，無法長距離傳輸，已經(jīng)不滿足特大型礦井的需求。

（5） 無線傳感器應(yīng)用受限制。

設(shè)備的移動(dòng)、長距離工作面的延伸、不適宜布置有線傳感器的場所需要無線傳感器來進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但目前的無線傳輸設(shè)備還存在著功耗大、傳輸距離短、組網(wǎng)穩(wěn)定性差、故障斷電時(shí)間及控制時(shí)間不符合要求等問題。

2 關(guān)鍵共性技術(shù)研究

2.1 礦用傳感器抗電磁干擾技術(shù)

可通過抑制傳感器自身電路噪聲及外部干擾源來提高抗電磁干擾能力。抑制傳感器內(nèi)部電路噪聲可以采取合理選擇噪聲低的半導(dǎo)體元器件、傳感器電路中加入濾波環(huán)節(jié)、加入負(fù)反饋電路、抑制和減少輸入端偏置電路的噪聲等4 個(gè)方面措施；提高傳感器抗外部干擾能力可以采取合理進(jìn)行電路布局、使用高導(dǎo)電和導(dǎo)磁屏蔽外殼、可靠接地、采用光電和磁電隔離技術(shù)抑制共阻耦合干擾、軟件補(bǔ)償?shù)却胧?/p>

2.2 礦用激光氣體檢測(cè)技術(shù)

基于TDLAS 的激光甲烷檢測(cè)技術(shù)是近年來新研發(fā)的傳感技術(shù)，利用激光的單光源、高光強(qiáng)的特性提高敏感元件的靈敏度，增強(qiáng)抗環(huán)境干擾能力。受益于監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造，激光甲烷檢測(cè)技術(shù)水平得到了大幅提升，但還需要繼續(xù)研究聚能模塊的安全防護(hù)設(shè)計(jì)、激光源光強(qiáng)穩(wěn)定性、衰減特性、激光特征波段的調(diào)制器綜合性能。還需要進(jìn)一步研究激光一氧化碳檢測(cè)技術(shù)，提高檢測(cè)靈敏度，排除交叉氣體干擾，縮減檢測(cè)單元體積，降低傳感探頭成本。

2.3 礦用傳感器自診斷技術(shù)

在傳感器設(shè)計(jì)及測(cè)試過程中對(duì)傳感器的工作電壓、工作電流、ADC 源信號(hào)強(qiáng)度、敏感元件供電范圍、信號(hào)值等在線監(jiān)測(cè)，并與內(nèi)部固化參數(shù)對(duì)比，得出傳感器硬件運(yùn)行狀態(tài)。通過對(duì)傳感器標(biāo)定參數(shù)、補(bǔ)償參數(shù)的對(duì)比，判斷傳感器內(nèi)部參數(shù)的可信度，并給與相應(yīng)報(bào)警，通過與外部通訊數(shù)據(jù)的交互，判斷讀取數(shù)據(jù)、控制指令發(fā)出源是否具有權(quán)限。

2.4 礦用傳感器低功耗技術(shù)

可以探索新的低功耗檢測(cè)技術(shù)或采用新的技術(shù)途徑，如MEMS 技術(shù)，縮小元件體積，降低元件整體功耗。也可采用低功耗的電子元器件及軟件處理技術(shù)、顯示單元的低功耗化、供電方式的改變、聲光報(bào)警功能的取消或者轉(zhuǎn)變等措施，進(jìn)一步降低傳感器整機(jī)功耗。

3 礦用傳感器技術(shù)展望

根據(jù)對(duì)國內(nèi)外傳感器技術(shù)的研究現(xiàn)狀分析以及對(duì)傳感器各性能參數(shù)的理想化要求，現(xiàn)代礦用傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)可以從以下方面分析與概括。

（1） 利用新材料、新工藝開發(fā)新型傳感器。

發(fā)展性能和種類更加完善和豐富的新型礦用傳感器，改善現(xiàn)有傳感器。應(yīng)用光導(dǎo)纖維、納米材料、激光檢測(cè)技術(shù)等新技術(shù)研制新型礦用傳感器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)礦用傳感器的檢測(cè)非接觸化、廉價(jià)化、長壽命化。

（2） 集成化多功能智能傳感器的開發(fā)。

將同類型的單個(gè)傳感器排列在同一平面上，構(gòu)成線型傳感器或面型傳感器，或是將傳感器和運(yùn)算、放大且溫度補(bǔ)償?shù)炔糠纸M裝成一個(gè)器件，如集成固態(tài)壓力傳感器或集成半導(dǎo)體溫度傳感器等。硬件上由微處理器系統(tǒng)對(duì)整個(gè)傳感器電路、接口、信號(hào)轉(zhuǎn)換進(jìn)行處理調(diào)整，軟件上進(jìn)行非線性特性校正、誤差的自動(dòng)校準(zhǔn)和數(shù)字濾波處理，加上神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自學(xué)習(xí)等人工智能算法，從而形成傳感技術(shù)的智能化系統(tǒng)。

（3） 實(shí)現(xiàn)傳感技術(shù)硬件系統(tǒng)與元器件的微小型化。

利用集成電路微小型化的經(jīng)驗(yàn)，從傳感技術(shù)硬件系統(tǒng)的微小型化中提高其可靠性、質(zhì)量、處理速度和生產(chǎn)率，降低成本，節(jié)約資源與能源，減少對(duì)環(huán)境的污染。隨著敏感元件、功能材料、制作工藝的發(fā)展，傳感器在小型化方面必將取得突破性的進(jìn)展。

（4） 傳感器與多學(xué)科交叉融合，推動(dòng)礦用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

利用微傳感器與微機(jī)械、通信、自動(dòng)控制、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等多學(xué)科的綜合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感器的無線網(wǎng)絡(luò)化、智能化，使其能根據(jù)煤礦生產(chǎn)特點(diǎn)主動(dòng)完成指定任務(wù)。實(shí)現(xiàn)無線傳感器的大范圍推廣應(yīng)用，需要解決傳感器尤其是傳感器探頭的低功耗技術(shù)難題、無線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性及實(shí)時(shí)性。

4 結(jié) 論

（1） 對(duì)我國礦用傳感器的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題進(jìn)行了歸納和總結(jié)。

（2） 針對(duì)礦用傳感器存在的問題，提出了4個(gè)方面亟待解決的共性技術(shù)，即抗電磁干擾技術(shù)、激光氣體檢測(cè)技術(shù)、傳感器自診斷技術(shù)及傳感器低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)。

（3） 提出了礦用傳感器未來的4 個(gè)發(fā)展方向：利用新材料、新工藝開發(fā)新型傳感器；開發(fā)集成化智能傳感器；實(shí)現(xiàn)傳感技術(shù)硬件系統(tǒng)與元器件的微小型化；推動(dòng)礦用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。