矿用传感器简介

1、第二节第二节 矿用传感器简介矿用传感器简介 采掘机械化方面采掘机械化方面 随着综采机械化的发展，目前综采程度已达随着综采机械化的发展，目前综采程度已达43%43%以上，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。少数遍采用电压、电流检测。少数采煤机采煤机具备速度、功率、油具备速度、功率、油 温的传感器及其检侧器。温的传感器及其检侧器。 矿用传感器现状矿用传感器现状 矿山固定设备方面矿山固定设备方面 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

2、迅速发展，提升机控制使用了行程位置传感器、提升机深度得到迅速发展，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、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。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。用。 目前使用的传感器有目前使用的传感器有: :电压、电流功率变送器、负压、风速、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、转速、水泵效率检测、水仓水位、压力、二级排气温度定点式、

3、风包定点、轴承定点式温度、自动风门传感器等。风包定点、轴承定点式温度、自动风门传感器等。 矿用传感器现状矿用传感器现状 煤矿电力调度监控系统方面煤矿电力调度监控系统方面 目前使用的传感器有目前使用的传感器有:电压、电流变送器、有功功电压、电流变送器、有功功 率变送器、功率因数传感器。率变送器、功率因数传感器。 矿用传感器现状矿用传感器现状 矿井环境、生产监测、监控系统方面矿井环境、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，井下测监控系统的传感器齐全程度及系

4、列产品已具备相当水平，井下 机电设备开机电设备开/ /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，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氧化碳、二氧化碳、氧气、负压、烟雾、风门开关等几十种传感

5、器。器。 矿用传感器现状矿用传感器现状 矿并运输自动化方面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、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。架线电压监测等传感器。 8080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、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

6、探测、堆煤、烟雾、温度物料探测、堆煤、烟雾、温度( (轴承、环境轴承、环境) )、速度、防尘洒水、灭、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。应的开关量或模拟量输出，使系统功能更加完善。 矿用传感器现状矿用传感器现状 传感

7、器技术是实现煤矿自动化技术的基础，而矿用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。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，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。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 矿用传感器发展矿用传感器发展 举例

8、举例 采煤机机组位置检测传感器，采用微机芯片后，不仅可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；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；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，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；并可自动报警，一台主

9、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。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

10、能化后便可测运转周期、累计转数并且大大单的速度传感器，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。扩展了测量范围。 矿用传感器发展矿用传感器发展 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。形成新一代的机电一体化的产品。 例如：例如： 采煤机，配双向倾抖度、煤岩分界、油量、油压、油采煤机，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，并与微机组成健温、轴承温度、电流、电压、

11、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、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运输机、转载机等进行开发，使工作面顺槽控制得以实 现。现。 矿用传感器发展矿用传感器发展 机器人开发机器人开发 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。掘进、采煤、凿岩、支护喷浆、水采

12、、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。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，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、硬觉等接触视觉、听觉等非接触外部传

13、感器，接触、压觉、滑觉、硬觉等接触 外部传感器。外部传感器。 矿用传感器发展矿用传感器发展 高精度、微型化、集成化、数字化、智能高精度、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化，已成为发展传感器技术总的途径和趋 势。势。 矿用传感器发展矿用传感器发展 高精度高精度 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。 矿用传感器发展矿用传感器发展 微型化微型化 微型化传感器主要由硅材料构成微型化传感器主要由硅材料构成, , 具有体积小、重具有体积小、重 量轻、反应快、灵敏度高以及成本低等优

14、点。其核心量轻、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技术是研究微电子和微机械加工与封装技术的巧妙结 合合, , 期望能够由此而制造出体积小巧但功能强大的新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。搬迁、移动，更具特殊意义。 矿用传感器发展矿用传感器发展 集成化集成化 两个含义：第一是将传感器与放大器、检测电路等集两个含义：第一是将传感器与放大器、检测电路等集 成在同一芯片上成在同一芯片上 既减小体积，又增加抗干扰能力。第二

15、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，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。它可以同时测量煤壁、顶底板等表面状况。 矿用传感器发展矿用传感器发展 数字化数字化 数字化对数字式传感器的研究是很重要的，它可以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。使传感器直接与计算机联机。 矿用传感器发展矿用传感器发展 智能化智能化 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

16、传感器系统。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，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。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采用这种技术时可以方便地调节和校正由于温度的变化

17、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、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。处理和存储外，还执行与计算机之间的通信联络。 矿用传感器发展矿用传感器发展 热导法热导法 光干涉法光干涉法 红外光谱系数法红外光谱系数法 超声波测量法超声波测量法 气敏半导体法气敏半导体法 热载体热载体 催化元件催化元件 检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法 原理原理 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函数。因此，测出气

18、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分。按此原理就可测量井下气体中CHCH4 4的含量。的含量。 检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法热热 导法导法 缺点缺点 （1 1）待测气体的热导率与空气的热导率相差越远，）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。得到的信号就越强。 瓦斯的热导率近似为空气热导率的瓦斯的热导率近似为空气热导率的1.31.3倍，两者悬倍，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。的信号很小，测量误差相应增加。 （2 2）热导仪器的零点漂移严

19、重，也不适宜测量低）热导仪器的零点漂移严重，也不适宜测量低 浓度瓦斯。浓度瓦斯。 一般情况下，热导仪器常与载体催化型仪器配套一般情况下，热导仪器常与载体催化型仪器配套 使用，用来测量使用，用来测量% %100% CH100% CH4 4的高浓度瓦斯。的高浓度瓦斯。 检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法热热 导法导法 原理原理 利用瓦斯与空气对利用瓦斯与空气对 光线的折射率不同而光线的折射率不同而 制成。制成。 检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法光干涉光干涉 法法 由光源由光源1 1发出的光，发出的光， 经聚光镜经聚光镜2 2和狭缝和狭缝3 3到达到达 平面镜平面镜4 4，并经其反射，并经其反

20、射 与折射形成两束光，分与折射形成两束光，分 别通过空气室别通过空气室5 5和甲烷和甲烷 室室6 6，再经折射棱镜，再经折射棱镜7 7折折 射后，两束光经平面镜射后，两束光经平面镜 4 4反射，一同进入反射反射，一同进入反射 棱镜棱镜8 8，再反射给望远，再反射给望远 镜系统镜系统9 9。在物镜的焦。在物镜的焦 平面上产生干涉条纹。平面上产生干涉条纹。 检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法光干涉光干涉 法法 当甲烷室与空气室同时充入空气时，两束光所经过的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。如改变在甲烷室光程相同，则干涉条纹不产生移动。如改变在甲烷室

21、中的气体成分、温度或压力，则因折射率改变，光程中的气体成分、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。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。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检测瓦斯含量的方法光干涉光干涉 法法 优点优点 安全可靠、操作简单、测量范围广（安全可靠、操作简单、测量范围广（0 010%10%），成为我国矿），成为我国矿 井安全检查员必备的仪器之一。井安全检查员必备的仪器之一

22、。 缺点缺点 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；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。也会变化，形成较大的测量误差。 检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法光干涉光干涉 法法 原理原理 每种气体对红外区域的光波都一个或多个吸收谱线，每种气体对红外区域的光波都一个或多个吸收谱线， 甲烷的吸收谱线是甲烷的吸收谱线是3.393.39m m，用氦氖激光器可以获得稳定，用氦

23、氖激光器可以获得稳定 的的3.393.39红外激光。当激光穿过瓦斯气体时，将被瓦斯吸红外激光。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。斯含量。 检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法红外光红外光 谱系数法谱系数法 优点优点 激光瓦斯测量仪器有很高的灵敏度和选择性，受气体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。中其他气体成分变化的影响小，测量的准确度高。 缺点缺点 只适用于实验室使用。因为激光管电压很高，设备复只适用于实验室使用。因为激光管电压

24、很高，设备复 杂，在井下使用有一定的困难。杂，在井下使用有一定的困难。 检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法红外光红外光 谱系数法谱系数法 原理原理 根据超声波在不同气体中传播的速度不同的原理制成。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在常温常压下，声波在气体中传播的速度为 k常数；常数； m气体的分子量气体的分子量 m kv 1 标准气体的分子量是标准气体的分子量是2929，CHCH4 4的分子量是的分子量是1616，根据超声，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。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

25、含量的方法检测瓦斯含量的方法超声波超声波 测量法测量法 缺点缺点 对低浓度瓦斯不灵敏。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。中使用。 检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法超声波超声波 测量法测量法 原理原理 某些金属氧化物（如某些金属氧化物（如SiOSiO2 2及及ZnOZnO等）在等）在600600左右的温度下，吸附不左右的温度下，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。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。 优点优点 制造简单，使用方便制造简单，使用方便

26、缺点缺点 元件的稳定性和选择性差，对气体的分辨力弱。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检测瓦斯含量的方法气敏半气敏半 导体导体 原理原理 元件内部以铂丝为核心，外部以氧化铝为载体，载体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。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。目前，低浓度甲烷传感器均采用这种方法。 检测

27、瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法热载体热载体 催化元件催化元件 几个概念几个概念 白元件：因氧化铝呈白色，习惯上称为白元件；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。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。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检测瓦斯含量的方法热载体热载体 催化元件催化元件 铂丝催化元件的特点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。既是催

28、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。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，工作温度缺点：催化活性低，工作温度9009001000,1000,升华严重，电升华严重，电 阻增加，零点漂移，寿命短。阻增加，零点漂移，寿命短。 检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法热载体热载体 催化元件催化元件 载体催化元件结构载体催化元件结构 铂丝：加热，感温铂丝：加热，感温 载体：固定铂丝，附载载体：固定铂丝，附载 催化剂，传热催化剂，传热 催化剂：催化剂：Pt,Pd,ThPt,Pd,Th催化催化 作用，降低甲烷燃烧温作用，降低甲烷燃烧温

29、度（度（300300400 400 ）；）； 对灵敏度、稳定性、功对灵敏度、稳定性、功 耗、寿命有很大改善。耗、寿命有很大改善。 黑元件：黑元件：工作元件 白元件：白元件：补偿元件 检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法热载体热载体 催化元件催化元件 检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法性能比性能比 较较 2-1 什么是传感器？其作用是什么？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？各部分传感器主要由哪些部分组成？各部分 的作用是什么？的作用是什么？ 2-3 传感器的静态特性指标主要有哪些？传感器的静态特性指标主要有哪些？ 光纤瓦斯传感 器 性能比较性能比较 实例1：相位调

30、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是通过干涉条纹与光电检测电路配合来 完成的。完成的。 氦氖激光器发出的激光经透镜集聚于光耦合器氦氖激光器发出的激光经透镜集聚于光耦合器 中中, ,经光耦合器分成两路光束分别由参考光纤和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。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

31、持不变，而测量光纤的光程参考光纤的光程保持不变，而测量光纤的光程 随压力随压力p p的变化而改变。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参考光纤的光程保持不变, , 而测量光纤的光程随压力而测量光纤的光程随压力p p的的 变化而改变。变化而改变。 在压力腔上安装弹性圆筒在压力腔上安装弹性圆筒，在圆筒上绕多圈光纤在圆筒上绕多圈光纤( (约约4040 5050匝匝) )，构成构成压力传感光纤压力传感光纤。在压力的作用下弹性圆筒的直。在压力的作用下弹性圆筒的直 径发生变化径发生变化，导致光纤的长度、直径和折射率的变化导致光纤的长度、直径和折射率的变化，最最 终影响光程的变化。显

32、然终影响光程的变化。显然，压力增加时光程增加压力增加时光程增加，反之光反之光 程减小。程减小。 相位调制型光纤传感器 设两路光纤的光程差为设两路光纤的光程差为， 由光程差由光程差导致两路光波的相位导致两路光波的相位 差差为为 式中式中= = 632632. .8nm8nm，为氦氖激光的波长；，为氦氖激光的波长； =SpSp，S S为压力传感光纤的转换系数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积变化有关。上式说明了相位调制的 原理。原理。 相位调制型光纤传感器 干涉条纹的光强干涉条纹的光强I I与相位差与

33、相位差（即光程（即光程 差与压力）的关系为差与压力）的关系为 式中式中，I I0 0为平均光强；为平均光强；K K为干涉条纹对比度。为干涉条纹对比度。由上式由上式 可知：可知： 当当=n( (n = n = 0 0，1 1，2 2，3)3)时，其干涉光强最大时，其干涉光强最大 为亮条纹；为亮条纹； 当当=(2(2n n +1)+1)/2(/2(n = n = 0 0，1 1，2 2，3)3)时，干涉时，干涉 光强最小为暗条纹；光强最小为暗条纹； 光程差光程差每变化一个波长每变化一个波长，即压力，即压力p p每变化每变化p p= =/ /S S 时，干涉条纹将亮暗相间的变化一次，其光强变化近时，

34、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。似于正弦波。 相位调制型光纤传感器 u可见，被测压力是用干涉条纹作为一把可见，被测压力是用干涉条纹作为一把 尺子进行度量的。尺子进行度量的。 若检测干涉条纹变化次数为若检测干涉条纹变化次数为N ,N ,则压则压 力变化为力变化为 式中，式中，q = q = / /S S为光纤压力传感器的量化单位。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

35、信号检测反敏面上。其干涉条纹的光强分布与信号检测反 映在此仿真图。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。脉冲方波对应一个干涉条纹。 根据根据pp= =nqnq，只要检测脉冲数目，只要检测脉冲数目N N，就能计算压，就能计算压 力力p p 。 相位调制型光纤传感器 现在

36、瓦斯检测的方法主要有两种：一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；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二是利用瓦斯浓度和折射率的关系用 干涉法测折射率。干涉法测折射率。 实例2：光纤瓦斯传感器 单波长吸收比较型单波长吸收比较型 吸收法的基本原理均是基于光谱吸收吸收法的基本原理均是基于光谱吸收, , 不同的物质具不同的物质具 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，根据感器，根据Lambert Lambert 定律定律: : I I= = I I0 0e e-uc -

37、ucL L 其中，其中，I I 、I I0 0 为吸收后和吸收前射线强度，为吸收后和吸收前射线强度，u u为吸收为吸收 系数，系数，L L 为介质厚度，为介质厚度，c c 为介质的浓度。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。体的浓度。 单波长吸收比较型原理图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脉冲光，或采用快速斩波器将连续光转变成脉冲 光光( (斩波频率为数斩波频率为数kHz)kHz)，经透镜耦合进

38、入光纤，并，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传输到远处放置的待测气体吸收盒, , 由气体吸收由气体吸收 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大器后送入计算机处理，根据强度的变化测量瓦 斯浓度。斯浓度。 第第4节节 一氧化碳传感器一氧化碳传感器 COCO浓度检测的意义浓度检测的意义 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

39、视，液化气、煤气进入家庭的使用为人们带来了方便，也改越重视，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。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，形成一氧化碳血红蛋白，使动脉壁缺氧、水肿，阻碍

40、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。另据多一氧化碳时甚至会导致人因缺氧而死亡。另据科技日报科技日报报报 道，经医学验证，当空气中一氧化碳浓度达到道，经医学验证，当空气中一氧化碳浓度达到35ppm35ppm时，就会对时，就会对 儿童智商造成损害。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

41、中允许存在的最低浓度为中的阀限值（指在空气中允许存在的最低浓度为 50501010-6 -6，爆炸极限为 ，爆炸极限为12.5%12.5%74%74%。 因此，不论是在煤矿井下监控系统中增设因此，不论是在煤矿井下监控系统中增设COCO传感器还传感器还 是对室内及时准确地进行是对室内及时准确地进行COCO浓度监测和报警，都成为浓度监测和报警，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。工作。 COCO浓度检测的意义浓度检测的意义 目前达到实用化水准的目前达到实用化水准的COCO传感器主要分为金传感器主要分为金 属氧化物半导体属氧化物

42、半导体(MOS)(MOS)型、电化学固体电解质型和型、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，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。型等类型使用较少。 COCO传感器分类传感器分类 金属氧化物半导体金属氧化物半导体(MOS)(MOS)型型 左图为左图为MOSMOS传感器的结传感器的结 构，包括陶瓷基体、敏构，包括陶瓷基体、敏 感材料层、加热器及测感材料层、加热器及测 量电极等。其中敏感材量电极等。其中敏感材 料采用金属氧化物粉体料采用金属氧化物粉体 构成，如构成

43、，如SnOSnO2 2、FeFe2 2O O3 3、 氧化铟氧化铟InIn2 2O O3 3、氧化钨、氧化钨 WOWO3 3、氧化银、氧化银AgAg2 2O O等。等。 CO传感器分类传感器分类及原理及原理 缺点缺点 MOSMOS传感器已广泛应用于传感器已广泛应用于COCO的探测。这种类型的传感器易受其他的探测。这种类型的传感器易受其他 还原性气体如还原性气体如H2H2、NONO、挥发性有机物等的干扰。、挥发性有机物等的干扰。 改进方法改进方法 为了提高选择性，常采取掺入金属如铑为了提高选择性，常采取掺入金属如铑(Rh(Rh) )、钌、钌(Ru(Ru) )或氧化物如或氧化物如 氧化钍（氧化钍（

44、ThO2ThO2）、氧化锑）、氧化锑(SbO3)(SbO3)及氧化铋及氧化铋(BiO3)(BiO3)和利用厚、薄膜技术和利用厚、薄膜技术 制备制备SnO2SnO2敏感层，也有采用氧化钼（敏感层，也有采用氧化钼（(MoO3)(MoO3)为敏感材料，再掺杂其他为敏感材料，再掺杂其他 金属触媒等方法来提高对金属触媒等方法来提高对COCO的选择性。的选择性。 金属氧化物半导体金属氧化物半导体(MOS)(MOS)型型 CO传感器分类及原理传感器分类及原理 CO传感器分类及原理传感器分类及原理 适用范围适用范围 MOSMOS气体传感器具有耐热性、耐蚀性强，材料成本低廉，元件制气体传感器具有耐热性、耐蚀性强

45、，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。境中有毒气体及可燃性、爆炸性气体的监测。 金属氧化物半导体金属氧化物半导体(MOS)(MOS)型型 电化学固体电解质型电化学固体电解质型 CO传感器分类及原理传感器分类及原理 固体电解质型传感固体电解质型传感 器主要以无机盐类器主要以无机盐类 如氧化锆如氧化锆ZrO2ZrO2、氧、氧 化钇化钇Y203Y20

46、3、K2CO3K2CO3、 氟化镧氟化镧LaF3LaF3等为固等为固 体电解质，加上阴、体电解质，加上阴、 阳极材料组合而成。阳极材料组合而成。 缺点缺点 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，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因此并不适合在复杂场所检测COCO。 电化学固体电解质型电化学固体电解质型 CO传感器分类及原理传感器分类及原理 化学固态高分子电解质型化学固态高分子电解质型 CO传感器分类及原

47、理传感器分类及原理 电化学固态高分子电电化学固态高分子电 解质传感器的感测原解质传感器的感测原 理与固体电解质型类理与固体电解质型类 似，它利用高分子中似，它利用高分子中 的官能基来传导离子，的官能基来传导离子， 可在室温下工作。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由于高分子可按照设计需要通过化学反应的方法( (如枝如枝 接、嵌人、交联、聚合等接、嵌人、交联、聚合等) )进行改性，且可常温工作，因进行改性，且可常温工作，因 此该类传感器目前倍受关注。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这是一种结构简单的气体传感器，能检测爆炸点

48、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 适合于可燃性气体适合于可燃性气体( (如氢气、天然气、液化石油气、酒精等可燃如氢气、天然气、液化石油气、酒精等可燃 且易挥发的有机溶剂且易挥发的有机溶剂) )检测的传感器。检测的传感器。 触媒燃烧型触媒燃烧型 CO传感器分类及原理传感器分类及原理 结构：结构：主要由两部分组成，一为感测元件，一为温度补偿元件。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，并以原理：在敏感元件的两端施加电压，并以200200400mA400mA的电流使

49、传的电流使传 感器保持气体能在催化剂表面燃烧的工作温度感器保持气体能在催化剂表面燃烧的工作温度(300(300400)400)，通，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，使激增，使PtPt丝的温度升高，即引起电阻增大，电流下降，此时元丝的温度升高，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。

50、利用此关系可达到检测比。利用此关系可达到检测COCO气体浓度的目的。气体浓度的目的。 CO传感器分类及原理传感器分类及原理 场效应晶体管场效应晶体管COCO传感器可分为结型场效应体管传感器可分为结型场效应体管(J-FET)(J-FET)与绝缘栅与绝缘栅 极晶体管极晶体管(FET)(FET)或称金属氧化物一硅场效应晶体管或称金属氧化物一硅场效应晶体管(MOSFET)(MOSFET)。 场效应晶体管型场效应晶体管型 CO传感器分类及原理传感器分类及原理 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

51、区时，则会影响到电子在通道中的阻力，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MOSMOS 元件的金属栅表面添加某种气敏膜，也可以提高元件的金属栅表面添加某种气敏膜，也可以提高MOSFETMOSFET传感器对待定传感器对待定 气体的灵敏度。气体的灵敏度。 石英晶体型石英晶体型 左图为石英晶体型左图为石英晶体型COCO传感传感 器，若在石英晶体上淀积器，若在石英晶体上淀积 一层敏感性物质，则吸附一层敏感性物质，则吸附 在敏感材料表面上待测气在敏感材料表面上待测气 体的吸附量与空气中待测体的吸附量与空气中待测 的气体浓度有关。利用此的气体浓度有关。利用此 方式可以通过测定谐振频方式可以通过测定谐振频 率的变化来量测待测气体率的变化来量测待测气体 的浓度。的浓度。 CO传感器分类及原理传感器分类及原理 表表1 1 主要的气体敏感元件材料的特性主要的气体敏感元件材料的特性 COCO传感器分类传感器分类 表表1 1 主要的气体敏感元件材料的特性主要的气体敏感元件材料的特性 CO传感