传感器在煤矿生产中的应用研究及展望

传感器在煤矿生产中的应用研究及展望

吴雷

山西兰花科技创业股份有限公司伯方煤矿分公司，山西省晋城市高平市048400

摘要：煤矿监控系统作为煤矿井下安全避险“六大系统”中的重要组成部分，对煤矿安全生产有着不可替代的作用。传感器作为物理世界和数字世界的信息传递桥梁,是推进信息化和工业化深度融合不可或缺的产业关键技术。煤矿智能化发展的愿景是实现煤矿全时空多源信息实时感知和风险闭环管控本质安全。

关键词：传感器；煤矿生产；应用研究；展望

1传感器性能指标

局限于工艺和成本，一个传感器的性能指标不一定全面，当主要的性能指标满足的时候，次要的性能指标可以做出让步。传感器的基本的参数指标包括量程指标、灵敏度指标、精度指标、动态性能指标等。其中，量程指标包含量程范围、过载能力等。灵敏度指标包含灵敏度、满量程输出、分辨力和输入输出阻抗。精度指标包含误差、重复性、线性、滞后、灵敏度误差、阈值、稳定性及漂移等。动态性能指标含有固有频率、阻尼系数、频率范围、频率特性、时间常数、上升时间、响应时间、过冲量、衰减率、稳态误差、临界速度及临界频率等。

2传感器的分类与选用

2.1温度传感器

温度表征着物体的冷热程度。总的来说，接触式的温度传感器耐用，标准化程度高，线性度好，非接触式的响应快但是标定困难。对温度及与温度有关的参量进行检测的传感器包含热电偶、热电阻、热敏电阻等。将温度的变化转换为电动势的变化是热电偶的突出特点，热电阻将温度转换为电阻的变化，而集成温度传感器更是可以将温度转为电压、电流的变化。热电偶和金属热电阻的测量范围很宽，高温测量也可以使用。相较而言，热敏电阻及集成温度传感器的测量范围较小，测量温度的上限低得多，但结构相对简单，性能更加可靠。

2.2力传感器

力在物理学中虽十分常见但至关重要。有很多的传感器能够实现力与电的转化，电阻应变片可以将应力变化转换为电阻的变化，结合电桥电路可得出最终的应力变化值。压电效应在压电传感器中得到应用，压力变化转为电荷变化，再经过放大器的变化得到最后的压力值。电容式压力传感器通过变机距、变面积和介电常数等检测外力，电感式传感器分为自感式和互感式，变化的电感量将侧面反映出压力或者位移。而由弹性体把转矩换为角位移的转矩传感器，输出的电信号来自于角位移的变化量。

2.3光电传感器

以光电效应为基础，将光信号转为电信号的传感器成为光传感器。基于其反应快、重量轻、功耗低、集成化程度高等优势，光电传感器广泛用于通信、宇航、军事、自动控制等关键环节。

可见光和近红外线光传感器技术发展很快。光纤通信系统、仪器仪表、雷达、自然光检测、光位检测等系统广泛采用CdS、Si、Ge等光传感器,含PIN和APD两类结构类型的近红外光传感器也已成为重点开发的对象。PIN型传感器为发挥其高速、低噪的优势，往往结合放大器构成PIN+FET光传感器。APD基于其内部放大功能，可充分简化光接收机，构成高速、高探测、集成化程度高的光传感器。而色彩传感器及CCD图像传感器等可采集色彩、图像等更加丰富的信息。

2.4磁传感器

磁传感器可以将磁信号转换为电信号。由于半导体材料中自由电子或者空穴会随着磁场改变其运动方向，磁传感器便依据这一特性制成。磁传感器按照体型可分为由InSb、InAs、Ge、Si制成的霍尔传感器和InSb、InAs制成的磁敏电阻。按按照结型可分为由Ge、Si制成的磁敏二极管和磁敏晶体管。霍尔传感器中，霍尔集成电路可制电罗盘测量地球磁场，也可结合环形铁芯制成大电流传感器。各类无刷电机、接近开关、高斯计等非接触测量量都可由霍尔传感器测量。磁阻元件、磁敏二极管、磁敏晶体管也是磁传感器。磁阻元件类似于霍尔原件，与材料性质和形状有一定的关系。

2.5环境量检测传感器

气体传感器通过检测空气的一些特定成分，在防灾预警、环境监测、自动控制、医疗卫生、工业制造等领域得到普遍应用。湿度传感器在测量和控制湿度方面应用广泛，农业、纺织业、电子业、造纸业、运输业等产业及各工业区域的湿度调节都少不了它的身影。声电传感器可以将电能转换为声音信号，基于电磁感应原理，利用扬声器、传声器、蜂鸣器、压电陶瓷片等材料，完成声电转换。在超声清洗、金属探伤、厚度检测等领域体现出经济高效、便于使用的特点。

3煤矿机电设备管理现状

许多煤矿生产单位逐渐认识到煤矿机电设备管理的重要性，并在日常工作中不断细化各项内容，有助于提高煤矿生产质量，但是，许多煤矿生产单位现阶段应用的煤矿机电设备管理体系存在一些问题有待解决。第一，监督管理工作不到位。受限于以往煤矿生产模式，许多煤矿生产单位并没有认识到煤矿机电设备管理的真正价值，监督管理工作大多由现场管理人员负责。这种管理模式无法有效挖掘煤矿机电设备的潜在问题，让原本小问题逐渐演变成大故障，不仅会增加煤矿生产单位的运行成本，还会威胁操作人员的人身安全。第二，操作人员专业水平一般。大多数煤矿机电设备的操作人员仅是经过简单培训，便直接上岗作业。虽然这类操作人员可以满足大多数煤矿生产情况，但是，会在未来生产作业中，逐渐转化成煤矿机电设备故障的潜在影响因素，并在工作中不断积累安全事故发生概率，需要煤矿生产单位认真关注这个问题。第三，不具备更完善的管理制度。煤矿机电设备是煤矿生产单位的重要生产工具，需要将更完善的管理制度应用到日常工作中。目前，仅有一些行业龙头的煤矿生产单位做到这种程度，许多小型煤矿生产单位缺少这种面向煤矿机电设备的管理制度。

4传感器在煤矿工作环境监测中的应用分析

（1）地质环境检测。煤矿地质灾害的表现形式主要有边坡滑坡、煤层坍塌、冒顶、涌水渗水等。矿山灾害发生的区域和时间均具有未知性，并且矿山处于动态开采过程中，要感知这些灾害产生的前兆信息，就需要应用大量的传感器和测量手段，传感器的应用就集中在边坡滑坡监测、崩塌监测、顶板离层监测、顶板压力测量和渗水监测等。（2）大气监测检测井工矿一般距离地面较远，空气质量是保障井下人员安全的基石。井下瓦斯、粉尘和煤层的自燃都会带来极大的大气环境安全隐患。因此，大气环境监测系统主要用来监测井下的环境参数，包括瓦斯、烟雾、粉尘、风速、CO、O2、CO2等，也包括露天矿的粉尘浓度监测。

5传感器在煤矿应用的展望分析

（1）智能边缘网关。边缘网关在现场进行多传感器数据采集，有效避免了将数据长距离传输至地面而面临的网络资源不足和信号干扰等问题，最大限度地保证数据的实时性和可靠性。同时，智能边缘网关还能提供边缘计算，对数据进行实时处理和分析，极大地减轻了全量数据在煤矿工业环网的传输和管控平台的处理。智能边缘网关的应用将有利于安全和高效生产，主要体现在数据清洗、异构数据融合和计算的数据处理、数据存储和数据备份的边缘存储、边缘侧的建模、数据分析的边缘智能。（2）主动标识传感器。主动标识传感器是将主动标识嵌入传感器。主动标识承载标识编码和安全证书，并具备通信功能，主动向标识解析平台发起连接。解析系统向传感器发起订阅，传感器同时向平台发起认证，实现主动标识传感器和解析平台数据的安全可信传输，提升数据传输效率。解析平台通过可信采集、接入认证、数据安全等功能，实现对标识传感器的身份管理、安全服务和实时安全态势感知。

6结语

当今时代，各类新型传感器层出不穷。新型的传感器结合日新月异的科学技术、新材料、新的微机械加工技术、更加智能的传感元件推动了仪表工业及自动化技术的蓬勃发展。煤矿传感器在煤矿的安全生产中起到了非常关键的地位和作用，高性能、高集成度、强扩展性的虚拟仪器及能够完成参数计算、时间检测、目标监测、目标跟踪的传感器网络飞速发展，带来了更多的机遇与挑战。

参考文献

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[2]朱林.煤矿监测系统中传感器应用分析[J].石化技术,2020,27(08):224+266.

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