传感器在煤矿工程中的应用

彭大恒

【摘 要】随着科学技术的发展，无线传感器越来越成熟和完善，其先进的技术优势将会在众多领域中得到应用。近些年来，在煤矿开采领域中事故频发，传统的煤矿检测系统的弊端日益暴露，基于此，本文着重分析了无线传感器的应用，以便可以为煤矿领域提供有价值的参考。

【关键词】传感器；煤矿工程；应用

传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，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、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。随着煤炭开发力度的不断提升，安全问题对于煤炭行业显得尤为重要，瓦斯爆炸、冒顶、透水、火灾和冲击地压是煤矿的主要灾害，直接威胁着煤矿的生产和工人的生命。因此对矿井中涉及安全的各项指标进行监测是煤矿安全生产的一个重要环节，它能有效地减少灾害的发生和保证煤矿的正常生产秩序。 目前，用于检测煤矿井下有害气体如瓦斯、一氧化碳等的光纤气体传感器已经有了实际应用，对于检测煤尘浓度、巷道面应力应变及煤仓仓位、通风巷风速等方面的光纤传感检测技术，也都有了相关的产品，并且越来越多地引起人们的兴趣。

1.气体传感器

瓦斯（CH4）是煤矿安全生产的主要威胁，井下瓦斯的浓度4.9%-5%时，容易发生爆炸。所以，实时而精确地监测爆炸气体的浓度，对于安全生产和保障生命财产的安全来说，显得尤为重要。在矿井有害气体检测上，它相对于普通传感器来说有诸多优点，轻便、灵巧、不会产生电火花、不会出现中毒现象，具有相当高的灵敏度和快速的响应能力。

在气体传感器中使用最多、效果最好的是光谱吸收型气体传感器，许多种气体在红外波段（4-10μm）都有本征吸收，这个波段远远超出了石英光纤的透射窗口（0.8-1.7μm），所以光谱型气体传感器一般都是利用气体在近红外和可见波段的较弱的泛频吸收，在这一波段发光器件和接收器件都是比较理想的光电转换器件，因此用这种方法可以对大多数气体浓度进行较高精度的测量。光通过被测气体以后由于气体的吸收会使光的强度发生衰减，输出光强可用Beer-Lambert定律给出：I=I0e-αLC（1）式中，I0为入射光强，α为吸收系数，C为气体浓度，L为光通过气体的长度。由此我们可以通过测量光强度的损耗计算气体的浓度。典型的光谱吸收型气体传感器由光源、气室、光路和信号处理4个环节组成，它的探头部分是一个气室，气室有一个进风口和一个出风口，保持空气采样的实时性。光从气室的一端射入，另一端射出，为了增加光通过气体的有效光程，可采用反射式的方式或用怀特腔的方式，但怀特腔的腔壁造成的反射损失会抵消它的好处，因而并没有多大实际意义。

2.粉尘传感器

粉尘传感器一般也采用气室作为探头，光从悬浮着煤尘颗粒的空气中通过时，由于煤尘颗粒的吸收和散射效应，光强会有相应的吸收和散射两部分衰耗，如式：I=I0exp{（α1+α2）L} 式中，α1为吸收系数，α2为散射系数。根据光强的衰减量可以计算出煤尘的浓度。光学测量法较传统的称重测量法有很多优点，能连续进行实时测量，并具有较高的精度。但光学测量法存在尘染的问题，附着在反射镜的镜面上的粉尘会影响传感器的测量精度，为了克服这一缺陷，设计采用双光路差分补偿式的方式，其原理与双波长气体传感器相同。光束在通过含尘空气时会产生吸收和散射，从而引起光强在其传播方向上的衰减，且符合指数规律，当光束传播距离较短时，光强减弱对于粉尘浓度的变化是不敏感的，所以利用光吸收原理直接测量浮游粉尘浓度是不可行的。采用米氏散射理论，利用测定散射光的强度测量粉尘的浓度是一种好方法。煤矿粉尘是含有多个粒子的独立散射粒子系，独立散射粒子系具有可加性，由此可计算出某处的散射光强采用光电转换器将接收到的光强信号I转换成相应的电信号，经过一系列信号处理，最后以模拟或数字的方式显示出粉尘质量浓度。

3.应变（位移）传感器

应变（位移）传感器主要用于矿井井壁和巷道变形的监测，其工作原理是基于应变效应和光弹性效应引起的相位变化。与其它传感器不同，光纤传感器可以进行连续测量，根据光应变效应原理，可计算相位延迟，根据相位的延迟可以算出光纤长度的变化量，进而可得到应变量。但在很多情况下这种方法无法进行精确的测量，因为无法确定光纤的应力作用长度，所以有时不得不借助于其它技术。下面介绍几种有代表性的新技术，这几种技术既可以作为辅助测量方法，也可以进行独立测量。

3.1布拉格（Bragg）光栅技术

用以上方法只能用于巷道或硐室的状态监测，由于应力作用长度不容易确定，要进行定位或精确测量需要借助其它技术来实现。近几年出现的布拉格光栅技术克服了这一缺陷。1978年，发现光致光栅效应，其后又制成世界上第一根Bragg光栅。光纤光栅采用波长调制，具有频带宽、波长编码、重复性好等优点。光纤光栅技术在最近几年得到了长足的发展，并应用到了很多场合。根据光纤耦合模理论，当宽带光在光纤布拉格光栅中传输时，产生模式耦合，满足布拉格条件的波长光被反射，由于应力的影响导致光弹效应和光纤栅格周期的变化，光纤Bragg光栅在外界应力场和温度梯度场的作用下，反射光（或透射光）的中心波长将发生位移。除了具有普通光纤传感器的许多优点外，Bragg光栅型光栅传感器还有一些明显优于其他光纤传感器，它的传感信号为波长调制，因而测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响；避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要；能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个传感器，实现真正意义上的多点线式分布测量。因此，一旦光栅甚至光路中出现非连续剪切变形或剪断，时域反射计就可接收到回波，测量网络仍能全部或部分正常工作，并且通过时域分析和光强分析可以确定被测物体内产生不连续剪切变形的位置和大小，这在诸如滑坡监测和地下工程围岩深部位移观测中具有非常重要的意义。

3.2 OTDR（光时域反射）技术

OTDR（Optical Time Domain Reflecting）检测原理类似于雷达技术。光源发出的脉冲光进入被测光纤中，光纤产生的瑞利后向反射光经耦合器、光放大探测器，进入OTDR信号处理系统，最后给出光纤沿线损耗大小和位置。

传感器作为一种高效、先进的生产监测设备，在广大科研人员的不断努力下，技术工艺不断得以改进，其在煤矿开采中的应用也将不断深化。 [科]

【参考文献】

[1]孙利民，李建中，陈渝.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.

[2]曹毅.移动Ad Hoc网络——自组织分组无线网络技术[M].北京：电子工业出版社，2005.