监测监控系统及传感器技术概述

1、监测监控系统及监测监控系统及传感器技术传感器技术内容提要内容提要一、监测监控系统作用、组成及发展一、监测监控系统作用、组成及发展二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器安全监测监控系统安全监测监控系统组成及其发展组成及其发展 一一（一）安全监测监控系统组成（一）安全监测监控系统组成 一、安全监测监控系统作用组成及其发展一、安全监测监控系统作用组成及其发展 测控系统的基本概念测控系统的基本概念 “测测”：即检测各种环境安全参数、设备工况参：即检测各种环境安全参数、设备工况参数、过程控制参数等数、过程控制参数等 。“控控”：即根据检测参数去控制安全装置、报警：即根据检测参数去控制安全装

2、置、报警装置、生产设备、执行机构等装置、生产设备、执行机构等 在人们的日常工作和生活中，人体实际上就是一个在人们的日常工作和生活中，人体实际上就是一个“监测监控系统监测监控系统”。人通过五官（传感器）感受外界的信。人通过五官（传感器）感受外界的信息，通过神经（传输信道）传输给大脑（计算机），大脑息，通过神经（传输信道）传输给大脑（计算机），大脑经过分析、判断，指挥四肢等器官（执行机构）的动作。经过分析、判断，指挥四肢等器官（执行机构）的动作。 所以所以“安全监测监控系统就是煤矿安全监测监控系统就是煤矿”安全生产的哨兵！安全生产的哨兵！ 生产调度则是生产活动中枢生产调度则是生产活动中枢。 一、安

3、全监测监控系统作用组成及其作用一、安全监测监控系统作用组成及其作用 煤矿安全生产监测控系煤矿安全生产监测控系统层次上一般是分为两级或统层次上一般是分为两级或三级管理的计算机集散系统三级管理的计算机集散系统（DCS: Distributing Center System），一般包含测控分），一般包含测控分站级和中心站级（见图站级和中心站级（见图1）。）。 图图1 监测监控系统的组成监测监控系统的组成 一、安全监测监控系统组成及其作用一、安全监测监控系统组成及其作用 安全监测监控系统是目前现代化工矿企业生产和管理的有安全监测监控系统是目前现代化工矿企业生产和管理的有效工具。对于煤矿生产，矿井安全监

4、测监控系统是煤矿高产、效工具。对于煤矿生产，矿井安全监测监控系统是煤矿高产、高效、安全生产的高效、安全生产的重要保证重要保证。 安全监测监控系统是一种自动采集资料、处理资料并进行安全监测监控系统是一种自动采集资料、处理资料并进行控制的系统控制的系统, 具有具有及时、准确、连续、可靠及时、准确、连续、可靠的优点的优点, 对保障矿井对保障矿井安全安全, 提高矿井提高矿井“一通三防一通三防”管理水平管理水平, 增强矿井抗灾能力等方增强矿井抗灾能力等方面具有非常重要的作用。面具有非常重要的作用。安全监测监控系统的作用安全监测监控系统的作用 一、安全监测监控系统组成及其作用一、安全监测监控系统组成及其作

5、用 （一）安全监测监控作用（一）安全监测监控作用 煤炭高产、高效、安全生产的重要保证。煤炭高产、高效、安全生产的重要保证。 环境安全、轨道运输、供电、排水、矿山压力、火灾、水环境安全、轨道运输、供电、排水、矿山压力、火灾、水灾、煤与瓦斯突出、大型机电设备健康状况等监控系统，提高灾、煤与瓦斯突出、大型机电设备健康状况等监控系统，提高了生产率和设备利用率，增强了矿山安全了生产率和设备利用率，增强了矿山安全. 世界各主要产煤国对此都十分重视，研制、生产并推广使世界各主要产煤国对此都十分重视，研制、生产并推广使用了环境安全、轨道运输、供电、排水、矿山压力、火灾、水用了环境安全、轨道运输、供电、排水、矿

6、山压力、火灾、水灾、煤与瓦斯突出、大型机电设备健康状况等监控系统，提高灾、煤与瓦斯突出、大型机电设备健康状况等监控系统，提高了生产率和设备利用率，增强了矿山安全。了生产率和设备利用率，增强了矿山安全。 （1） 矿井监控系统是一种自动采集数据，处理数据矿井监控系统是一种自动采集数据，处理数据并进行控制的系统。并进行控制的系统。 通风安全监控设备在煤矿安全生产中发挥着越来越重通风安全监控设备在煤矿安全生产中发挥着越来越重要的作用。为进一步加强通风安全监控设备的装备、使要的作用。为进一步加强通风安全监控设备的装备、使用和管理，保障煤矿安全生产，用和管理，保障煤矿安全生产，煤矿安全规程煤矿安全规程将安

7、将安全监控单列出来。全监控单列出来。 （一）安全监测监控作用（一）安全监测监控作用 （2） 矿井监控系统的推广使用实现了甲烷超限断矿井监控系统的推广使用实现了甲烷超限断电、停风断电、通风系统监控、煤与瓦斯突出预报、电、停风断电、通风系统监控、煤与瓦斯突出预报、火灾检测与预报、水灾监测与预报、矿山压力监测与火灾检测与预报、水灾监测与预报、矿山压力监测与预报等，从而减少了瓦斯与煤尘爆炸、火灾、水灾、预报等，从而减少了瓦斯与煤尘爆炸、火灾、水灾、顶板等灾害与事故的发生，保障了煤矿安全生产和矿顶板等灾害与事故的发生，保障了煤矿安全生产和矿工生命安全。工生命安全。（一）安全监测监控作用（一）安全监测监控

8、作用 （3）矿井监控系统的推广应用，实现了轨道运输、）矿井监控系统的推广应用，实现了轨道运输、胶带运输、采区变电所、水泵房等地面远动控制，从而胶带运输、采区变电所、水泵房等地面远动控制，从而大大减少了井下作业人员。由于井下作业人员的减少，大大减少了井下作业人员。由于井下作业人员的减少，发生重大恶性事故的概率也大大降低。发生重大恶性事故的概率也大大降低。 将井下操作由地面远动操作，因此改善了作业环境，将井下操作由地面远动操作，因此改善了作业环境，从而吸引一些业务素质高的人从事这些远动操作工作，从而吸引一些业务素质高的人从事这些远动操作工作，进而降低了误操作及违章作业的概率。进而降低了误操作及违章

9、作业的概率。 （一）安全监测监控作用（一）安全监测监控作用（4）煤矿井下是一个特殊的工作环境）煤矿井下是一个特殊的工作环境: 有瓦斯（主要成分是甲烷）等易燃气体有瓦斯（主要成分是甲烷）等易燃气体; 有硫化氢等腐蚀性气体有硫化氢等腐蚀性气体; 有淋水、环境潮湿、空间狭小、矿尘大有淋水、环境潮湿、空间狭小、矿尘大; 电磁干扰严重、电网电压波动大、工作场所分散且电磁干扰严重、电网电压波动大、工作场所分散且距离远，因此矿井系统监控不同于一般工业监控系统。距离远，因此矿井系统监控不同于一般工业监控系统。 （一）安全监测监控作用（一）安全监测监控作用 （5）电气防爆。一般工业系统均工作在非爆炸性环境中，）

10、电气防爆。一般工业系统均工作在非爆炸性环境中，而矿井监控系统工作在有瓦斯和煤尘爆炸性环境的煤矿井下。而矿井监控系统工作在有瓦斯和煤尘爆炸性环境的煤矿井下。因此，矿井监控系统的设备必须是防爆型电气设备。因此，矿井监控系统的设备必须是防爆型电气设备。 传输距离远。一般工业监控对系统的传输距离要求不高，传输距离远。一般工业监控对系统的传输距离要求不高，而矿井监控系统的传输距离要求的更高。而矿井监控系统的传输距离要求的更高。 网络结构宜采用树形结构。网络结构宜采用树形结构。 监控对象变化缓慢。监控对象变化缓慢。 电网电压波动大，电磁干扰严重。电网电压波动大，电磁干扰严重。 工作环境恶劣。工作环境恶劣。

11、 检测设备采用远程供电。检测设备采用远程供电。 不宜采用中继器。不宜采用中继器。（一）安全监测监控作用（一）安全监测监控作用 （6） 轨道运输监控系统主要用来监测信号机状态、轨道运输监控系统主要用来监测信号机状态、电动转撤机状态、机车位置、机车编号、运行方向、电动转撤机状态、机车位置、机车编号、运行方向、运行速度、车皮数、空（实）车皮书等，并实现信号运行速度、车皮数、空（实）车皮书等，并实现信号机、电动辙机闭锁控制、地面远程速度与控制等。机、电动辙机闭锁控制、地面远程速度与控制等。（一）安全监测监控作用（一）安全监测监控作用 （7）胶带运输监控主要用来监测皮带速度、轴温烟胶带运输监控主要用来监

12、测皮带速度、轴温烟雾、堆煤、横向撕裂、跑偏、打滑、电动机运输状态、雾、堆煤、横向撕裂、跑偏、打滑、电动机运输状态、煤仓煤位等，并实现顺煤流启动，逆煤流停止闭锁控制煤仓煤位等，并实现顺煤流启动，逆煤流停止闭锁控制和安全保护、地面远程速度与控制、皮带火灾监测与控和安全保护、地面远程速度与控制、皮带火灾监测与控制等。制等。 提升运输监控系统主要用来监测罐笼位置、速度、安提升运输监控系统主要用来监测罐笼位置、速度、安全门状态、摇台状态、阻车器状态等，并实现推车、提全门状态、摇台状态、阻车器状态等，并实现推车、提升闭锁控制等。升闭锁控制等。 （一）安全监测监控作用（一）安全监测监控作用l （8）供电监控

13、系统主要用来监测电网电压、电）供电监控系统主要用来监测电网电压、电流、功率、功率因数、馈电开关状态、电网绝缘状态流、功率、功率因数、馈电开关状态、电网绝缘状态等，并实现漏电保护、馈电开关闭锁控制、地面远程等，并实现漏电保护、馈电开关闭锁控制、地面远程控制等。控制等。l 排水监控系统主要用来监测水仓水位、水泵开停、排水监控系统主要用来监测水仓水位、水泵开停、水泵工作电压、电流、功率、阀门状态、流量、压力水泵工作电压、电流、功率、阀门状态、流量、压力等，并实现阀门开关、水泵开停控制、地面远程控制等，并实现阀门开关、水泵开停控制、地面远程控制等。等。（一）安全监测监控作用（一）安全监测监控作用 （9

14、）环境监测主要监测一氧化碳浓度、二氧化碳）环境监测主要监测一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度、温度、压差、烟雾等，并通过风门、浓度、氧气浓度、温度、压差、烟雾等，并通过风门、风窗控制，实现均压灭火控制、制氮与注氮控制、地风窗控制，实现均压灭火控制、制氮与注氮控制、地音、顶板位置、位移速度、位移加速度、红外发射、音、顶板位置、位移速度、位移加速度、红外发射、电磁发射等，并实现矿山压力预报等。电磁发射等，并实现矿山压力预报等。（一）安全监测监控作用（一）安全监测监控作用 （10）矿山压力监测系统主要用来监测地音、顶板矿山压力监测系统主要用来监测地音、顶板位置、位移速度、位移加速度、红外发射、电磁

15、发射等，位置、位移速度、位移加速度、红外发射、电磁发射等，并实现矿山压力预报。并实现矿山压力预报。 大型机电设备健康状况监控系统主要用来监测机械振大型机电设备健康状况监控系统主要用来监测机械振动、油质量污染等，并实现故障诊断。动、油质量污染等，并实现故障诊断。（一）安全监测监控作用（一）安全监测监控作用（二）、安全监测监控系统技术发展历程（二）、安全监测监控系统技术发展历程 安全监测监控系统应用于煤矿生产，起源于对矿井瓦斯安全监测监控系统应用于煤矿生产，起源于对矿井瓦斯进行检测的安全需求。进行检测的安全需求。最早最早见诸于学会报告的瓦斯爆炸事故是发生于见诸于学会报告的瓦斯爆炸事故是发生于167

16、5年英国北年英国北威尔士欣煤矿的一次瓦斯爆炸。威尔士欣煤矿的一次瓦斯爆炸。 第一次伤亡超过百人第一次伤亡超过百人的瓦斯爆炸事故发生于的瓦斯爆炸事故发生于1825年的英国奈年的英国奈尔生多煤矿，死亡尔生多煤矿，死亡102人。人。 第一个伤亡超过千人第一个伤亡超过千人的瓦斯爆炸事故发生于的瓦斯爆炸事故发生于1906年的法国傅年的法国傅立叶煤矿，死亡立叶煤矿，死亡1099人。人。 （三）（三） 瓦斯检测技术的发展过程瓦斯检测技术的发展过程 正是基于煤矿瓦斯爆炸事故的危害巨大，瓦斯监测仪器正是基于煤矿瓦斯爆炸事故的危害巨大，瓦斯监测仪器就伴随着对瓦斯安全问题的研究而出现。就伴随着对瓦斯安全问题的研究而

17、出现。 （二）、安全监测监控系统技术发展历程（二）、安全监测监控系统技术发展历程最早最早应用仪器来检测矿井瓦斯浓度的国家是英国，在应用仪器来检测矿井瓦斯浓度的国家是英国，在1815年年发明了第一项监测瓦斯仪器发明了第一项监测瓦斯仪器安全灯安全灯，它是利用火焰的高，它是利用火焰的高度来测量瓦斯浓度。度来测量瓦斯浓度。 光学瓦斯检定器光学瓦斯检定器是是1925年在日本发明的一种检测瓦斯技术，年在日本发明的一种检测瓦斯技术，当今世界上占主要地位的是当今世界上占主要地位的是催化型瓦斯监测仪器催化型瓦斯监测仪器。 （二）安全监测监控系统技术发展历（二）安全监测监控系统技术发展历程程1960年代，英、美、

18、法、德、日、前苏等工业发达国家，年代，英、美、法、德、日、前苏等工业发达国家，都把发展催化型仪器作为瓦斯检测的主要方向。都把发展催化型仪器作为瓦斯检测的主要方向。 1973年，由重庆煤矿安全仪器厂等年，由重庆煤矿安全仪器厂等5家单位协作，研制家单位协作，研制AYJ-1型瓦斯遥测仪，其后又研制出了型瓦斯遥测仪，其后又研制出了ABD1型瓦斯断电报警仪、型瓦斯断电报警仪、AQD1型采煤机瓦斯断电控制仪等。型采煤机瓦斯断电控制仪等。 1980年代，随着引进消化并进一步实现年代，随着引进消化并进一步实现“国产化国产化”，创造了，创造了一系列适合我国煤矿条件的监控系统。一系列适合我国煤矿条件的监控系统。

19、1990年，我国先后研制出年，我国先后研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80等煤矿安全监测监控系统。等煤矿安全监测监控系统。 （二）、安全监测监控系统技术发展（二）、安全监测监控系统技术发展历程历程2010年后，我国对所有煤矿用年后，我国对所有煤矿用KJ系列煤矿安全监测监控系统系列煤矿安全监测监控系统进行升级，投运到煤矿井下的为进行升级，投运到煤矿井下的为KJN，或，或KJNA型号。型号。矿区现代化安全监测检测系统矿区现代化安全监测检测系统 根据安全监测监控系统的组成，其主要技术指标，主要是根据安全监测监控系统的组成，其主要技术指标，主要是以组

20、成系统的各个子系统的技术指标为特征。以组成系统的各个子系统的技术指标为特征。一、安全监测监控系统组成及其作用一、安全监测监控系统组成及其作用 安全监测监控系统技术指标安全监测监控系统技术指标 测控分站测控分站 容量容量：是输入、输出量的个数及类型。：是输入、输出量的个数及类型。 接配传感器接配传感器：是指所接配传感器的种类等。是指所接配传感器的种类等。 检测精度检测精度：是反映分站性能优劣的主要指标之一，：是反映分站性能优劣的主要指标之一， 一般用满量程的相对误差来表示。一般用满量程的相对误差来表示。 一、安全监测监控系统组成及其作用一、安全监测监控系统组成及其作用 测控分站测控分站 分辨率分

21、辨率 ：反映分站对微小模入量变化的敏感程度：反映分站对微小模入量变化的敏感程度 。 转换时间转换时间 ：指指A/D一次转换所需时间，其倒数称为一次转换所需时间，其倒数称为 转换率转换率 。 传输距离传输距离 ：是传感器宇分站间信号传输的最远距离：是传感器宇分站间信号传输的最远距离 。 一、安全监测监控系统组成及其作用一、安全监测监控系统组成及其作用 中心站中心站 主机型号及配置主机型号及配置 ：CPU型号，内存容量，硬盘容量等型号，内存容量，硬盘容量等 。 容量容量 ：即系统可带分站的数量即系统可带分站的数量 。 信息传输方式信息传输方式 ：即时分制还是频分制，是频带传输还：即时分制还是频分制

22、，是频带传输还 是基带传输方式是基带传输方式 。 一、安全监测监控系统组成及其作用一、安全监测监控系统组成及其作用 国内安全监测监控系统的发展趋势国内安全监测监控系统的发展趋势 总结我国近总结我国近10年来煤矿安全监测监控系统的技术发展概况，年来煤矿安全监测监控系统的技术发展概况，主要表现在以下主要表现在以下5个方面：个方面： （1）矿井安全监测技术标准化工作逐步完善。）矿井安全监测技术标准化工作逐步完善。 （2）开发新型传输技术，系统容量扩大。）开发新型传输技术，系统容量扩大。 （3）应用软件丰富，系统功能增强。）应用软件丰富，系统功能增强。 （4）矿井专业化安全监测系统不断涌现。）矿井专业

23、化安全监测系统不断涌现。 （5）重视、加强传感器的开发研究。）重视、加强传感器的开发研究。 安全监测监控系统发展安全监测监控系统发展 我国矿井安全监测监控技术发展方向我国矿井安全监测监控技术发展方向 （1）紧密结合我国煤矿安全生产国情）紧密结合我国煤矿安全生产国情 。我国是一个煤矿。我国是一个煤矿灾害事故严重，特别是瓦斯爆炸事故频发的产煤大国。灾害事故严重，特别是瓦斯爆炸事故频发的产煤大国。 （2）重视专业化或专家系统的开发。开发安全监控技术）重视专业化或专家系统的开发。开发安全监控技术应特别注意将诸如瓦斯涌出规律、瓦斯突出预测预报等融入监应特别注意将诸如瓦斯涌出规律、瓦斯突出预测预报等融入监

24、测系统中，才能充分发挥监测系统的作用。测系统中，才能充分发挥监测系统的作用。安全监测监控系统发展方向安全监测监控系统发展方向 （3）继续深入强化传感器技术的研究。应注重以下方）继续深入强化传感器技术的研究。应注重以下方面：面： a、关注国内外传感器发展热点，借鉴传感器新技术，关注国内外传感器发展热点，借鉴传感器新技术，开发适用于煤矿的安全传感器。开发适用于煤矿的安全传感器。b、解决煤矿安全传感器的解决煤矿安全传感器的稳定性、可靠性，提高传感器的制作质量，在很大程度上稳定性、可靠性，提高传感器的制作质量，在很大程度上依赖制作工艺。依赖制作工艺。c、应高度重视传感器功能材料的研究。当应高度重视传感

25、器功能材料的研究。当今世界各国已把纳米技术纳入了自己的关键技术中。今世界各国已把纳米技术纳入了自己的关键技术中。 成果：系统概述与核心功能31系统概述与核心功能32系统概述与核心功能高效的通风高效的通风网络分析手网络分析手段段 通风网络图的通风网络图的生成和编辑生成和编辑开放的可扩开放的可扩展的软件架展的软件架构构专业性可视专业性可视化平台化平台图形间、图与图形间、图与数据间的联动数据间的联动基于多种基于多种数学方法数学方法的通风瓦的通风瓦斯数据分斯数据分析模型析模型三维立体图三维立体图的展现形式的展现形式以安全分区为以安全分区为理论基础的分理论基础的分析模式析模式多种瓦斯实时多种瓦斯实时监控

26、与预警方监控与预警方式式集成集成多种常多种常见监控见监控系统的系统的数据数据33系统概述与核心功能34体系架构与功能详述实时显示巷道浓度、流量、实时显示巷道浓度、流量、涌出量及测点浓度、移动涌出量及测点浓度、移动平均线的变化情况平均线的变化情况按照浓度、涌出量、按照浓度、涌出量、超限次数和波动程度超限次数和波动程度进行排行分析进行排行分析利用大量的各类型的图表，动利用大量的各类型的图表，动态展示系统实时解算数据，方态展示系统实时解算数据，方便监控人员更快速的发现系统便监控人员更快速的发现系统出现的异常问题。出现的异常问题。35体系架构与功能详述分析某时间段后巷分析某时间段后巷道瓦斯浓度达到各道

27、瓦斯浓度达到各安全等级的可能性安全等级的可能性分析某时间段后分析某时间段后巷道瓦斯浓度的巷道瓦斯浓度的主要变化区间主要变化区间以大量的基础数据作为分析依据，提以大量的基础数据作为分析依据，提供对瓦斯浓度趋势分析，为及时有效供对瓦斯浓度趋势分析，为及时有效采取防灾避灾措施提供预警。采取防灾避灾措施提供预警。3636体系架构与功能详述巡检记录巡检记录根据矿井的排班设计对各个班次的巡根据矿井的排班设计对各个班次的巡检情况进行登记，以便于结合监控及检情况进行登记，以便于结合监控及分析数据综合处理。分析数据综合处理。37综合应用异常排查大数据、云计算与监测监控系统l大数据(Big Data),定义是指那

28、些数据量特别大、数据类别特别复杂的数据集,这种数据集无法用传统的数据库进行存储,管理和处理。简言之，与对象相关的所有数据。 l云计算(cloud computing)是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式,通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。 大数据、云计算与监测监控系统l安全监测监控系统，日积月累，记录海量有关安全环境状态参数数据。l与矿井计算机管理系统网络链接的其他业务数据。l对于海量数据的挖掘，源于职能管理部门需求，特别是安全生产方面要求。l各类安全生产状态的预测和防控的模型以及结果验证。l安全管理层面，各类安全指标的考核。矿用环境监测主矿用环境监测主要传感器要

29、传感器二二 二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器（一）传感器定义、分类及组成结构（一）传感器定义、分类及组成结构 按照国家标准GB766687，把“能够把特定的被测量信息（如能够把特定的被测量信息（如物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用输出信物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用输出信号的器件或装置称为传感器号的器件或装置称为传感器（Transducer 或 Sensor）。”传感器是生物体感官的工程模拟物；反过来，生物体的感官则可以看作是天然的传感器。 所谓“可用输出信号”，是指便于传输、便于处理的信号。因此，也可以把传感器传感器狭义的定义为：能把外

30、界非电量信息转换成电能把外界非电量信息转换成电信号输出的器件或装置信号输出的器件或装置。 二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器 如位移传感器、力传感器、荷重传感器、速度传感器、振动传感器、压力传感器、温度传感器、湿度传感器和密度传感器等。按用途分类 如电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、电涡流式传感器、磁电式传感器、压电式传感器、光电式传感器、磁弹性式传感器、振频式传感器和电化学式传感器等。按工作原理分类 如利用物理效应进行转换的为物理传感器；利用化学反应进行转换的为化学传感器；利用生物效应进行转换的为生物传器等。表2-1列出了与人体五官对应的几种传感器及其效应。按按外界

31、输入信号转换至电信号过程中所利用的效应来分类二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器传感器的组成传感器的组成: 传感器一般是由敏感元件、转换元件和信号处理电路三部分组成，有时需要加辅助电源。敏感原件转换原件信号处理辅助电源二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器（二）传感器的（二）传感器的静态技术特性静态技术特性 1. 线性度（非线性误差）线性度（非线性误差） 二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器2. 灵敏度灵敏度：达到稳定工作状态时，输出变化量Y与引起此变化的输入变化量X之比。3.精度：精度：传感器精度是指测量结果的可靠度。指传感器在规定条件下允许的最

32、大绝对误差相对于传感器满量程输出的百分数。二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器4.最小检测量和分辨率最小检测量和分辨率 最小检测量是指传感器能确切反映被测量的最低极限量。最小检测量越小，表示传感器检测微量的能力越高。 由于传感器的最小检测量M易受噪声的影响，所以一般用相当于噪声电平若干倍的被测量为最小检测量，用公式表示为二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器5. 迟滞迟滞 迟滞是指在相同工作条件下作全测量范围校准时，在同一校准中对应同一输入量的正行程和反行程其输出值间的最大偏差。如图所示。其数值用最大偏差或最大偏差的一半与满量程输出的百分比表示。或式中，Hmax

33、输出值在正反行程间最大偏差； H 表示传感器的迟滞。二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器（三）几种重要传感器介绍（三）几种重要传感器介绍1. 瓦斯传感器热催化元件：仅有一个纯铂丝螺旋圈，结构简单，制造容易。最大优点是抗中毒能力强 。铂丝的工作温度一般为9001000，工作时铂丝升华比较严重，线径缩小，造成仪器零点严重飘移，连续工作寿命缩短。 载体热催化元件是目前使用最广泛的一种催化元件，目前国内外生产使用的低浓度甲烷传感器几乎都是采用载体热催化元件。二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器l铂丝线圈作用：一方面对载体和催化剂进行加热，使甲烷等可燃气体接触元件后达一定

34、的氧化状态；另方面把甲烷等可燃气体在催化剂作用下燃烧生成的热量检测出来。l载体一般是三氧化二铝(Al2O3)，其作用是提供较大的反应接触面积、固定铂丝的几何形状、附载催化剂、传导热量给铂丝l催化剂作用是使氧化反应速度加快，催化剂对于元件的灵敏度、稳定性、功耗和寿命等都起决定性影响。常用的催化剂有钯(Pd)、铂(Pt)、钍(Th)等。元件配方及工艺较复杂，各厂家均不相同。l主要有黑（热催化元件）和白（补偿元件）两种元件，其阻值分别为r1和r2，两元件放在同一个待测气样将通过的气室内。由固定电阻R1和R2组成电桥另外的两个桥臂，用电阻温度系数小的电阻，以提高电桥在高温时的稳定性。为使电桥在无甲烷等

35、可燃气体状态下处于平衡状态，桥路内装有调零电位器W1。电阻r2并联在白元件r2上，补偿黑白元件热学性质差异的元件，以改善电桥的零点飘移。 二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器l 热催化原理又称催化燃烧原理。甲烷等可燃气体在一定温度条件下，在催化剂（铂、铑、钯）等催化作用下，进行无焰燃烧，在一定的浓度范围内，定量的甲烷燃烧放出定量的热，生成二氧化碳和水。甲烷在空气中燃烧的反应式如下：l释放出的热量Q使元件的温度上升，造成铂丝的阻值变化。铂丝的电阻在0630.74范围内与甲烷可燃气体浓度成正比。二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环

36、境监测主要传感器l目前国内外利用载体热催化原理元件生产的可燃气体检测报警便携仪的厂家和型号较多，但它们的检测原理和结构基本一样l这类仪器特点是体积小，结构简单，功耗低、性能较稳定及使用寿命长。测定低浓度可燃气体时，输出信号较大(1%CH4时，输出电压可达150mV以上)，信号处理和显示较简便、直观，易于实现超限报警、遥测。其缺点是催化剂与硫、铅、磷、氯等化合物接触时，催化性能逐渐降低，使仪器的灵敏度降低。 二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器某甲烷气体检测便携仪原理框图某甲烷气体检测便携仪原理框图 二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器载体热催化元件的特性载体热催

37、化元件的特性l元件的活性，元件活性是指元件对甲烷氧化燃烧速率 l稳定性，元件在新鲜空气与一定浓度甲烷环境中，在规定的连续工作时间里活性下降率l工作点和工作区间，元件工作点是指元件的标准工作电压和电流值 二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器l输出特性是指在不同甲烷浓度下，元件的活性与甲烷浓度的关系 载体热催化元件输出特性载体热催化元件输出特性 二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器l元件的中毒特性。载体热催化元件的催化剂钯(Pd)、铂(Pt)、钍(Th)等与硫(S)、磷(P)、铅(Pb)、氯(Cl)、硅(Si)等化合物作用，使其催化活性逐渐降低，称为催化剂中毒 l载

38、体催化元件的激活特性，经过一段时间工作的元件，遇到较高浓度甲烷气体(5.5%6%)数分钟后，元件的活性升高，高浓度甲烷气体消失后，元件在几十小时内活性又逐渐下降到原来值附近。二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器l载体热催化型仪器的反应速度，指仪器从接触到被测气体开始，到传感器元件能正确地指示数据为止所经历时间 l高浓度甲烷气体的影响，载体热催化元件适应检测爆炸下限以下浓度范围的可燃气体；如甲烷浓度0%4%)浓度范围。当元件接触高浓度可燃气体时，可能会出现两种不同的情况。二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器l光学瓦斯检定器l1925年，日本发明；采用光干涉原理制成

39、；l测量范围：010%；050%等不同浓度档位；l光学甲烷检定器的使用步骤：检查吸收管内干燥剂，检查仪器气密性，检查干涉条纹是否清晰，调零 ，测定。 二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器2.温度传感器（1）温度检测方法原理简介 热电偶法； 热电阻法； 半导体热敏电阻法； 红外辐射法。二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器（2）热电阻温度计热电阻温度计l热电阻是利用金属等材料的电阻率随温度升高而变化的原理进行测温的。采用金属材料作温度敏感元件称热电阻，利用半导体材料制成的温度敏感元件称为热敏电阻。二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器l热电阻热电阻 l

40、铂电阻是由铂丝绕制而成，铂电阻因其物理、化学性质稳定被作为复现温标的基准器。国标实用温标规定，在-259.34630.74温度范围内以铂电阻作为标准仪器 l半导体热敏电阻半导体热敏电阻 l半导体热敏元件，电阻温度系数比较大，其绝对值比热电阻大10100倍，主要原因是半导体中载流子比原子的数目要小几千到几万倍。相邻自由电子间距是原子间距的几十倍，使得自由电子运动象气体分子热运动一样二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器l一般半导体热敏电阻具有负的温度系数，也就是温度升高，电阻值是减小的，如图所示l热敏电阻和铜电阻比较图热敏电阻和铜电阻比较图 二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监

41、测主要传感器l热电阻温度计的原理图 l其基本原理是热量的变化引起电阻阻值的改变，测量电桥输出差值信号，差值信号的大小反映了待测温度的大小。通过对温度值与输出值大小之间关系的标定，即可测得温度的大小 。二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器l使用热电阻测温，应注意因引线较长带来的误差，常采用的方法如图所示，测温电阻和三根导线同时接到测温点，因引线L2和L3分别在两个相对应的电桥臂上，从而可以抵消环境的影响。故使用这种方法可以使用较长的测量导线进行测温，这种消除误差的方法通常称为“三线法” 三线法消除误差三线法消除误差 二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器半导体半导体

42、PN结测温传感器结测温传感器l利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结正向电压相对于温度关系特性。二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器l在实际应用中，利用两个晶体管的基极，如图所示。利用晶体管特性和外接电路条件能获得较好的线性关系。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测温元件等。晶体管晶体管PN结测温原理图结测温原理图 二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器红外测温仪红外测温仪l任何物体只要温度高于绝对零度，就会不断产生红外辐射，

43、温度越高，辐射功率越大。只要知道物体的温度T和比辐射率，就能计算出它所发射的辐射功率P；若知道物体所发射的辐射功率，则可求出它的温度。即l斯忒藩波尔兹曼常数，=5.669710-12，W/cm2K4；l比辐射率，绝对黑体=1.0，非绝对黑体01.0；lT物体的热力学温度，K。二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器l红外测温用检测元件有热敏和光敏电阻两种，它是一种非接确式测温仪表，其原理如图所示。二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器l图中Rb是红外敏感元件，接收红外辐射能；Rc是补偿元件，被罩壳隐蔽起来，不吸收红外辐射能；Eb和Ec组成偏置放大电源。Rb接收红外辐射

44、能，其阻值下降，电桥失去平衡，输出电压信号耦合到前置放大器放大，经处理和转换环节，由显示器显示，或送到报警电路进行报警。Rb阻值下降或输出电压信号的强弱由红外辐射能量决定，而接收的红外能量多少与被测点温度高低有关，仪器显示的数据就直接反映被测点温度值及其变化状态。二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器l红外测温具有测量灵敏度高、反应速度快、测温范围广、属于非接触式测温、不影响被测介质的温度场分布优点，是发展测量技术、遥感技术及空间科学的重要手段。在矿井火灾监测与预报、设备温升测量等方面，具有很好的应用前景 二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器（3）超声波旋涡风速传

45、感器超声波旋涡风速传感器l传感器是应用卡曼涡街理论来实现风速检测的。所谓卡曼涡街理论，就是在无限流场中，垂直流体流向插入一根无限长的非流线型阻挡体（旋涡发生体），在雷诺数为20050000范围内，阻挡体的下游将产生内旋的、互相交替的旋涡列,其旋涡频率f与流体流速V成正比，与阻挡体直径d成反比，即：二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器l超声波涡街风速传感器与其它风速传感器相比，具有如下明显的优点：l结构中无运动部件，无使用磨损问题，适于连续运行，使用寿命长，性能稳定；线性输出范围宽，原理上没有零位漂移，测量精度高；响应迅速，而且能辨别风向。二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监

46、测主要传感器CO传感器电化学池结构及工作原理示意图 （4）定电位电化学一氧化碳传感器定电位电化学一氧化碳传感器 二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器l上图是CO传感器的电化学池结构及工作原理示意图。其内是一个装有三个电极的电池，W为工作极，C为对极，R为提供恒定电位。l该电池在恒定电位器产生0.91.1V的恒定电位作用下，在恒电位电池场中，通入CO气体并扩散至工作极时，CO气体发生氧化反应生成CO2；l气体中的氧扩散到对极C处，发生还原反应。二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器l空气中的CO通过扩散方式，进入电化学池，在其中发生电解反应，通过检测电流，进而得到C

47、O浓度。l这类仪器或传感器抗干扰性差，除CH4和CO2基本不参加反应，而NO2、H2、SO2、C2H4、H2S均参加反应，因此，使用时应在其前端加过滤剂，以便对干扰气体加以吸收，提高检测精度。 二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器l一氧化碳和硫化氢检测报警器一氧化碳和硫化氢检测报警器l一氧化碳隔爆传感器，由探头和前置放大器组成，探头是电化学极谱电池。前置放大器电路上的基准电压发生器通过缓冲放大器，给工作电极（测量电极）提供基准电势。基准电势使探头的工作电极相对于参比电极有一个合适的电电势，一氧化碳气体通过隔爆片及探头表面的塑料薄膜，以扩散方式进入探头发生氧化反应时，工作电极释放

48、电子，参比电极获得电子，形成了与一氧化碳浓度成正比的电流（微安级）信号，该信号经过放大后通过屏蔽电缆传送到控制单元的输入放大器。其工作原理如下图。 二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器工作原理框图 二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器实例：实例：MSA580系列硫化氢检测报警器系列硫化氢检测报警器 lMSA580系列硫化氢气体连续检测系统可连续检测工作场所空气中硫化氢气体在0150mg/m3范围内的浓度，并将信号远传输到控制室或值班室。l当空气中硫化氢浓度达到15 mg/m3时发出预报警，达到20 mg/m3时发出报警信号（设定点用户可自行调整）。l信号传输距离

49、可达1.5km。每台仪表可容纳15个单元，可同时监测5个点的空气中的硫化氢气体浓度，其精度为5FS，响应时间小于60S，传感寿命12个月。 二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器（5）风门开关状态风门开关状态传感器传感器工作原理工作原理: : KGE12系列风门传感器是一种磁性驱动的接近开关，它将触发磁铁装在风门上，而把开关组件安装在对应的门框上。 当风门关闭时，触发磁钢紧靠开关组件，由磁力产生的磁场使开关组件维持闭合（或断开）状态，这时由舌簧开关输出一闭合（或断开）信号给监测系统分站或向地面传输信号的载波设备，经数据线在地面中心站或模拟盘显示风门“关”状态。 当风门打开时，触发

50、磁钢离开了舌簧开关，开关组件即输出一断开（或闭合）信号给监测系统让或向地面传输信号的载波设备，经数据线在地面中心站模拟盘或矿井监控系统显示风门“开”状态。 二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器产品性能产品性能: :防爆型式：矿用本质安全型。防爆标志：ExibI（150）使用环境温度：-5+40；输入电源：DC1024V；动作距离：不小于30 mm，不大于70 mm 防护等级：IP54；信号输出型式：型：一组转换接点，型：恒流-5mA/+5mA，型：恒流0/5mA。输出信号传输距离：2Km；外型尺寸mm：开关组件：1385231；触发磁钢：1385231；触发磁钢材质：氧化物磁钢

51、；触发磁钢特点：抗老化、抗杂散磁场、全密封；开关组件及触发磁钢两侧各有二安装孔，用来精确调整开关组件和触发磁钢的距离。 二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器（6 6）机电设备开停状态）机电设备开停状态传感器传感器 矿用机电设备开停传感器主要用于监测煤矿井下各种机电设备（如采煤机、运输机、提升机、粉碎机、局站、泵站、风机等）的开停状态，并把检测到的设备开停信号转换成标准信号传输给矿井监测系统，实现煤矿主要机电设备的集中自动监测，随时全面了解全矿的生产，工作状况。 二、矿用环境监测主要传感器二、矿用环境监测主要传感器 KGT9型开/停传感器系矿用本质安全型设备，利用测定磁场的方式，间接的测定设备的工作状态。该传感器把检测到的开/停信号以5mA的恒流或一继电器触点信号的形式传输给监测分站。主要技术指标主要技术指标 供电电源： 本安型 15V DC 最大工作电流： 30mA 使用环境： 温