煤矿安全监测监控技术5传感器课件

1、煤矿安全监测监控技术5传感器 5 矿用传感器矿用传感器 5.1 传感器基本知识传感器基本知识 矿井安全生产至关重要。井下哪些参数需矿井安全生产至关重要。井下哪些参数需要监测要监测.怎样利用传感器进行监测。怎样利用传感器进行监测。煤矿安全监测监控技术5传感器 5.1.1矿井环境参数的监测矿井环境参数的监测 煤矿井下各种有用、有害气体及温度和湿煤矿井下各种有用、有害气体及温度和湿度等参数，都属于环境参数。及时掌握这度等参数，都属于环境参数。及时掌握这些参数的变化规律，对矿井安全生产是必些参数的变化规律，对矿井安全生产是必不可少的。不可少的。 矿井环境参数是一些非电量的物理量，这矿井环境参数是一些非

2、电量的物理量，这些物理量不宜直接显示、远传、放大和处些物理量不宜直接显示、远传、放大和处理。实用中，采用各种传感器将这些非电理。实用中，采用各种传感器将这些非电量转换为电量学，再利用各种电子设备和量转换为电量学，再利用各种电子设备和技术手段，进行必要的处理，然后再传输技术手段，进行必要的处理，然后再传输到监控系统中。到监控系统中。煤矿安全监测监控技术5传感器 矿井环境参数主要有：甲烷浓度、氧气浓矿井环境参数主要有：甲烷浓度、氧气浓度、粉尘浓度、井巷硐室和工作面温度、度、粉尘浓度、井巷硐室和工作面温度、风量与负压、一氧化碳、二氧化碳、二氧风量与负压、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫和硫化氢等。还有顶

3、板活动状态、地化硫和硫化氢等。还有顶板活动状态、地层构造、水文情况等。层构造、水文情况等。 这些环境参数都与井下安全生产息息相关，这些环境参数都与井下安全生产息息相关，必须纳入安全监控系统，实行实时有效地必须纳入安全监控系统，实行实时有效地监控。监控。 煤矿安全监测监控技术5传感器 5.1.3传感器基本概念传感器基本概念 5.1.3.1 传感器传感器 传感器是将被测物理量传输或转换为同种传感器是将被测物理量传输或转换为同种或别种物理量的检测装置。因此，有时把或别种物理量的检测装置。因此，有时把传感器称为变换器或换能器。传感器称为变换器或换能器。 5.1.3.2 传感器的组成传感器的组成 传感器

4、一般有检测变换元件、参数处理电传感器一般有检测变换元件、参数处理电路、显示装置、传输信号接口等单元组成。路、显示装置、传输信号接口等单元组成。通常都需要有电源参与，如图所示。通常都需要有电源参与，如图所示。煤矿安全监测监控技术5传感器、接煤矿安全监测监控技术5传感器 1.检测、变换元件检测、变换元件 直接触及和感受被测物理量的元件，其直接触及和感受被测物理量的元件，其输出信号与被测参数构成某种确定的关系，输出信号与被测参数构成某种确定的关系，并以所输出的信号表示被测参数的实际量并以所输出的信号表示被测参数的实际量值和状态。检测、变换元件按变换方式可值和状态。检测、变换元件按变换方式可分为直接变

5、换和间接变换两种。分为直接变换和间接变换两种。 1）直接变换式。将检测到的非电量直接变）直接变换式。将检测到的非电量直接变换为电量输出的，称为直接变换式检测元换为电量输出的，称为直接变换式检测元件。如：热电阻可将温度变成电阻信号，件。如：热电阻可将温度变成电阻信号，热电偶可将温度直接变换为电压信号等等。热电偶可将温度直接变换为电压信号等等。煤矿安全监测监控技术5传感器 2）间接变换式。输入为非电量而输出仍然）间接变换式。输入为非电量而输出仍然是非电量，只有再经变换才能获得电量信是非电量，只有再经变换才能获得电量信号，称为间接变换式检测元件。如：井下号，称为间接变换式检测元件。如：井下测压用的差

6、压膜盒式传感器，以及膜片或测压用的差压膜盒式传感器，以及膜片或波纹管，它是先将压力数据变换为位移值，波纹管，它是先将压力数据变换为位移值，之后再将位移值信号变换为电量输出。之后再将位移值信号变换为电量输出。煤矿安全监测监控技术5传感器 2.参数调节电路参数调节电路 检测元件输出的信号较小，不能直接推检测元件输出的信号较小，不能直接推动显示器或执行机构。需经调节电路处理动显示器或执行机构。需经调节电路处理后，才能送入显示或执行单元。后，才能送入显示或执行单元。 常用的调节电路包括：电桥电路、激励常用的调节电路包括：电桥电路、激励原、放大、滤波、隔离、线性化、阻抗变原、放大、滤波、隔离、线性化、阻

7、抗变换、电平变换以及各种类型的计算处理等换、电平变换以及各种类型的计算处理等单元电路组成。单元电路组成。煤矿安全监测监控技术5传感器 3.显示器显示器 1）指示式显示器又称模拟显示器，被测量）指示式显示器又称模拟显示器，被测量值的大小用标尺、指针等指示出来。有的值的大小用标尺、指针等指示出来。有的还带有绘图机构，能将被测量的数值以曲还带有绘图机构，能将被测量的数值以曲线形式绘制出来。线形式绘制出来。 2）数字显示多用液晶或数码管显示。如：）数字显示多用液晶或数码管显示。如：用七段数码管显示甲烷或一氧化碳浓度等。用七段数码管显示甲烷或一氧化碳浓度等。还可附有打印机打印数据，直至与计算机还可附有打

8、印机打印数据，直至与计算机联用。联用。煤矿安全监测监控技术5传感器 3）屏幕显示器。这是靠电视屏幕显示被测）屏幕显示器。这是靠电视屏幕显示被测量数值的装置，可以同时显示多个被测量量数值的装置，可以同时显示多个被测量值及其变化规律（曲线或表格），非常有值及其变化规律（曲线或表格），非常有利于被测量值的比较和分析。利于被测量值的比较和分析。煤矿安全监测监控技术5传感器 4.传输信道传输信道 各种传感器采集到的数据，需经电缆或各种传感器采集到的数据，需经电缆或光缆等传输媒体传送到监控系统的各个环光缆等传输媒体传送到监控系统的各个环节。这些数据通常是以电压、电流或频率节。这些数据通常是以电压、电流或频

9、率等信号的形式被传送的。为防止传送信号等信号的形式被传送的。为防止传送信号过程中的干扰，现代监控系统中多采用抗过程中的干扰，现代监控系统中多采用抗干扰能力强的数字信号进行传输。干扰能力强的数字信号进行传输。 传输信道对传输信号影响较大，因此，传输信道对传输信号影响较大，因此，在选择信道有关参数时，要匹配得当，否在选择信道有关参数时，要匹配得当，否则，可能会导致信号失真和灵敏度降低等则，可能会导致信号失真和灵敏度降低等严重故障。严重故障。煤矿安全监测监控技术5传感器 5.1.4传感器的主要技术指标传感器的主要技术指标 5.1.4.1精度精度 由于任何实际的传感器都存在测量误差，由于任何实际的传感

10、器都存在测量误差，故其测量值只能是被测物理量近似值。为故其测量值只能是被测物理量近似值。为衡量传感器测量值和被测物理量真实值的衡量传感器测量值和被测物理量真实值的接近程度，引入了精度概念。接近程度，引入了精度概念。 精度包括精密度和精确度两个概念。随机精度包括精密度和精确度两个概念。随机误差是衡量精密度的标志。系统误差则是误差是衡量精密度的标志。系统误差则是衡量准确度的标志。精度高的传感器，其衡量准确度的标志。精度高的传感器，其测量值与真实值的接近程度越好。测量值与真实值的接近程度越好。煤矿安全监测监控技术5传感器 5.1.4.2量程（测量范围）量程（测量范围） 量程是指传感器在不超过规定精确

11、度时量程是指传感器在不超过规定精确度时的测量范围。也可用传感器允许测量值的的测量范围。也可用传感器允许测量值的上、下限末表示。如：低浓度甲烷传感器上、下限末表示。如：低浓度甲烷传感器的量程为的量程为04.0%，风速传感器的量程为，风速传感器的量程为0.315M/S等。使用时，测量值不得超过量等。使用时，测量值不得超过量程范围。否则，会产生较大测量误差，甚程范围。否则，会产生较大测量误差，甚至损坏传感器。至损坏传感器。煤矿安全监测监控技术5传感器 5.1.4.3迟滞（也称回差）迟滞（也称回差） 受物理惯性等原因影响，传感器在输入量受物理惯性等原因影响，传感器在输入量X增大（正行程）或减小（反行程

12、）时，对增大（正行程）或减小（反行程）时，对应同一输入值的输出值是不同的。为表示应同一输入值的输出值是不同的。为表示同一个输入值所对应的上、下两行程测量同一个输入值所对应的上、下两行程测量值曲线的不重合程度。引入了迟滞这一概值曲线的不重合程度。引入了迟滞这一概念。念。 煤矿安全监测监控技术5传感器 5.1.4.4重复性重复性 在相同测试条件下，按同一方向（正行程在相同测试条件下，按同一方向（正行程或反行程）连续多次检验时，其多次检验或反行程）连续多次检验时，其多次检验出的多个输出值相互间的一致程度，称为出的多个输出值相互间的一致程度，称为传感器的重复性。传感器的重复性。 煤矿安全监测监控技术5

13、传感器 5.1.4.5线性度线性度 理想的传感器，其输入和输出之间应是线理想的传感器，其输入和输出之间应是线性关系。但实用中的传感器，输入和输出性关系。但实用中的传感器，输入和输出之间不是理想的直线，而是一条变化程度之间不是理想的直线，而是一条变化程度不同的曲线。不同的曲线。 煤矿安全监测监控技术5传感器 5.1.4.6敏感度敏感度 敏感度反映传感器对被测物理量的变化程敏感度反映传感器对被测物理量的变化程度。度。 煤矿安全监测监控技术5传感器 5.1.4.7分辨率、阈值和过载分辨率、阈值和过载 传感器能够检测出被测信号的最小增量，传感器能够检测出被测信号的最小增量，称为该传感器的分辨率。如：某

14、温度传感称为该传感器的分辨率。如：某温度传感器量程是器量程是 -5099.9，其分辨率是，其分辨率是0.1。 阈值：能引起传感器输出的被测物理量最阈值：能引起传感器输出的被测物理量最小变化值，称为传感器的阈值。小变化值，称为传感器的阈值。 过载：在不致引起规定性能指标永久改变过载：在不致引起规定性能指标永久改变的前提下，允许传感器超过测量范围的能的前提下，允许传感器超过测量范围的能力，称为过载。力，称为过载。 煤矿安全监测监控技术5传感器 5.1.4.8漂移漂移 传感器输入传感器输入/输出特性，随某些外界因素输出特性，随某些外界因素影响而出现缓慢变化的现象，称为飘移。影响而出现缓慢变化的现象，

15、称为飘移。对于采用电桥电路的传感器，零点飘移是对于采用电桥电路的传感器，零点飘移是仪器主要性能指标之一。仪器主要性能指标之一。煤矿安全监测监控技术5传感器 5.1.4.9传递滞后时间（时滞）传递滞后时间（时滞） 从输入信号发生变化的瞬间开始到所引起从输入信号发生变化的瞬间开始到所引起的输出量变化瞬间为止，这段时间间隔叫的输出量变化瞬间为止，这段时间间隔叫时滞。在时滞阶段，动态误差最大，并一时滞。在时滞阶段，动态误差最大，并一直持续到时滞结束，因此，时滞值越小越直持续到时滞结束，因此，时滞值越小越好。好。 甲烷传感器的响应时间较长，它的时滞值甲烷传感器的响应时间较长，它的时滞值就大，有时甚至达到

16、安全监控指标不允许就大，有时甚至达到安全监控指标不允许的状况。的状况。煤矿安全监测监控技术5传感器 5.1.5传感器的供电方式传感器的供电方式 矿用传感器经历了蓄电池或干电池供电，矿用传感器经历了蓄电池或干电池供电，以及自带整流器供电等几种供电方式，经以及自带整流器供电等几种供电方式，经实践证明，都存在某些缺陷。到目前为止，实践证明，都存在某些缺陷。到目前为止，大部分监控系统，都采用由分站中专为传大部分监控系统，都采用由分站中专为传感器的供电而设置的稳压型或恒流型直流感器的供电而设置的稳压型或恒流型直流电源供电。为保证可靠供电，电源供电。为保证可靠供电，规程规程规规定，在各种供电电源装置中，必

17、须设置能定，在各种供电电源装置中，必须设置能满足当井下交流电停电时，能保证传感器满足当井下交流电停电时，能保证传感器持续工作持续工作2小时的备用蓄电池电源。小时的备用蓄电池电源。煤矿安全监测监控技术5传感器 由于为传感器供电的电源是本安电源，其由于为传感器供电的电源是本安电源，其输出功率受本安指标上限值的限制，不能输出功率受本安指标上限值的限制，不能突破。因此，实际工作中存在一些不好解突破。因此，实际工作中存在一些不好解决的问题。决的问题。 经安全监控培训班问卷调查，各局、矿提经安全监控培训班问卷调查，各局、矿提出的问题是：传感器的供电距离问题。出的问题是：传感器的供电距离问题。 监控系统生产

18、厂家使用说明书中保证，传监控系统生产厂家使用说明书中保证，传感器供电距离为感器供电距离为2KM。实际使用中达不到。实际使用中达不到2KM就不能正常工作了。就不能正常工作了。煤矿安全监测监控技术5传感器 此种现象的出现，如果传输电缆截面和导此种现象的出现，如果传输电缆截面和导线材质无问题，则可能因素是：线材质无问题，则可能因素是： 1）传输电缆接头太多，或接头接触电阻太）传输电缆接头太多，或接头接触电阻太大大 2）稳压电源的输出电压，低于规定值。）稳压电源的输出电压，低于规定值。 3）传感器因为内部发生故障（如元件损坏）传感器因为内部发生故障（如元件损坏或传感器内部进水等），导致传感器电流或传感

19、器内部进水等），导致传感器电流大于其规定电流。大于其规定电流。煤矿安全监测监控技术5传感器 上述问题的解决办法是：上述问题的解决办法是： 1）在不超出本安电源上限指标的前提下，）在不超出本安电源上限指标的前提下，提高本安电源输出电压。提高本安电源输出电压。 2）更换低功耗（小电流）的传感器。）更换低功耗（小电流）的传感器。 3）更换大截面的传输电缆）更换大截面的传输电缆 。煤矿安全监测监控技术5传感器 5.1.6传感器的输出信号传感器的输出信号 传感器中的敏感元件将非电量变换为电传感器中的敏感元件将非电量变换为电信号，再经过放大、滤波、转换和处理等信号，再经过放大、滤波、转换和处理等环节，然后

20、将这一有用信号，从输出端输环节，然后将这一有用信号，从输出端输出。它输出的电信号，可以是诸多类型电出。它输出的电信号，可以是诸多类型电信中的一种。各种电信号都有其自身的特信中的一种。各种电信号都有其自身的特性，如：有的信号适合远传，有的信号抗性，如：有的信号适合远传，有的信号抗干扰能力强等等。绝大部分电信号都是可干扰能力强等等。绝大部分电信号都是可以用示波器观察到的。电信号随时间按何以用示波器观察到的。电信号随时间按何种规律变化（即波形图），是我们研究其种规律变化（即波形图），是我们研究其性能和查寻各类故障的可靠依据。性能和查寻各类故障的可靠依据。煤矿安全监测监控技术5传感器 安全监控系统或任

21、何一个自控系统，包括安全监控系统或任何一个自控系统，包括电脑在内，都是各种电信号在实体电路，电脑在内，都是各种电信号在实体电路，（包括芯片、阻容元件和导线等）中的有（包括芯片、阻容元件和导线等）中的有序传递和变换而工作的。序传递和变换而工作的。煤矿安全监测监控技术5传感器 电信号虽可瞬息万变，但却有其固有变化电信号虽可瞬息万变，但却有其固有变化规律。也就是，它只能按照预先设计好的规律。也就是，它只能按照预先设计好的规律，有条不紊地进行规律，有条不紊地进行“表演表演”。 为了保障各种电子控制系统正常可靠地运为了保障各种电子控制系统正常可靠地运行，对各种电信号，要以行业标准加以规行，对各种电信号，

22、要以行业标准加以规范。范。煤矿安全监测监控技术5传感器 5.1.6.1常用名词术语常用名词术语 从通信领域到自动控制系统，直至广播电从通信领域到自动控制系统，直至广播电视系统，有许多名词术语，使用频率很高，视系统，有许多名词术语，使用频率很高，这些名词术语又很难找到确切的定义。为这些名词术语又很难找到确切的定义。为便于学习，下面对其予以解释。便于学习，下面对其予以解释。 1）电信号、开关量、模拟量）电信号、开关量、模拟量 电信号，平时泛称信号。它几乎是电子信电信号，平时泛称信号。它几乎是电子信息领域中的息领域中的“万金油万金油”式的名词。人们很式的名词。人们很少追究其词义的严密性，只要意思与其

23、接少追究其词义的严密性，只要意思与其接近，就要用信号一词表叙。近，就要用信号一词表叙。 煤矿安全监测监控技术5传感器 模拟信号用来传送模拟量。模拟二字有模模拟信号用来传送模拟量。模拟二字有模仿拟似之意。仿拟似之意。“模拟电子技术模拟电子技术”是一门主是一门主要课程。模拟信号的突出特点是连续性变要课程。模拟信号的突出特点是连续性变化。模拟量的大小，即可用频率型信号表化。模拟量的大小，即可用频率型信号表示，也可用数字信号表示。示，也可用数字信号表示。 开关信号载送开关量信息。开关量可用二开关信号载送开关量信息。开关量可用二进制中的（进制中的（1或或0）来表示）来表示“开开”或或“关关”，并将这种反

24、映开关量状态的信号称为数字并将这种反映开关量状态的信号称为数字信号。信号。煤矿安全监测监控技术5传感器 数字信号的特征是：以断续、离散和脉冲数字信号的特征是：以断续、离散和脉冲形式出现。数字信号中只有形式出现。数字信号中只有“0”（代表低（代表低电平）和电平）和“1”（代表高电平）两个代码。（代表高电平）两个代码。这这“0”和和“1”两个二进制代码，它是电脑两个二进制代码，它是电脑中最小的中最小的“信息细胞信息细胞”。计算机的任何一。计算机的任何一种强大功能都是由它组合、演变出来的。种强大功能都是由它组合、演变出来的。煤矿安全监测监控技术5传感器 2）开关接点）开关接点 开关的机械接点和半导体

25、器件，均可实现开关的机械接点和半导体器件，均可实现开关信号的输出。接点可分为有源接点和开关信号的输出。接点可分为有源接点和无源接点。无论是有源接点和无源接点，无源接点。无论是有源接点和无源接点，其输出端的短路电流和灌入电流均应不大其输出端的短路电流和灌入电流均应不大于于20mA，为此而设置的限流措施应加在供，为此而设置的限流措施应加在供此电流的那一侧电路中。此电流的那一侧电路中。煤矿安全监测监控技术5传感器 为了规范监控系统中电信号的标准，使系为了规范监控系统中电信号的标准，使系统能够安全可靠地正常工作，对有源接点统能够安全可靠地正常工作，对有源接点提出以下约束条件：提出以下约束条件： 在输出

26、电流为在输出电流为2mA时，有源接点输出的高时，有源接点输出的高电平电压不应小于电平电压不应小于+3V，低电平电压应不大，低电平电压应不大于于+0.5V。 在灌入电流为在灌入电流为2mA时，无源接点输出的截时，无源接点输出的截止状态的漏电阻应不小于止状态的漏电阻应不小于100K，导通状态，导通状态的电压降应不大于的电压降应不大于+0.5V。煤矿安全监测监控技术5传感器 5.1.6.2电压型、电流型和频率型模拟信号电压型、电流型和频率型模拟信号 1、电压型、电压型 被测物理量的变化以电压模拟信号的相应被测物理量的变化以电压模拟信号的相应变化来表示。电压模拟信号为变化来表示。电压模拟信号为15V。

27、模拟。模拟信号可以是直流或交流，可以是电压或电信号可以是直流或交流，可以是电压或电流。信号的范围下限值可以从零开始，也流。信号的范围下限值可以从零开始，也可以从某一数值开始。采用直流信号在传可以从某一数值开始。采用直流信号在传输过程中容易和交流感应的干扰信号相区输过程中容易和交流感应的干扰信号相区别，而且不存在相移和不受传输线中电感、别，而且不存在相移和不受传输线中电感、电容的影响，因此，国际上多采用直流电电容的影响，因此，国际上多采用直流电压和电流信号。压和电流信号。煤矿安全监测监控技术5传感器 关于上下限值，以关于上下限值，以20mA（井下为（井下为5mA）（或（或5V）为满度，满度的）为

28、满度，满度的20为为4mA（或（或1V）表示零信号，称为）表示零信号，称为“活零点活零点”，可方，可方便的识别仪表断线、断电等故障，而且变便的识别仪表断线、断电等故障，而且变送器内部放大器需要一定的偏流（压）才送器内部放大器需要一定的偏流（压）才能工作。下限为零则无法工作，电压或电能工作。下限为零则无法工作，电压或电流太小，产生的电磁力也小，精度就差。流太小，产生的电磁力也小，精度就差。这就是这就是“活零点活零点”采用较多的主要原因。采用较多的主要原因。煤矿安全监测监控技术5传感器 2、电流型、电流型 采用电流型模拟信号来表达被测物理量采用电流型模拟信号来表达被测物理量的变化过程。电流型模拟信

29、号为的变化过程。电流型模拟信号为15mA（优选）和（优选）和420mA（用于地面）。（用于地面）。 煤矿安全监测监控技术5传感器 3、频率型、频率型 频率型模拟信号的频率随被测物理量的变化而变频率型模拟信号的频率随被测物理量的变化而变化。频率型模拟信号按一般规范要求，应满足以化。频率型模拟信号按一般规范要求，应满足以下几项：下几项： （1）频率范围为：）频率范围为：2001000Hz（优选）（优选） （2）在整个频率范围内其正脉冲的宽度均不得）在整个频率范围内其正脉冲的宽度均不得小于小于0.3ms。以防因脉冲持续时间太短，电路来。以防因脉冲持续时间太短，电路来不及响应，而失灵。不及响应，而失灵

30、。 （3）有源输出和无源输出，对高低电平和漏电）有源输出和无源输出，对高低电平和漏电阻的要求，与前叙有源接点和无源接点相同。阻的要求，与前叙有源接点和无源接点相同。 （4）频率型信号下限不为）频率型信号下限不为0，同样为了满足，同样为了满足“活活零点零点”要求。要求。煤矿安全监测监控技术5传感器 频率型模拟信号的特点频率型模拟信号的特点 （1）频率信号是单位时间内脉冲个数的多）频率信号是单位时间内脉冲个数的多少来表示被测物理量的大小，只要脉冲幅少来表示被测物理量的大小，只要脉冲幅度不是太低，就不会影响信号的正常接收。度不是太低，就不会影响信号的正常接收。 （2）当频率型信号，在传输过程中因受干

31、）当频率型信号，在传输过程中因受干扰而导致脉冲个数增加或减少时，所带来扰而导致脉冲个数增加或减少时，所带来的相对误差为单位时间内增减的脉冲数与的相对误差为单位时间内增减的脉冲数与所传输脉冲数的比值。所以影响并不大。所传输脉冲数的比值。所以影响并不大。煤矿安全监测监控技术5传感器 （3）频率信号的接收是一个积分过程，在）频率信号的接收是一个积分过程，在一个周期内是因受干扰而增加的脉冲数与一个周期内是因受干扰而增加的脉冲数与减少脉冲数的差值。减少脉冲数的差值。 （4）频率型信号可采用廉价的光电耦器进）频率型信号可采用廉价的光电耦器进行本质安全的防爆隔离。行本质安全的防爆隔离。 由于频率型信号具有以

32、上优点，所以，模由于频率型信号具有以上优点，所以，模拟信号宜优选频率型。拟信号宜优选频率型。煤矿安全监测监控技术5传感器 5.2监控系统用传感器监控系统用传感器 5.2.1甲烷传感器甲烷传感器 5.2.1.1 甲烷传感器传感元件工作原理概述甲烷传感器传感元件工作原理概述 被测物理量是通过传感器中的传感元件转被测物理量是通过传感器中的传感元件转换、检测出来的。用于煤矿监测甲烷浓度换、检测出来的。用于煤矿监测甲烷浓度变化的传感元件主要有以下几种类型。变化的传感元件主要有以下几种类型。煤矿安全监测监控技术5传感器 5.2.1.2铂丝传感元件铂丝传感元件 铂丝是一种电阻材料，其电阻温度系数很铂丝是一种

33、电阻材料，其电阻温度系数很高。在一定温度范围内，铂的电阻随温度高。在一定温度范围内，铂的电阻随温度变化十分明显。变化十分明显。煤矿安全监测监控技术5传感器 3、铂丝传感元件检测甲烷工作原理、铂丝传感元件检测甲烷工作原理 1）元件结构和工作原理）元件结构和工作原理 按规定的技术要求，将细铂丝绕制在耐高按规定的技术要求，将细铂丝绕制在耐高温的石英骨架上，并加以固定和罩盖，即温的石英骨架上，并加以固定和罩盖，即构成了检测元件。构成了检测元件。煤矿安全监测监控技术5传感器 工作时，在铂丝中首先通入一个稳定的工工作时，在铂丝中首先通入一个稳定的工作电流，使沼气与氧气在铂丝的周围产生作电流，使沼气与氧气在

34、铂丝的周围产生氧化反应，氧化时释放出大量的热能使铂氧化反应，氧化时释放出大量的热能使铂丝温度上升到起燃温度（丝温度上升到起燃温度（900左右），铂左右），铂丝周围达到稳定燃烧。当沼气浓度发生变丝周围达到稳定燃烧。当沼气浓度发生变化时，因释放热能变化导致铂丝温度也变化时，因释放热能变化导致铂丝温度也变化，当然也就造成电铂丝电阻值的变化，化，当然也就造成电铂丝电阻值的变化，铂丝电阻值的改变，又使元件输出电压铂丝电阻值的改变，又使元件输出电压（或电流）值作相应变化。测量这一输出（或电流）值作相应变化。测量这一输出电压或电流值，便可测出沼气浓度的数值。电压或电流值，便可测出沼气浓度的数值。煤矿安全监测

35、监控技术5传感器 因铂丝的电阻率可达因铂丝的电阻率可达9.81/m，且其电阻，且其电阻系数也较大，因此，在高温条件下，只要系数也较大，因此，在高温条件下，只要浓度稍微改变，就会导致铂丝电阻值灵敏浓度稍微改变，就会导致铂丝电阻值灵敏的发生变化。这就是铂丝传感元件分辨力的发生变化。这就是铂丝传感元件分辨力强和灵敏度高的优点。这也是铂丝传感元强和灵敏度高的优点。这也是铂丝传感元件在低浓度甲烷检测中获得广泛应用的原件在低浓度甲烷检测中获得广泛应用的原因。因。煤矿安全监测监控技术5传感器 2）性能特点。）性能特点。 铂丝传感器元件不但对甲烷浓度变化反应铂丝传感器元件不但对甲烷浓度变化反应灵敏，而且还具有

36、耐氧化、抗毒性能好的灵敏，而且还具有耐氧化、抗毒性能好的优点。波兰和法国长期使用纯铂丝作为传优点。波兰和法国长期使用纯铂丝作为传感器的检出元件，取得了较好的结果。感器的检出元件，取得了较好的结果。煤矿安全监测监控技术5传感器 铂丝元件虽有上述优点，但是在还原性介铂丝元件虽有上述优点，但是在还原性介质中连续工作时，尤其在高温条件下工作，质中连续工作时，尤其在高温条件下工作，很容易被还原出来的气体所沾染，从而使很容易被还原出来的气体所沾染，从而使铂丝变脆和变细，改变了元件电阻与温度铂丝变脆和变细，改变了元件电阻与温度的对应关系，导致传感器发生零点漂移和的对应关系，导致传感器发生零点漂移和精度降低，

37、进而还会大大降低元件使用寿精度降低，进而还会大大降低元件使用寿命。此缺陷阻碍了该元件的推广。为弥补命。此缺陷阻碍了该元件的推广。为弥补这一不足，法国生产的传感器，采用时分这一不足，法国生产的传感器，采用时分制脉冲电源，利用断续的通电方法，提高制脉冲电源，利用断续的通电方法，提高了元件的寿命。了元件的寿命。煤矿安全监测监控技术5传感器 5.2.1.3载体催化燃烧式传感元件载体催化燃烧式传感元件 我国和美、英、日等国家，大量使用载体我国和美、英、日等国家，大量使用载体催化燃烧式传感元件。此类元件的特点是催化燃烧式传感元件。此类元件的特点是体积小，功耗低，结构简单，性能较稳定体积小，功耗低，结构简单

38、，性能较稳定和使用寿命长。到目前为止，它仍然是国和使用寿命长。到目前为止，它仍然是国内检测甲烷的主要传感元件。内检测甲烷的主要传感元件。煤矿安全监测监控技术5传感器 1、结构、结构 载体热催化元件是在细铂丝绕制的小螺旋载体热催化元件是在细铂丝绕制的小螺旋线圈上包裹一层多孔结构的氧化物体，然线圈上包裹一层多孔结构的氧化物体，然后在其表面涂镀一层黑色铂族元素构成的。后在其表面涂镀一层黑色铂族元素构成的。 煤矿安全监测监控技术5传感器 1）铂丝线圈）铂丝线圈 它是用铂丝绕成的螺旋状的小线圈。正常工作时它是用铂丝绕成的螺旋状的小线圈。正常工作时首先通入几十至几百毫安的电流，使催化剂加热，首先通入几十至

39、几百毫安的电流，使催化剂加热，并达到起燃温度，进而利用铂丝电阻值随催化剂并达到起燃温度，进而利用铂丝电阻值随催化剂温度而改变的特性，测出铂丝电阻的增量。温度而改变的特性，测出铂丝电阻的增量。 2）载体）载体 铂丝线圈以骨架形式被氧化铝包围，这个氧化物铂丝线圈以骨架形式被氧化铝包围，这个氧化物体称为载体。体称为载体。 为提高催化反应效果，载体被浇注成表面均匀的为提高催化反应效果，载体被浇注成表面均匀的多孔体，它既可牢固的固定铂丝线圈，又能提高多孔体，它既可牢固的固定铂丝线圈，又能提高催化剂的活性和抗毒能力。催化剂的活性和抗毒能力。煤矿安全监测监控技术5传感器 3）催化剂在载体表面涂镀一层黑色的铂

40、族）催化剂在载体表面涂镀一层黑色的铂族金属元素（如、钯、铂、铑等）。这会使金属元素（如、钯、铂、铑等）。这会使甲烷与氧气在催化剂的作用下的起燃温度甲烷与氧气在催化剂的作用下的起燃温度大大降低，可在大大降低，可在300500的较低温度下的较低温度下便可产生强烈的氧化还原反应，即无焰燃便可产生强烈的氧化还原反应，即无焰燃烧。烧。煤矿安全监测监控技术5传感器 5.2.1.4热导式传感元件热导式传感元件 1、热传导及热导率的概念、热传导及热导率的概念 1）热传导）热传导 热能以辐射、对流和传导等形式传播。热传导是热能以辐射、对流和传导等形式传播。热传导是气体、液体和固体都存在的导热现象。气体的热气体、

41、液体和固体都存在的导热现象。气体的热传导速度最低。传导速度最低。 无论任何物体和空间，只要内部存在温度，热量无论任何物体和空间，只要内部存在温度，热量就会由高温处向低温处传导。气体中的热传导是就会由高温处向低温处传导。气体中的热传导是由分子运动实现的，如在某一物体或空间中发生由分子运动实现的，如在某一物体或空间中发生纯粹热传导时则从高温处移至低温处的气体分子纯粹热传导时则从高温处移至低温处的气体分子数，等于从低温处移动到高温处的气体分子数。数，等于从低温处移动到高温处的气体分子数。煤矿安全监测监控技术5传感器 2）热导率）热导率 热导率是热传导速率的简称。气体分子量热导率是热传导速率的简称。气

42、体分子量的大小决定着其导热率的高低，气体分子的大小决定着其导热率的高低，气体分子量越大，其导热率越小，反之越大。由于量越大，其导热率越小，反之越大。由于不同气体物质的分子量不同，所以，不同不同气体物质的分子量不同，所以，不同的气体导热率是不同的。的气体导热率是不同的。 煤矿井下含有一定浓度甲烷的混合气体，煤矿井下含有一定浓度甲烷的混合气体，与不含甲烷的标准空气的导热率是不相同与不含甲烷的标准空气的导热率是不相同的。因此，只要测出含有甲烷的空气的导的。因此，只要测出含有甲烷的空气的导热率，可以测出所对应的甲烷含量。热率，可以测出所对应的甲烷含量。煤矿安全监测监控技术5传感器 5.2.1.5催化燃

43、烧式甲烷传感器催化燃烧式甲烷传感器 载体催化燃烧式甲烷传感器，是我国应用载体催化燃烧式甲烷传感器，是我国应用最广泛的甲烷传感器。最广泛的甲烷传感器。 为测量方便，把对甲烷直接采集和测量的为测量方便，把对甲烷直接采集和测量的部分制作成探头。探头以作为一个独立单部分制作成探头。探头以作为一个独立单元装配在仪器内，也可以单独设置。元装配在仪器内，也可以单独设置。煤矿安全监测监控技术5传感器 引起元件灵敏度变化的主要因素有：引起元件灵敏度变化的主要因素有： 1）由于元件处于高温状态下工作，催化剂）由于元件处于高温状态下工作，催化剂活性物质的粒子会变大，甚至升华为气态活性物质的粒子会变大，甚至升华为气态

44、等。引起元件灵敏度下降。等。引起元件灵敏度下降。 2）催化剂升华时，会导致处于同一气室的）催化剂升华时，会导致处于同一气室的补偿元件吸附微量催化剂，使甲烷能够在补偿元件吸附微量催化剂，使甲烷能够在补偿元件上燃烧，造成参比元件电阻值变补偿元件上燃烧，造成参比元件电阻值变化。使元件灵敏度降低。化。使元件灵敏度降低。煤矿安全监测监控技术5传感器 3）当元件处于高浓度甲烷状态时，因缺氧）当元件处于高浓度甲烷状态时，因缺氧而导致甲烷燃烧不充分，碳粒子会沉积在而导致甲烷燃烧不充分，碳粒子会沉积在催化剂的表面，或催化剂的孔隙中。造成催化剂的表面，或催化剂的孔隙中。造成元件灵敏度下降。元件灵敏度下降。 4）由

45、于氧化铝载体采用多孔结构。当元件）由于氧化铝载体采用多孔结构。当元件长期处于高温情况下，多孔结构的氧化铝长期处于高温情况下，多孔结构的氧化铝逐渐变为刚玉型氧化铝，载体表面积变小。逐渐变为刚玉型氧化铝，载体表面积变小。影响元件的灵敏度。影响元件的灵敏度。煤矿安全监测监控技术5传感器 综合稳定性包括：传感器放大器的稳定性、综合稳定性包括：传感器放大器的稳定性、元件零点的稳定性和灵敏度的稳定性三个元件零点的稳定性和灵敏度的稳定性三个方面，它是传感器最重要的质量指标之一。方面，它是传感器最重要的质量指标之一。通常情况下，以后越来越稳定，但随时间通常情况下，以后越来越稳定，但随时间推移灵敏度在稳定下降，

46、直至下降到正常推移灵敏度在稳定下降，直至下降到正常灵敏度的灵敏度的50时，则认为元件寿命终了。时，则认为元件寿命终了。煤矿安全监测监控技术5传感器 3、响应时间、响应时间 响应时间是指甲烷浓度发生阶跃性变化时，电桥响应时间是指甲烷浓度发生阶跃性变化时，电桥输出信号达到稳定值的输出信号达到稳定值的90时所需要的时间。时所需要的时间。 响应时间应包括：响应时间应包括： 1）甲烷混合气体通过扩散孔，充满气室并到达）甲烷混合气体通过扩散孔，充满气室并到达元件表面的整个扩散过程的时间。元件表面的整个扩散过程的时间。 2）甲烷在催化剂表面燃烧产生热量的时间。）甲烷在催化剂表面燃烧产生热量的时间。 3）使元

47、件升温并稳定所需要的时间。）使元件升温并稳定所需要的时间。 影响响应时间的因素很多，如：元件的尺寸、结影响响应时间的因素很多，如：元件的尺寸、结构、形状、气室的通气方式等，都会对响应时间构、形状、气室的通气方式等，都会对响应时间产生影响。产生影响。煤矿安全监测监控技术5传感器 4、元件中毒、元件中毒 硫化物和硅分子化合物与载体催化剂元件硫化物和硅分子化合物与载体催化剂元件接触，会导致元件中毒。接触，会导致元件中毒。 1）硫化中毒。在元件进行催化反应时，若）硫化中毒。在元件进行催化反应时，若含硫气体进入气室，也同时参与反应，并含硫气体进入气室，也同时参与反应，并生成固体硫化物包围在载体表面，从而

48、引生成固体硫化物包围在载体表面，从而引起元件活性下降。起元件活性下降。 2）有试验数据表明，当硫化氢含量较高时，）有试验数据表明，当硫化氢含量较高时，元件活性迅速下降。元件活性迅速下降。煤矿安全监测监控技术5传感器 3）硅分子中毒。井下电器设备的绝缘材料）硅分子中毒。井下电器设备的绝缘材料多数为含硅材料，在电器设备温度升高时，多数为含硅材料，在电器设备温度升高时，硅材料产生挥发物。硅的分子量较大，若硅材料产生挥发物。硅的分子量较大，若被吸附在元件表面，会阻碍甲烷气体的渗被吸附在元件表面，会阻碍甲烷气体的渗入，并影响氧化反应速度，从而使元件活入，并影响氧化反应速度，从而使元件活性下降，缩短元件使

49、用寿命。性下降，缩短元件使用寿命。煤矿安全监测监控技术5传感器 5、元件的激活、元件的激活 元件遭受高浓度（元件遭受高浓度（5C以上）甲烷冲击后会出现以上）甲烷冲击后会出现激活现象，激活之后，输出值和零点会出现上升激活现象，激活之后，输出值和零点会出现上升和漂移。但这种漂移不会持久，在一段时间内它和漂移。但这种漂移不会持久，在一段时间内它以较快的速度变化着，传感器输出是不稳定的。以较快的速度变化着，传感器输出是不稳定的。激活现象会严重影响传感器的测量精度。应该注激活现象会严重影响传感器的测量精度。应该注意的是，激活现象多数发生在长期工作活性开始意的是，激活现象多数发生在长期工作活性开始下降的元

50、件上，而且，是在较短时间内接触高浓下降的元件上，而且，是在较短时间内接触高浓度甲烷，若接触高浓度甲烷的时间较长，元件不度甲烷，若接触高浓度甲烷的时间较长，元件不仅不发生激活，还会使活性下降。仅不发生激活，还会使活性下降。煤矿安全监测监控技术5传感器 5.2.2风速传感器风速传感器 了解风速传感器工作原理，掌握使用方法了解风速传感器工作原理，掌握使用方法和维修技术，是矿井通风工作中不可缺少和维修技术，是矿井通风工作中不可缺少的重要内容。的重要内容。 目前，各矿使用的风速传感器品种较多，目前，各矿使用的风速传感器品种较多，但基本工作原理相同，现就煤矿通风系统但基本工作原理相同，现就煤矿通风系统中常

51、用的几种风速传感器进行分析。中常用的几种风速传感器进行分析。煤矿安全监测监控技术5传感器 5.2.2.1超声波漩涡式风速传感器超声波漩涡式风速传感器 这是一种利用穿过风流的超声波束被气流这是一种利用穿过风流的超声波束被气流漩涡调制的原理，来测量漩涡列的频率，漩涡调制的原理，来测量漩涡列的频率，实现对风速的测量的。实现对风速的测量的。煤矿安全监测监控技术5传感器 超声波风速传感器具有如下优点：超声波风速传感器具有如下优点： 1）因无运动部件，故无机械磨损，使用寿）因无运动部件，故无机械磨损，使用寿命长。命长。 2）测量显示值是与风速成正比的频率信号，）测量显示值是与风速成正比的频率信号，无零点漂

52、移，且敏感元件灵敏度变化不会无零点漂移，且敏感元件灵敏度变化不会影响输出，测量精度高。影响输出，测量精度高。 3）测量结果不受流体特性（温度、湿度、）测量结果不受流体特性（温度、湿度、压力、密度、矿尘等）影响。压力、密度、矿尘等）影响。 4）响应迅速。）响应迅速。煤矿安全监测监控技术5传感器 5.2.2.2超声波时差法风速传感器超声波时差法风速传感器 此种传感器适用于测量巷道平均风速，故此种传感器适用于测量巷道平均风速，故测量时不需将任何阻力体引入通风断面，测量时不需将任何阻力体引入通风断面，因此能反应原有的真实情况。因此能反应原有的真实情况。煤矿安全监测监控技术5传感器 5.2.2.3光电与

53、干簧管型叶轮式风速传感器光电与干簧管型叶轮式风速传感器 叶轮式风表是井下测风常用仪表。叶轮风叶轮式风表是井下测风常用仪表。叶轮风速传感器是利用叶轮转速正比于风速的原速传感器是利用叶轮转速正比于风速的原理工作的。叶轮的轴承长期旋转会导致磨理工作的。叶轮的轴承长期旋转会导致磨损，所以应定期进行校正。应用光电计数损，所以应定期进行校正。应用光电计数原理，可以实现巷道风量的连续监测。原理，可以实现巷道风量的连续监测。煤矿安全监测监控技术5传感器 5.2.3一氧化碳（一氧化碳（CO）传感器）传感器 5.2.3.1电化学一氧化碳传感器电化学一氧化碳传感器 各种物质在氧化还原时都有一定的氧化还原电位，各种物

54、质在氧化还原时都有一定的氧化还原电位，CO的氧化还原电位是的氧化还原电位是0.91.1v，在还原电位条件，在还原电位条件下，下，CO可氧化还原成可氧化还原成CO2。根据这一原理，氧化。根据这一原理，氧化还原过程必然会产生离子电流，因此，只要测出还原过程必然会产生离子电流，因此，只要测出离子电流的大小，即可测算出离子电流的大小，即可测算出CO的浓度值。采用的浓度值。采用这一原理研制的这一原理研制的CO连续监测式传感器，在美、英、连续监测式传感器，在美、英、德、法和日本等国，均已取得较好的应用效果。德、法和日本等国，均已取得较好的应用效果。我国自行研制的我国自行研制的KG3002型连续监测传感器，

55、在型连续监测传感器，在KJ系列安全监控系统中得到了广泛使用。系列安全监控系统中得到了广泛使用。煤矿安全监测监控技术5传感器 5.2.4温度传感器温度传感器 温度传感器在矿井安全监控系统中占有重温度传感器在矿井安全监控系统中占有重要地位。无论井下环境温度，还是重要电要地位。无论井下环境温度，还是重要电气设备的温度都需要及时监测。矿用温度气设备的温度都需要及时监测。矿用温度传感器有热电偶、热敏电阻、半导体、红传感器有热电偶、热敏电阻、半导体、红外光和光纤式等。外光和光纤式等。煤矿安全监测监控技术5传感器 5.2.5其他传感器其他传感器 煤矿安全生产监控系统中，除了甲烷、一煤矿安全生产监控系统中，除

56、了甲烷、一氧化碳和风速等主要传感器外，还要对局氧化碳和风速等主要传感器外，还要对局部扇风机运行状态、主扇风机通风负压、部扇风机运行状态、主扇风机通风负压、风门状态、瓦斯抽放泵抽放负压、采掘工风门状态、瓦斯抽放泵抽放负压、采掘工作面氧气浓度和机电设备开作面氧气浓度和机电设备开/停运行状态等停运行状态等安全生产信息进行监视。安全生产信息进行监视。 煤矿安全监测监控技术5传感器 5.2.5.1触点传感器触点传感器 它是利用接触器或继电器的接点来表示开它是利用接触器或继电器的接点来表示开/关状态的。接点有常开关状态的。接点有常开/常闭之分。还有接常闭之分。还有接点容量大小、耐压高低等指标，使用时应点容

57、量大小、耐压高低等指标，使用时应注意。注意。 利用触点的动作可以反应局扇风筒是否被利用触点的动作可以反应局扇风筒是否被风吹得鼓起，从而判断局扇送风状态。风吹得鼓起，从而判断局扇送风状态。 接点简单、实用，是应用最广泛的传感器。接点简单、实用，是应用最广泛的传感器。煤矿安全监测监控技术5传感器 5.2.5.2干簧管传感器干簧管传感器 干簧管体积小、惯性小、动作快。它广泛干簧管体积小、惯性小、动作快。它广泛应用于自动控制和自动检测系统中。应用于自动控制和自动检测系统中。 干簧管又称舌簧开关管，它是在小玻璃管干簧管又称舌簧开关管，它是在小玻璃管内安装导磁性能的簧片制作而成的。在附内安装导磁性能的簧片

58、制作而成的。在附近无磁场时，管内簧片处于某一状态（接近无磁场时，管内簧片处于某一状态（接通或断开），当有磁场靠近时，簧片被磁通或断开），当有磁场靠近时，簧片被磁化产生磁力，使管内簧片（也是接点）改化产生磁力，使管内簧片（也是接点）改变原来的状态（由断开转为闭合或由闭合变原来的状态（由断开转为闭合或由闭合转为断开）。干簧接点也可在玻璃管上绕转为断开）。干簧接点也可在玻璃管上绕线圈，通电流产生磁场使其动作。线圈，通电流产生磁场使其动作。煤矿安全监测监控技术5传感器 5.2.5.3光电传感器光电传感器 利用光电器件可以方便可靠地传递开关信利用光电器件可以方便可靠地传递开关信息，并可实现本安与非本安电

59、路之间的防息，并可实现本安与非本安电路之间的防爆隔离。爆隔离。煤矿安全监测监控技术5传感器 5.2.5.4电磁感应式开关量传感器电磁感应式开关量传感器 此类传感器是基于电磁感应原理工作的，此类传感器是基于电磁感应原理工作的，当对称的三相交流电流过三芯电缆时，因当对称的三相交流电流过三芯电缆时，因其合成磁场为零，故采用闭合铁芯套住三其合成磁场为零，故采用闭合铁芯套住三芯电缆，检测不到磁场。但如果使用非闭芯电缆，检测不到磁场。但如果使用非闭合铁芯只靠近三相中的某一相时，可以检合铁芯只靠近三相中的某一相时，可以检测到该相的漏磁场。测到该相的漏磁场。 煤矿安全监测监控技术5传感器 5.2.5.5压力传

60、感器压力传感器 压力是指垂直作用在物体单位面积上的力，压力是指垂直作用在物体单位面积上的力，压力测量用多用于气体或液体等流体。但压力测量用多用于气体或液体等流体。但也有对固体压力的测量，如顶板压力测量也有对固体压力的测量，如顶板压力测量等。等。 电容式压力传感器是基于将压力转换为电电容式压力传感器是基于将压力转换为电容器电容量的变化达到测量压力的目的。容器电容量的变化达到测量压力的目的。煤矿安全监测监控技术5传感器 5.3 传感器的维护与检修传感器的维护与检修 5.3.1甲烷传感器的维修甲烷传感器的维修 （1）报警灯损坏时，应整体更换，不能以其他类似元件）报警灯损坏时，应整体更换，不能以其他类