第6章 矿用传感器

章矿用传感器

节甲烷传感器节矿用风速传感器节矿用压力传感器节一氧化碳传感器节矿用温度传感器节矿用烟雾传感器节风门开关传感器2021/6/271第六章矿用传感器第八节矿用风筒开关传感器第九节矿用机电设备开停传感器第十节馈电状态传感器第十一节瓦斯抽采流量传感器第十二节便携式甲烷检测报警仪复习思考题2021/6/272第六章矿用传感器

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录。2021/6/273第六章矿用传感器

传感器一般由敏感元件和转换元件、测量电路以及辅助电源等部分组成，如图6-1所示。2021/6/274第六章矿用传感器常见的测量电路由放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等组成，它们分别与相应的传感器相配合。传感器输出信号有电压、电流、频率、脉冲等多种形式。2021/6/275第六章矿用传感器矿用传感器主要用于矿井环境参数和矿井工况参数的监测。矿井环境参数监测主要有甲烷浓度、氧气浓度、粉尘浓度、环境温度、风量、风压、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度和硫化氢浓度。矿井工况监测参数主要有设备开停、风筒风量、风门开关、输送机开停、煤仓煤位、采煤机组位置、排水系统、压风系统、主要通风机工作状况等参数。2021/6/276第六章矿用传感器矿用传感器根据测量原理可分为电位计式、应变式、电容式、电感式、压电式、磁电式、光敏式、霍尔式、光纤式、气敏式和智能式等；根据输入物理量可分为位移传感器、压力传感器、速度传感器、温度传感器及气体浓度传感器等；根据输出信号的性质可分为模拟式传感器和数字式传感器，即模拟式传感器输出模拟信号和数字式传感器输出数字信号。2021/6/277第六章矿用传感器矿用传感器应符合国家有关标准和行业标准的要求，其防爆型式优选本质安全型，用于安全监控的矿用传感器防爆型式应为本质安全型，载体催化式甲烷传感器其防爆型式可采用隔爆兼本质安全型，防爆标志为ExibdⅠ。在传感器的外壳明显处设有Ex、MA标志和计量器具标志。2021/6/278第六章矿用传感器矿用传感器一般应具有显示功能，显示应清楚准确。具有报警功能的矿用传感器，其报警点应能在测量范围任意设定，报警声级强度在距其1m远处的声响信号的声压级应不小于80dB(A)，光信号在20m远处清晰可辨。2021/6/279第六章矿用传感器矿用传感器应在9～24V范围内工作，使用单芯截面积为1.5mm2的电缆时，传感器与分站之间的传输距离不小于2km。矿用传感器的工作稳定性应不小于15d。传感器应具有采用遥控器调校的功能。2021/6/2710第六章矿用传感器矿用传感器应能在下列条件下正常工作：温度为0～40℃；相对湿度不大于98%；大气压力为80～116kPa；风速不大于8m/s；存储温度为-40～60℃。2021/6/2711第六章矿用传感器矿用传感器的输出信号应满足下列要求：电流型为1～5mA或4～20mA；频率型为200～1000Hz，脉冲宽度大于0.3ms的电流脉冲；数字信号的传输速率为1200bps、2400bps、4800bps、9600bps等。2021/6/2712第一节甲烷传感器甲烷传感器是连续监测矿井环境中甲烷浓度的装置，具有显示和声光报警功能。目前煤矿使用甲烷传感器主要有煤矿用低浓度载体催化式甲烷传感器、甲烷抽放用热导式高浓度甲烷传感器和煤矿用高低浓度甲烷传感器3类。应根据使用场所、测量范围和测量精度等要求选择不同检测原理的甲烷传感器。2021/6/2713第一节甲烷传感器一、煤矿用低浓度载体催化甲烷传感器1.煤矿用低浓度载体催化甲烷传感器的测量原理低浓度载体催化式甲烷传感器是我国煤矿安全监测系统普遍采用的检测井下甲烷气体浓度仪器。载体催化元件是在铂丝上涂有载体并浸有催化剂，用来检测煤矿空气中甲烷浓度的敏感元件。2021/6/2714第一节甲烷传感器由检测元件（黑元件）和补偿元件（白元件）组成，补偿元件与检测元件的结构尺寸完全相同，补偿元件表面没有催化剂，补偿元件与检测元件配对使用，在不平衡电桥中对环境温度、湿度等起补偿作用的元件。2021/6/2715第一节甲烷传感器检测元件是电阻值与空气中甲烷浓度成对应关系的载体催化元件，由铂丝线圈、三氧化二铝（Al2O3）载体和表面的催化剂组成，其中三氧化二铝载体用来固定铂丝线圈，增强元件的机械强度。涂在元件表面的铂(Pt)和钯(Pd)等重金属催化剂，使吸附在元件表面的甲烷无焰燃烧。2021/6/2716第一节甲烷传感器铂丝线圈用来给元件加温，提供甲烷催化燃烧所需要的温度，同时，甲烷燃烧放出的热量使其升温，通过测量其电阻变化，就可测得空气中甲烷浓度。2021/6/2717第一节甲烷传感器载体催化传感器检测原理如图6-2所示。R1、R2—电桥电阻；C—补偿元件；D—检测元件；W1—调零电位器2021/6/2718第一节甲烷传感器在甲烷浓度为0的新鲜空气中，其检测元件与补偿元件电阻相等，即RC=RD，这时，电桥处于平衡状态，输出电压U=0。若环境温度发生变化或通过检测元件与补偿元件的电流发生变化，使检测元件与补偿元件电阻发生变化，但由于变化后的检测元件与补偿元件电阻仍相等，不会使电桥失衡。因此，补偿元件具有环境温度补偿作用。2021/6/2719第一节甲烷传感器当空气中含有甲烷时，吸附在检测元件表面的甲烷在检测元件表面催化燃烧，燃烧放出的热量与甲烷浓度成正比，在燃烧热量的作用下，检测元件温度上升，检测元件铂丝电阻也随之增大ΔR，因此，通过测量ΔR的变化，测得空气中的甲烷浓度。传感器的显示值是指传感器的测量数值，以百分体积浓度表示，采用数字显示。2021/6/2720第一节甲烷传感器2.煤矿用低浓度载体催化甲烷传感器的技术要求在甲烷浓度超过上限测量范围时，具有保护载体催化元件的功能，此时传感器的显示值和输出信号值均维持在甲烷超限状态。2021/6/2721第一节甲烷传感器报警点可在测量范围内任意设置，报警显示值与设定值的差值不超过±0.05%CH4。正常工作时其指示值的飘移量不超过±0.10%CH4。在甲烷浓度为0.00～4.00%CH4范围内，当甲烷浓度保持恒定时，传感器的显示值或输出信号值的变化量不超过0.04%CH4。2021/6/2722第一节甲烷传感器传感器响应时间是甲烷浓度发生阶跃变化时，输出达到稳定值90%的时间，其响应时间不大于20s。传感器在连续工作15d的基本误差应不超过表6-1的规定。2021/6/2723第一节甲烷传感器二、甲烷抽采（放）用热导式高浓度甲烷传感器1.热导式高浓度甲烷传感器的测量原理热导式高浓度甲烷传感器主要用于甲烷抽采（放）管道中和高瓦斯采掘工作面的甲烷浓度监测，在甲烷风电闭锁装置中热导元件与载体催化元件组合，构成高低浓度甲烷传感器。2021/6/2724第一节甲烷传感器热导式甲烷传感器的工作原理是：利用甲烷的热导率高于新鲜空气的热导率，通过热敏检测元件测量含有甲烷的混合气体的热导率变化，从而测得甲烷的浓度。2021/6/2725第一节甲烷传感器热导式甲烷传感器测量原理如图6-3所示。2021/6/2726第一节甲烷传感器传感器内部有一个参比室和一个测量室，两个元件的内部分别缠绕着细铂丝，在参比室内密封着参比(基准)气体，而测量室可以进入待测的气体。两个铂丝与外部定值电阻组合，形成电桥回路，恒定电流分别流过各铂丝，使之发热，同催化燃烧式传感器一样，在不存在可燃气体的时候，R1=R2，回路是平衡的。2021/6/2727第一节甲烷传感器因此产生“零”数值，一旦测量室中的待测组分中发生浓度变化，则测量室中的热导率会随之变动，从而使R1、R2上铂丝的温度发生变化，导致R1、R2阻值出现差异，电桥失去平衡，有信号输出。甲烷浓度越大，温差就越大，阻值相差越大，电桥输出信号越大。根据输出信号的大小，计算出甲烷气体的浓度。2021/6/2728第一节甲烷传感器热导式甲烷传感器的选择性较差，空气中其他气体的浓度变化会影响甲烷浓度的测量。例如，二氧化碳浓度的增加会使混合气体的热导率下降，空气湿度的增加将使混合气体的热导率增大。因此，热导式甲烷传感器要排除二氧化碳和空气湿度的影响。由于气体的热导率随温度的增大而增大，影响着甲烷传感器的测量精度。因此，热导式甲烷传感器必须对温度进行补偿，并保持气室温度恒定。2021/6/2729第一节甲烷传感器热传导、热对流和热辐射决定了气室内的热交换，当温度不高时，热交换主要取决于热传导和热对流。并且气室尺寸和气体流速对流的影响，会进一步对热导式甲烷传感器测量值造成影响。由于空气中甲烷浓度的微量变化很难通过甲烷空气混合物热导率的变化测得。因此，热导式甲烷传感器目前主要用于高浓度甲烷检测。2021/6/2730第一节甲烷传感器2.热导式甲烷传感器的技术要求热导式甲烷传感器的测量数值采用数字显示以百分体积浓度表示，测量分辨率不低于0.1%CH4

。量程有4%CH4～40%CH4和4%CH4～100%CH42种。测量范围在4%CH4～100%CH4时，甲烷浓度恒定时，传感器显示值变化量不超过0.4%CH4。在20m/s流速条件下，其指示值漂移量不大于±0.1%CH4，响应时间不大于30s，工作稳定性不少于21d。2021/6/2731第一节甲烷传感器传感器的基本误差不超过表6-2所示。传感器使用电缆的单芯截面积为1.5mm2时，传感器与关联设备的传输距离应不小于2km。2021/6/2732第一节甲烷传感器三、煤矿用高低浓度甲烷传感器将煤矿用载体催化与热导检测元件组合进行监测甲烷浓度的传感器称为高低浓度甲烷传感器。煤矿用载体催化与热导组合式高低浓度甲烷传感器是我国煤矿安全监测监控系统用于高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井井下甲烷气体监测的仪器。煤矿用载体催化与热导组合高低浓度甲烷传感器量程为0～40%CH4和0～100%CH4。2021/6/2733第一节甲烷传感器传感器以百分体积浓度显示表示测量值，采用数字显示，低浓度段分辨率不低于0.01%CH4，高浓度段分辨率不低于0.1%CH4，并应能显示值的正或负。传感器中载体催化元件与热导元件工作转换点设置范围为2%CH4～4%CH4，由低浓度转换为高浓度和由高浓度转换为低浓度可设置不同的转换点。2021/6/2734第一节甲烷传感器传感器显示值的稳定性在0～4%CH4范围内，甲烷浓度恒定时，传感器显示值或输出信号值变化量不超过0.04%CH4。在4%CH4～100%CH4范围内，甲烷浓度恒定时，传感器显示值或输出信号值变化量不超过0.4%CH4。2021/6/2735第一节甲烷传感器载体催化元件在测量时的基本误差符合表6-1的规定。传感器热导元件在检测CH4时的基本误差应符合表6-2的规定。传感器催化元件和热导元件转换时不可避免出现附加误差，转换点的附加误差不超过1.00%CH4。传感器在连续工作15d的基本误差应符合表6-1和表6-2的规定。传感器的响应时间不超过20s。2021/6/2736第一节甲烷传感器目前我国煤矿常用的高低浓度甲烷传感器有KG9701型智能高低浓度甲烷传感器、KG9001B型智能高低浓度甲烷传感器、AWJ-90A型高低浓度甲烷传感器等多种型号。2021/6/2737第一节甲烷传感器四、非色散红外甲烷传感器非色散红外甲烷传感器是针对煤矿及其他含甲烷爆炸气体环境而设计的甲烷气体浓度检测仪，该仪器采用红外吸收测量原理、扩散式采样、数字式温度补偿等技术，检测精度高、环境适应能力强、稳定可靠。2021/6/2738第一节甲烷传感器测量量程有0～10%CH4和0～100%CH42种。非色散红外甲烷传感器按使用用途可分为A、B、C3类：A类传感器用于环境监测，测量范围0～10%CH4；B类传感器用于环境监测，测量范围0～100%CH4；C类传感器用于瓦斯抽采（放）管道监测，测量范围0～100%CH4。这类甲烷传感器适用于煤矿作业场所、瓦斯抽采（放）放泵站等存在甲烷泄漏危险场所的甲烷气体浓度检测。2021/6/2739第一节甲烷传感器1.非色散红外甲烷传感器的测量原理测量气体分子的光吸收谱是气体种类识别和气体分子浓度测定的有效手段。甲烷对3.33μm波长的红外光有一极强的吸收峰，而杂质气体中影响较大的水蒸气和二氧化碳则并无明显吸收这个光谱特性，利用这一特性即可测量甲烷浓度。2021/6/2740第一节甲烷传感器2.非色散红外甲烷传感器的组成非色散红外甲烷传感器由传感元件、稳压电源、红外接收电路、单片机电路、显示电路、报警电路等部分组成。2021/6/2741第一节甲烷传感器非色散红外甲烷传感器的原理如图6-4所示。2021/6/2742第一节甲烷传感器传感元件采用光谱气体传感技术，当红外光通过待测气体时,甲烷对3.33μm波长的红外光有一极强的吸收峰，正是这个光谱特性，实现了甲烷气体的检测。2021/6/2743第一节甲烷传感器红外遥控器的各种操作指令由大规模专用电路编码后驱动红外发射管发送出去，接收电路由一体化大规模红外接收集成电路组成。当该电路收到红外光脉冲后，接收器将光编码信号转换成串行电信号送单片机进行处理，完成各项操作。2021/6/2744第一节甲烷传感器单片机从传感元件采集代表现场甲烷浓度的电压信号，经运算放大处理后送出200～1000Hz频率信号。当甲烷浓度达到报警值时，单片机驱动晶体管发出声报警和光报警。单片机从红外接收电路采集红外遥控信号，当收到红外遥控指令后，执行相应的指令进行相关参数的修改，并将修改结果送给显示电路进行显示。2021/6/2745第一节甲烷传感器数码管的首位在显示遥控命令时用来代表各功能代码，后三位在有功能码时显示功能代码对应的内容，无功能代码时显示甲烷浓度。2021/6/2746第一节甲烷传感器3.非色散甲烷传感器的主要技术要求（1）输出信号制式。电流型：直流1～5mA，4～20mA；频率型：200～1000Hz，200～2000Hz；数字信号型：传输速率为1200bps、2400bps、4800bps、9600bps，电平不小于3.0V。2021/6/2747第一节甲烷传感器（2）测量数据显示。传感器以百分体积浓度表示测量数据并用数字显示。测量范围在0～10%CH4时，其分辨率不低于0.01%CH4；测量范围在10%CH4～100%CH4时，其分辨率不低于0.1%CH4。2021/6/2748第一节甲烷传感器（3）显示值稳定性。测量范围在0～10%CH4时，甲烷浓度恒定时，传感器显示值与输出信号值（换算成甲烷浓度）变化量不超过0.04%CH4。测量范围在10%CH4～100%CH4时，甲烷浓度恒定时，传感器显示值与输出信号值（换算成甲烷浓度）变化量不超过0.4%CH4。2021/6/2749第一节甲烷传感器（4）基本误差。2021/6/2750第一节甲烷传感器（5）工作稳定性：传感器连续工作60d，应符合基本误差。（6）响应时间：A、B类传感器≤25s，C类传感器≤50s。（7）传输距离：2km。2021/6/2751第二节矿用风速传感器矿用风速传感器是连续监测矿井通风巷道中风速大小的装置。常用的风速传感器，根据原理不同主要有以下几种类型：超声波传感器、热电耦式风速传感器、激光多普勒风速传感器和孔板流量计风速传感器等。用于矿井的风速传感器主要有超声波旋涡式和超声波时差式两种。2021/6/2752第二节矿用风速传感器一、超声波旋涡风速传感器的原理及特点超声波涡风速传感器又称为超声波涡街风速传感器，是基于超声原理实现的。其工作原理是在旋涡发生杆（即阻力体）的后部一侧安装有超声波发射换能器；发射出连续等幅的超声波束；另一侧安装有一个相同的接收换能器；当无风速时，接收换能器接收到一束未经调制的等幅超声波束。2021/6/2753第二节矿用风速传感器超声波旋涡风速传感器原理如图6-5所示。2021/6/2754第二节矿用风速传感器当有风速时，在发生杆后面形成旋涡，旋涡与超声波束相遇时，由于旋涡的旋转方向、压力和流体密度的周期变化，导致通过旋涡部分的超声波束的声能被折射和反射，使到达接收器的声能减弱；在下一个旋涡没有到达之前，接收器信号又恢复到原来的幅值。2021/6/2755第二节矿用风速传感器只要有一个旋涡通过超声波束区，超声波束就被调制一次，形成调幅波。因此，调幅波频率即为旋涡频率。调幅波信号被接收换能器接收后进行放大、解调、滤波等电信号处理，就可检测出旋涡个数，从而测定风速。2021/6/2756第二节矿用风速传感器超声波传感器与其他形式的传感器相比具有以下3个特点：（1）无可动部件，无机械磨损，性能稳定，使用寿命长。（2）输出信号本身是与风速成线性的脉冲频率信号，没有零点漂移，且敏感元件变化不会直接影响输出，测量精度高。2021/6/2757第二节矿用风速传感器（3）输出信号不受气体的温度、湿度、压力、成分、密度、黏度、矿尘等影响。因此，此类传感器在煤矿安全监测监控系统中有着广泛的应用前景。2021/6/2758第二节矿用风速传感器二、矿用风速传感器的技术要求测量范围：0.4～15m/s。测量误差：≤±0.3m/s。输出信号：频率型200～1000Hz或电流型1～5mA。2021/6/2759第二节矿用风速传感器工作电压：12～21VDC。工作电流：≤90mA。传输距离：≤2km。2021/6/2760第三节矿用压力传感器矿用压力传感器是连续监测矿井通风机、风门、密闭巷道、通风巷道等地点风流压力的装置。矿井空气压力的监测，特别是负压的监测是作为检验矿井主要通风机的通风压力、通风能力及瓦斯抽采（放）效果的一个重要指标。在高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井中，使用压力传感器较多。2021/6/2761第三节矿用压力传感器矿用压力传感器是连续监测矿井通风机、风门、密闭巷道、通风巷道等地点风流压力的装置。矿井空气压力的监测，特别是负压的监测是作为检验矿井主要通风机的通风压力、通风能力及瓦斯抽采（放）效果的一个重要指标。在高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井中，使用压力传感器较多。2021/6/2762第三节矿用压力传感器一、压力传感器的分类及测量原理(一)压力传感器的分类矿用压力传感器有正压传感器和负压传感器2大类。正压传感器主要用于瓦斯抽采（放）泵站的缺水保护、循环水池液位、利用瓦斯时输出管道中的瓦斯压力、煤层瓦斯压力、巷道顶板压力监测等。2021/6/2763第三节矿用压力传感器矿用负压传感器主要用于连续监测矿井通风总负压、矿井通风机压差、通风设施内外侧压差等。(二)压力传感器的测量原理

煤矿常用压力传感器有差动变压器压力传感器、半导体压阻式压力传感器等。2021/6/2764第三节矿用压力传感器1.差动变压器压力传感器测量原理弹性敏感器件一般称为膜盒，它是由2片压有波纹的金属薄片焊接而成。当膜盒两侧存在压差时，膜片将弯向压力小的一侧。因此可将压力转换成位移量。在压力未导入前，测量杆处于差动变压器的中间位置，膜盒无位移，此时输出电压为零。2021/6/2765第三节矿用压力传感器当有被测压力导入时，膜盒在压差作用下，其测量杆将产生与压差成正比的位移，使差动变压器二次绕组的感应电动势发生变化而有电压输出，完成压力与电信号的转换过程。此电压经信号处理电路处理后，分送传输、存储、显示等电路。2021/6/2766第三节矿用压力传感器差动变压器压力传感器的结构如图6-6。KG4003型矿井负压传感器就是采用该原理工作。2021/6/2767第三节矿用压力传感器2.半导体压阻式压力传感器测量原理固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。半导体材料的这种效应特别强。利用半导体材料做成的压阻式传感器有2种类型：2021/6/2768第三节矿用压力传感器一种是利用半导体材料的体电阻做成的粘贴式应变片；另一种是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，称扩散型压阻（又称扩散硅压力）传感器。2021/6/2769第三节矿用压力传感器压阻式压力传感器的结构如图6-7所示。2021/6/2770第三节矿用压力传感器其核心部分是一块圆形硅膜片。膜片的四周用圆硅环（硅杯）固定，其下部是与被测系统相连的高压腔，上部一般可与大气相通。在膜片上利用集成电路工艺方法扩散上4个阻值相等的电阻。用导线将其构成平衡电桥。2021/6/2771第三节矿用压力传感器在被测压力作用下，膜片产生应力和应变，将所测的电桥输出信号经过精密补偿和处理，转换成标准电流（电压）信号输出，从而实现生产过程中的压力自动控制和检测。由于压阻式传感器的灵敏度高、分辨率高、稳定性好、频率响应高、测量精度高、体积小等特点，因此，该类型传感器特别适用于煤矿井下风压的监测。2021/6/2772第三节矿用压力传感器二、矿用负压传感器的主要技术要求额定工作电压：12～24VDC。工作电流：≤100mA。测量范围：0～500Pa。分辨率：10Pa。精度：满量程的±2%。2021/6/2773第四节一氧化碳传感器矿用一氧化碳传感器是连续监测矿井工作环境中一氧化碳浓度的装置。我国煤矿井下监测监控系统用于检测一氧化碳的设备普遍采用的是电化学式一氧化碳传感器。2021/6/2774第四节一氧化碳传感器一、电化学式一氧化碳传感器的工作原理电化学式一氧化碳传感器工作原理如图6-8。2021/6/2775第四节一氧化碳传感器其敏感元件由透气膜、阳极、阴极及电解液等组成。当一氧化碳气体经过透气膜扩散进入阳极，在催化剂的作用下与电解溶液中水发生氧化反应，同时放出电子。而在阴极上，氧气透过透气膜到达催化层，在催化剂作用下与电解溶液中的氢离子发生阴极还原反应，此时将有反应电流通过，电流强度与CO浓度成正比，据此测量CO气体的浓度。2021/6/2776第四节一氧化碳传感器1.气体扩散电极含有催化剂的多孔膜构成电极。被测气体扩散入膜，与电解液在气、固、液三相界面上发生氧化还原反应。一般情况下，电极和透气膜是合并的。透气膜用防水透气的聚四氟乙烯（PTFE）膜，将活性材料涂覆在透气膜上，热压成型构成电极。2021/6/2777第四节一氧化碳传感器活性层即催化层用活性粉料，如铂黑和PTFE乳液混合，在特定条件下碾压或喷涂，再经过适当的热处理，制成既亲水又疏水的膜层。由于电极中有憎水成分，电极上形成一部分不被溶液充满的“气孔”。2021/6/2778第四节一氧化碳传感器另一方面，由于催化剂是亲水的，则在大部分催化剂团粒的外表面上形成了可进行电极反应的薄液层。这种多孔电极既能完成气相传质过程，使气体扩散到达催化剂表面，又能通过“液孔”，即催化剂周围的薄液层，与电解液连通，以利于反应产物迁移和电子传递。2021/6/2779第四节一氧化碳传感器2.透气膜一般使用非均相的微孔膜，也称气隙膜，如聚四氯乙烯、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）等。它能让气体直接透过气膜，而电解液中的水和离子则不透过。由于元件一般使用酸性电解液，而且要求膜有较好的疏水性能。电极性能在很大程度上取决于膜的性能。膜的质量对敏感元件的稳定性，特别是寿命影响很大。2021/6/2780第四节一氧化碳传感器孔隙率是膜的重要技术参数。它是指膜片中孔的体积与总体积之比。孔隙率大小与透气率有关，用仪器测定一定压差下单位时间内空气透过膜片单位面积的量来确定孔隙率。用大孔隙率膜可提高元件输出灵敏度和提高响应时间性能，但会使电解液外漏。2021/6/2781第四节一氧化碳传感器3.电解液电解液通常用硫酸（H2SO4）或磷酸水溶液。如硫酸水溶液可电离为带电的阳离子H+及阴离子SO2-4,成为能导电的离子导体，它与金属电子导体（Pt）串联就可构成电池。高纯硫酸溶液传导质子性能强、导电性能好，可将硫酸溶液吸收在玻璃纤维及各种高聚物衬垫物上，形成浆糊状，就不会因元件放置位置不同而影响其响应数值。2021/6/2782第四节一氧化碳传感器二、一氧化碳传感器的主要技术要求矿用一氧化碳电化学传感器量程范围有：0～100ppm、0～500ppm、0～500ppm以上等几种；采用数字显示，以10-6单位表示测量值，分辨率不低于1ppm、量程为0～100ppm的一氧化碳传感器，一氧化碳浓度恒定时，传感器显示值或输出信号值变化量不超过2ppm一氧化碳；2021/6/2783第四节一氧化碳传感器量程为0～500ppm的一氧化碳传感器，一氧化碳浓度恒定时，传感器显示值或输出信号值变化量不超过4ppm一氧化碳。传感器应具有避免因断电而影响电化学原理敏感元件工作稳定的措施。传感器响应时间不大于35s。2021/6/2784第四节一氧化碳传感器矿用一氧化碳传感器的基本误差应满足表6-5、表6-6、表6-7的要求。2021/6/2785第四节一氧化碳传感器2021/6/2786第五节矿用温度传感器矿用温度传感器是连续监测矿井环境温度高低的装置，用于矿井环境温度监测的传感器主要有热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体PN结、半导体红外热辐射探测器、热噪声、光纤等类型。2021/6/2787第五节矿用温度传感器一、

矿用温度传感器的测量原理(一)热电偶、热电阻温度传感器1.热电偶温度传感器将两种不同材料的金属A和B相连接，组成一个闭合回路，构成感温元件。2021/6/2788第五节矿用温度传感器当金属A和B的两个接点（冷端和热端）之间存在温差时，就在两者之间产生电动势，在回路中形成电流，此种现象称为热电效应。热电偶温度传感器就是利用这一效应进行工作的。2021/6/2789第五节矿用温度传感器2.热电阻温度传感器电阻随温度的变化而变化的现象称为热电阻效应。利用此效应可制成金属热电阻和半导体热敏电阻，用于温度测量，分别称为热电阻温度传感器和热敏电阻温度传感器。按电阻温度特性的不同（由材料的温度系数决定），热敏电阻可分为负温度系数（NTC）和正温度系数（PTC）2大类。2021/6/2790第五节矿用温度传感器(二)半导体温度传感器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。半导体PN结温度传感器具有体积小、响应时间快、在一定范围内线性度较好、功耗低、抗干扰能力强等优点，因而在煤矿井下比较恶劣的环境条件下，得到了较好的推广应用。2021/6/2791第五节矿用温度传感器例如，与监控系统配套使用的KG3004型、KG3007型温度传感器和KG9301型温湿度组合式传感器等，都是采用半导体PN结为敏感元件的矿用温度传感器。2021/6/2792第五节矿用温度传感器（三）红外、热噪声及光纤温度传感器1.红外测温原理红外测温具有测量灵敏度高、反应速度快、测温范围广、非接触式测温、不影响被测介质的温场分布等优点，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。2021/6/2793第五节矿用温度传感器2.热噪声测温原理电阻体所产生的约翰逊噪声与该电阻体所处热力学温度密切相关，热噪声功率与温度呈线性关系。英国已有用于煤矿井下的该类产品，主要用于对火灾温度进行监测。2021/6/2794第五节矿用温度传感器3.光纤测温原理接触式光纤温度传感器是基于各种不同的光学现象或光学性质实现温度测量的，如光强变化、干涉现象、折射率变化、透光率变化、荧光辐射等。半导体感温元件的透射光强随被测温度的增加而减少。2021/6/2795第五节矿用温度传感器在光导纤维的一端输入恒定光强的光源，因半导体的透射能力随被测温度的变化而改变，故在光导纤维的另一端接收元件所接收的光强，也将随温度的变化而变化。通过测量接收元件的输出电压，便可遥测传感器所在位置的温度。2021/6/2796第五节矿用温度传感器二、矿用温度传感器的主要技术要求量程：优选-20～60℃、-10～70℃、0～40℃、0～100℃。基本误差：显示误差≤±2.5%（F.S），输出误差≤±2.5%（F.S）。2021/6/2797第五节矿用温度传感器工作电压：9～24VDC。工作电流：≤200mADC。传输距离：≤2km。2021/6/2798第五节矿用温度传感器输出信号制式：电流型，直流1～5mA，4～20mA；频率型，200～1000Hz，脉冲宽度≥3ms，脉冲幅度为高电平时不小于3.0V、低电平时不小于+0.5V；数字信号型，传输速率为1200bps、2400bps、4800bps、9600bps，脉冲幅度为高电平时不小于3.0V、低电平时不小于+0.5V。2021/6/2799第五节矿用温度传感器响应时间：≤10s。工作稳定性：≥15d。绝缘电阻：传感器本安端与外壳之间，常态下，其绝缘电阻应不小于50MΩ；交变湿热实验后，应不小于1.5MΩ。2021/6/27100第六节矿用烟雾传感器矿用烟雾传感器是连续监测矿井中带式输送机胶带等着火时产生的烟雾浓度的装置。目前，煤矿常用的离子烟雾传感器是KG8005型烟雾传感器。2021/6/27101第六节矿用烟雾传感器一、矿用烟雾传感器的工作原理1.光电感烟传感器的工作原理光电感烟传感器采用光散射原理，检测火灾阴燃初期阶段产生的可见烟雾粒子，当火灾烟雾粒子浓度超限时，传感器接收烟雾粒子散射量增加而产生报警，特别适用于监测发生电气火灾的场所。2021/6/27102第六节矿用烟雾传感器光电感烟传感器整机电路框图及工作原理如图6-9。2021/6/27103第六节矿用烟雾传感器主光电室的发光元件采用近红外发光二极管，每隔3.5s间歇性地发射近红外光，发光持续时间为0.1ms，通过投光透镜、遮光子使光线成圆锥形。当环境中无烟雾粒子时，该光线因遮光子阻挡不能直接照射到受光元件（采用近红外光太阳电池），因此无电信号输出，传感器不动作；2021/6/27104第六节矿用烟雾传感器当火灾烟雾扩散到主光电室内的A、B、C、D围绕的圆锥部分时，可见烟雾粒子对发光元件的光线产生散射光，这些散射光进入受光元件便产生输出电信号，通过受光放大电路送入积分电路和开关电路，转变为火灾报警信号输出。2021/6/27105第六节矿用烟雾传感器2.离子型烟雾传感器的工作原理离子型烟雾传感器是煤矿井下火灾早期监测的主要装备之一。离子型烟雾传感器的主体结构由采样系统、检测及补偿电离室、敏感元件、整机电路等部分组成。采样系统包括：开有螺线型百叶窗式扩散槽及对流孔的采样罩、不锈钢过滤网、集烟环、中隔板等组件。2021/6/27106第六节矿用烟雾传感器采样罩和过滤网采用不锈钢材料制作；中隔板为高阻燃材料，下部设有报警指示灯、自检开关、复位按钮及电源和信号输出接口。整机电路设计有就地声、光报警、信号远传、自检等多种功能。2021/6/27107第六节矿用烟雾传感器火灾发生初期,燃烧物先期释放出大量的气溶胶颗粒,在燃烧物四周聚集成可见烟雾后随自然风流沿传感器采样罩的螺线形百叶窗扩散入传感器。2021/6/27108第六节矿用烟雾传感器在过滤网的阻隔下，烟雾中粒径较大的粉尘颗粒和杂质沿采样罩的光滑内表面滑落至采样罩底部，细微的烟尘颗粒则随螺旋上升的气流进入检测电离室，与室内的正负离子中和，在中间电极产生一个与被测烟雾浓度成正比的电压变化增量。2021/6/27109第六节矿用烟雾传感器此增量经传感器电路分析、处理后转换成就地声、光报警信号，同时以开关量的形式送往与之相连的井下监控分站，实现井下火灾的远程集中监控。为保证检测可靠，防止因浮游粉尘干扰发生非火灾误报，也必须设置传感器的防尘机构。2021/6/27110第六节矿用烟雾传感器二、矿用烟雾传感器的主要技术要求传感器防爆型式为本质安全型。传感器在12～24VDC电压下能正常工作。2021/6/27111第六节矿用烟雾传感器当烟雾浓度达到5%obs/m时（obs/m是减光率的表示单位，用来表示烟雾浓度值的大小，是指光线被烟雾阻挡而受影响的程度，又称遮蔽率），传感器动作且响应时间≤20s。2021/6/27112第七节风门开关传感器矿用风门开关传感器是连续监测矿井风门（开、关）状态的装置，属于煤矿监测系统中工况传感器，安装在井下巷道的各级风门上，用来监测风门的开闭状态。风门传感器按输出信号制可分为电流制式、无极性接点制式及其他制式；按引线方式分多线制式、二线制式；按动作值可分为定值式和可调式；按显示功能分有显示和无显示；按测量方式分为接触式和非接触式两大类。2021/6/27113第七节风门开关传感器一、

矿用风门传感器的结构及工作原理风门开关传感器是一种磁性驱动的接近开关，它由磁钢体件和主体两部分构成。将触发器磁钢安装在风门上，而把组件安装在对应的门框上。2021/6/27114第七节风门开关传感器当风门关闭时，磁体组件紧靠传感器组件，由磁力产生的磁场使传感器组件维持闭合状态，舌簧开关输出一闭合信号给监测系统分站或向地面传输信号的载波设备，在终端显示风门“关”状态。2021/6/27115第七节风门开关传感器二、矿用风门传感器的主要技术要求矿用风门状态传感器的主要技术参数应符合《矿用风门开闭状态传感器通用技术条件》（MT/T844-1999）的有关要求。（1）防爆型式：矿用本质安全型，防爆标志:ExibⅠ。2021/6/27116第七节风门开关传感器（2）使用条件：环境温度：-20～+40℃。相对湿度：≤95%（25℃）。大气压力：80～106kPa。风速：0～8m/s。煤矿井下有爆炸性混合物，但无破坏绝缘的腐蚀性气体的场合。2021/6/27117第七节风门开关传感器（3）工作电压：9～24VDC。（4）工作电流：≤55mA。（5）响应时间：≤1s。（6）输出信号最大传输距离：2km。（7）输出信号负载阻抗不小于1kΩ，传感器运动部分与传感器固定部分之间其动作距离误差不应大于10%。2021/6/27118第八节矿用风筒开关传感器矿用风筒开关传感器是用于煤矿井下通风系统中监测风筒状态的装置。当局部通风机停止运转或风筒漏风造成风量不足时，输出风量不足信号。当局部通风机正常工作，并且风筒没有漏风，风量满足要求时，输出风量足信号。风筒传感器是开关量传感器，输出风量足和不足两种状态，是甲烷风电闭锁装置和矿井监控系统的重要传感器之一。2021/6/27119第八节矿用风筒开关传感器一、矿用风筒传感器的工作原理现以GFK（A）型矿用风筒开关传感器为例介绍其工作原理。传感器采用简单可靠的机械式结构。当被监测的风筒处于正常工作状态或风筒内的风量大于设定值，风筒开关传感器的机械触点接通，说明局部通风系统处于正常工作状态；2021/6/27120第八节矿用风筒开关传感器当风机停机，即风筒中无风流或风筒中风量小于控制设定值时，风筒开关传感器的机械触点断开，表明局部通风系统的风机已停机或工作不正常。传感器的接通与断开情况，通过与其配接的设备反映出来，完成对局部通风系统的实时监控。2021/6/27121第八节矿用风筒开关传感器二、矿用风筒开关传感器的主要技术要求测量范围：（300～1000）mm的风筒。测量精度：测量点的±5％。防爆型式：矿用本质安全型，防爆标志：ExibⅠ。接点容量：DC18V/0.5A。2021/6/27122第八节矿用风筒开关传感器输出型式：机械式触点输出。功能要求：当风筒风量充足时，触点闭合；当风筒风量不足或风机停开时，触点断开。传输距离：最大传输距离2km。2021/6/27123第九节矿用机电设备开停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、掘进机、提升机、带式输送机、通风机、泵站等）的开停状态，并把监测到的设备开停信号转变为标准的信号传输给矿井安全监测监控系统，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机电设备的运行状况。机电设备开停传感器分为辅助触点型和电磁感应型2种。2021/6/27124第九节矿用机电设备开停传感器一、设备开停传感器的工作原理1.辅助触点型开停传感器的工作原理辅助触点型设备开停传感器是利用机电设备的接触器或中间继电器的辅助触点，由其闭合状态来反映机电设备开停状态的，所用的辅助触点可以是常开的也可以是常闭的，2021/6/27125第九节矿用机电设备开停传感器其工作原理如图6-10所示。使用触点型设备应注意本质安全电路与非本质安全电路的隔离。2021/6/27126第九节矿用机电设备开停传感器2.电磁感应型开停传感器的工作原理电磁感应型开停传感器是通过测量向机电设备供电的电缆周围有无电磁场存在，来间接地监测设备的工作状态。其工作原理是向机电设备供电的三芯电缆中的三相电流有对称和不对称之分，但无论对称与否，在电缆外皮上总可以找到一个与三芯电线不等距的点，该点的磁场强度以靠近该点的芯线起主导作用，2021/6/27127第九节矿用机电设备开停传感器如图6-11所示。2021/6/27128第九节矿用机电设备开停传感器传感器中的检测线圈测得微弱电磁感应信号，供电电流越大，该感应信号就越强。感应出的信号再经过放大和转换就可得到反应机电设备工作状态的电信号。2021/6/27129第九节矿用机电设备开停传感器二、开停传感器的主要技术要求供电电源：本安型15VDC。最大工作电流：30mA。输出信号恒流：±5mA(“+”为开，“-”为停)。防爆标志：Exib。2021/6/27130第十节馈电状态传感器馈电状态传感器是连续监测矿井中馈电开关或电磁启动器负荷侧有无电压的装置。矿井安全生产监控系统必须具有断电状态和馈电状态监测功能，对被控设备的馈电状态进行实时监测是防止人为取消系统断电功能，保证安全生产的重要措施之一。该类传感器主要用于监测电缆芯线是否带电，并同时输出相应的状态信号供监测系统采集处理。2021/6/27131第十节馈电状态传感器与负载是否工作，电缆有无电流流过无关。使用时将传感器直接卡在控制被控设备的真空开关或磁力启动器的负荷侧电缆上；将馈电状态传感器的输出接至分站的开关量输入口。馈电状态传感器具有结构简单、成本低、可靠性高、灵敏度高、易于维护、更换方便等优点。2021/6/27132第十节馈电状态传感器一、馈电状态传感器的分类馈电状态传感器可分为直接接触式和间接非接触式检测馈电状态2类。直接式是指在电气上与负荷设备直接联系，从供电网络上直接获取信号，如用电压互感器、电流互感器检测有无信号输出等。2021/6/27133第十节馈电状态传感器间接式是指在电气上与负荷设备不发生直接联系，如电磁感应原理、霍尔原理、测温原理、测磁原理、光电原理、接近（电感）原理等。直接接触式又可根据检测馈电状态的工作原理分为电压互感器电压传感器等。间接非接触式又可以根据检测馈电状态的工作原理分为光纤电压传感器、电磁感应电压传感器、霍耳电压传感器、电容原理电压传感器等。2021/6/27134第十节馈电状态传感器二、馈电传感器的工作原理目前，馈电传感器多采用电压变换原理与光电原理相结合的方式，将模拟量电压信号变换为本质安全型开关信号。如D1、KDD2、KDG3、KGT19、GKT等型号的馈电断电器中的馈电状态传感器均是采用这种工作原理。2021/6/27135第十节馈电状态传感器三、馈电传感器的主要技术要求馈电传感器的主要技术参数包括监测电压、工作电压、工作电流、灵敏度、信号输出方式、响应速度、防爆类型、使用环境、接线距离等参数。各种型号的传感器技术参数有所不同，但应符合相应的技术标准。例如，ZZ6-KJT19馈电状态传感器主要技术参数为：2021/6/27136第十节馈电状态传感器监测电压：127～1140V。工作电压：6～24V。工作电流：无电1mA/有电6mA。信号输出：NPN晶体管共地导通。响应速度：<2s。防爆型式：本质安全型ibⅠ(150℃)。传感器接线距离：二线制2km、三线制1.5km。2021/6/27137第十一节瓦斯抽采流量传感器一、瓦斯抽采流量传感器及分类瓦斯抽采监测中主要对管道工况参数和环境参数进行计量。通常需要监测的量包括管道流量、甲烷浓度、负压、温度、一氧化碳等。当出现瓦斯浓度过低、负压波动较大时，监测设备发出报警。2021/6/27138第十一节瓦斯抽采流量传感器目前，煤矿用的较普遍的流量测量装置有孔板、涡街、旋进漩涡、均速管、皮托管、V形锥流量计等。由于抽采管道内湿度大、固体杂质多、压力小、流量变化范围宽、流速下限低、输送环境局限性大，因此，对瓦斯抽采流量传感器提出了更高的要求。2021/6/27139第十一节瓦斯抽采流量传感器对流量传感器的基本要求是：无可转动部件，测量量程比宽，不易堵塞、磨损，能够检测低速介质，能够测量多项流，能够检测低压力介质。2021/6/27140第十一节瓦斯抽采流量传感器二、V形锥流量传感器1.V形锥流量传感器的组成V形锥流量传感器自带有差压传感器、压力传感器，有铂热电阻温度传感器接口。内装多功能微处理器，用微处理器将差压传感器、压力传感器、温度传感器、流量计算显示有机地结合在一起。2021/6/27141第十一节瓦斯抽采流量传感器相互之