彭大恒

【摘 要】隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線傳感器越來(lái)越成熟和完善，其先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)將會(huì)在眾多領(lǐng)域中得到應(yīng)用。近些年來(lái)，在煤礦開(kāi)采領(lǐng)域中事故頻發(fā)，傳統(tǒng)的煤礦檢測(cè)系統(tǒng)的弊端日益暴露，基于此，本文著重分析了無(wú)線傳感器的應(yīng)用，以便可以為煤礦領(lǐng)域提供有價(jià)值的參考。

【關(guān)鍵詞】傳感器；煤礦工程；應(yīng)用

傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。隨著煤炭開(kāi)發(fā)力度的不斷提升，安全問(wèn)題對(duì)于煤炭行業(yè)顯得尤為重要，瓦斯爆炸、冒頂、透水、火災(zāi)和沖擊地壓是煤礦的主要災(zāi)害，直接威脅著煤礦的生產(chǎn)和工人的生命。因此對(duì)礦井中涉及安全的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是煤礦安全生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它能有效地減少災(zāi)害的發(fā)生和保證煤礦的正常生產(chǎn)秩序。 目前，用于檢測(cè)煤礦井下有害氣體如瓦斯、一氧化碳等的光纖氣體傳感器已經(jīng)有了實(shí)際應(yīng)用，對(duì)于檢測(cè)煤塵濃度、巷道面應(yīng)力應(yīng)變及煤倉(cāng)倉(cāng)位、通風(fēng)巷風(fēng)速等方面的光纖傳感檢測(cè)技術(shù)，也都有了相關(guān)的產(chǎn)品，并且越來(lái)越多地引起人們的興趣。

1.氣體傳感器

瓦斯（CH4）是煤礦安全生產(chǎn)的主要威脅，井下瓦斯的濃度4.9%-5%時(shí)，容易發(fā)生爆炸。所以，實(shí)時(shí)而精確地監(jiān)測(cè)爆炸氣體的濃度，對(duì)于安全生產(chǎn)和保障生命財(cái)產(chǎn)的安全來(lái)說(shuō)，顯得尤為重要。在礦井有害氣體檢測(cè)上，它相對(duì)于普通傳感器來(lái)說(shuō)有諸多優(yōu)點(diǎn)，輕便、靈巧、不會(huì)產(chǎn)生電火花、不會(huì)出現(xiàn)中毒現(xiàn)象，具有相當(dāng)高的靈敏度和快速的響應(yīng)能力。

在氣體傳感器中使用最多、效果最好的是光譜吸收型氣體傳感器，許多種氣體在紅外波段（4-10μm）都有本征吸收，這個(gè)波段遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了石英光纖的透射窗口（0.8-1.7μm），所以光譜型氣體傳感器一般都是利用氣體在近紅外和可見(jiàn)波段的較弱的泛頻吸收，在這一波段發(fā)光器件和接收器件都是比較理想的光電轉(zhuǎn)換器件，因此用這種方法可以對(duì)大多數(shù)氣體濃度進(jìn)行較高精度的測(cè)量。光通過(guò)被測(cè)氣體以后由于氣體的吸收會(huì)使光的強(qiáng)度發(fā)生衰減，輸出光強(qiáng)可用Beer-Lambert定律給出：I=I0e-αLC（1）式中，I0為入射光強(qiáng)，α為吸收系數(shù)，C為氣體濃度，L為光通過(guò)氣體的長(zhǎng)度。由此我們可以通過(guò)測(cè)量光強(qiáng)度的損耗計(jì)算氣體的濃度。典型的光譜吸收型氣體傳感器由光源、氣室、光路和信號(hào)處理4個(gè)環(huán)節(jié)組成，它的探頭部分是一個(gè)氣室，氣室有一個(gè)進(jìn)風(fēng)口和一個(gè)出風(fēng)口，保持空氣采樣的實(shí)時(shí)性。光從氣室的一端射入，另一端射出，為了增加光通過(guò)氣體的有效光程，可采用反射式的方式或用懷特腔的方式，但懷特腔的腔壁造成的反射損失會(huì)抵消它的好處，因而并沒(méi)有多大實(shí)際意義。

2.粉塵傳感器

粉塵傳感器一般也采用氣室作為探頭，光從懸浮著煤塵顆粒的空氣中通過(guò)時(shí)，由于煤塵顆粒的吸收和散射效應(yīng)，光強(qiáng)會(huì)有相應(yīng)的吸收和散射兩部分衰耗，如式：I=I0exp{（α1+α2）L} 式中，α1為吸收系數(shù)，α2為散射系數(shù)。根據(jù)光強(qiáng)的衰減量可以計(jì)算出煤塵的濃度。光學(xué)測(cè)量法較傳統(tǒng)的稱重測(cè)量法有很多優(yōu)點(diǎn)，能連續(xù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并具有較高的精度。但光學(xué)測(cè)量法存在塵染的問(wèn)題，附著在反射鏡的鏡面上的粉塵會(huì)影響傳感器的測(cè)量精度，為了克服這一缺陷，設(shè)計(jì)采用雙光路差分補(bǔ)償式的方式，其原理與雙波長(zhǎng)氣體傳感器相同。光束在通過(guò)含塵空氣時(shí)會(huì)產(chǎn)生吸收和散射，從而引起光強(qiáng)在其傳播方向上的衰減，且符合指數(shù)規(guī)律，當(dāng)光束傳播距離較短時(shí)，光強(qiáng)減弱對(duì)于粉塵濃度的變化是不敏感的，所以利用光吸收原理直接測(cè)量浮游粉塵濃度是不可行的。采用米氏散射理論，利用測(cè)定散射光的強(qiáng)度測(cè)量粉塵的濃度是一種好方法。煤礦粉塵是含有多個(gè)粒子的獨(dú)立散射粒子系，獨(dú)立散射粒子系具有可加性，由此可計(jì)算出某處的散射光強(qiáng)采用光電轉(zhuǎn)換器將接收到的光強(qiáng)信號(hào)I轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)一系列信號(hào)處理，最后以模擬或數(shù)字的方式顯示出粉塵質(zhì)量濃度。

3.應(yīng)變（位移）傳感器

應(yīng)變（位移）傳感器主要用于礦井井壁和巷道變形的監(jiān)測(cè)，其工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)和光彈性效應(yīng)引起的相位變化。與其它傳感器不同，光纖傳感器可以進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，根據(jù)光應(yīng)變效應(yīng)原理，可計(jì)算相位延遲，根據(jù)相位的延遲可以算出光纖長(zhǎng)度的變化量，進(jìn)而可得到應(yīng)變量。但在很多情況下這種方法無(wú)法進(jìn)行精確的測(cè)量，因?yàn)闊o(wú)法確定光纖的應(yīng)力作用長(zhǎng)度，所以有時(shí)不得不借助于其它技術(shù)。下面介紹幾種有代表性的新技術(shù)，這幾種技術(shù)既可以作為輔助測(cè)量方法，也可以進(jìn)行獨(dú)立測(cè)量。

3.1布拉格（Bragg）光柵技術(shù)

用以上方法只能用于巷道或硐室的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，由于應(yīng)力作用長(zhǎng)度不容易確定，要進(jìn)行定位或精確測(cè)量需要借助其它技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。近幾年出現(xiàn)的布拉格光柵技術(shù)克服了這一缺陷。1978年，發(fā)現(xiàn)光致光柵效應(yīng)，其后又制成世界上第一根Bragg光柵。光纖光柵采用波長(zhǎng)調(diào)制，具有頻帶寬、波長(zhǎng)編碼、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。光纖光柵技術(shù)在最近幾年得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，并應(yīng)用到了很多場(chǎng)合。根據(jù)光纖耦合模理論，當(dāng)寬帶光在光纖布拉格光柵中傳輸時(shí)，產(chǎn)生模式耦合，滿足布拉格條件的波長(zhǎng)光被反射，由于應(yīng)力的影響導(dǎo)致光彈效應(yīng)和光纖柵格周期的變化，光纖Bragg光柵在外界應(yīng)力場(chǎng)和溫度梯度場(chǎng)的作用下，反射光（或透射光）的中心波長(zhǎng)將發(fā)生位移。除了具有普通光纖傳感器的許多優(yōu)點(diǎn)外，Bragg光柵型光柵傳感器還有一些明顯優(yōu)于其他光纖傳感器，它的傳感信號(hào)為波長(zhǎng)調(diào)制，因而測(cè)量信號(hào)不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測(cè)器老化等因素的影響；避免了一般干涉型傳感器中相位測(cè)量的不清晰和對(duì)固有參考點(diǎn)的需要；能方便地使用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中串接多個(gè)傳感器，實(shí)現(xiàn)真正意義上的多點(diǎn)線式分布測(cè)量。因此，一旦光柵甚至光路中出現(xiàn)非連續(xù)剪切變形或剪斷，時(shí)域反射計(jì)就可接收到回波，測(cè)量網(wǎng)絡(luò)仍能全部或部分正常工作，并且通過(guò)時(shí)域分析和光強(qiáng)分析可以確定被測(cè)物體內(nèi)產(chǎn)生不連續(xù)剪切變形的位置和大小，這在諸如滑坡監(jiān)測(cè)和地下工程圍巖深部位移觀測(cè)中具有非常重要的意義。

3.2 OTDR（光時(shí)域反射）技術(shù)

OTDR（Optical Time Domain Reflecting）檢測(cè)原理類似于雷達(dá)技術(shù)。光源發(fā)出的脈沖光進(jìn)入被測(cè)光纖中，光纖產(chǎn)生的瑞利后向反射光經(jīng)耦合器、光放大探測(cè)器，進(jìn)入OTDR信號(hào)處理系統(tǒng)，最后給出光纖沿線損耗大小和位置。

傳感器作為一種高效、先進(jìn)的生產(chǎn)監(jiān)測(cè)設(shè)備，在廣大科研人員的不斷努力下，技術(shù)工藝不斷得以改進(jìn)，其在煤礦開(kāi)采中的應(yīng)用也將不斷深化。 [科]

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