李澤芳

（1. 煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2. 煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3. 北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013）

0 引 言

礦用傳感器及智能化儀器儀表是礦山智能化、信息化和工業(yè)化深度融合的源頭，為煤礦的安全高產(chǎn)高效提供了有力保障。隨著煤礦開采深度和強度的不斷增大、大型電氣設備的投入應用及各類環(huán)境參數(shù)監(jiān)測要求的提升，對礦用傳感器的準確性、穩(wěn)定性及智能化水平也提出了更高要求。本文對礦用傳感器的應用現(xiàn)狀進行了梳理，分析了當前礦用傳感器在使用中面臨的問題和挑戰(zhàn)，對影響礦用傳感器性能的關鍵共性技術進行了總結，并提出了未來一段時間礦用傳感器技術的重點研究方向。

1 礦用傳感器技術發(fā)展現(xiàn)狀

礦用傳感器種類繁多、測量原理各異，以煤礦安全監(jiān)控配套傳感器舉例，從檢測目標數(shù)值的連續(xù)性上分類，可以分為開關量傳感器和模擬量傳感器。從功能模塊上來看，基本由數(shù)據(jù)檢測、采集、處理、輸出、顯示等部分構成。

礦用傳感器發(fā)展至今，隨著檢測技術、應用技術的進步，尤其是經(jīng)過煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字化升級改造，性能得到大幅提高，但仍然存在一些共性問題，在一定程度上影響了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。

（1） 傳感器的工作穩(wěn)定性時間短，標校周期短、維護量大。

目前相關行業(yè)標準規(guī)定傳感器工作穩(wěn)定性不少于15 d，即規(guī)定氣體類傳感器每隔15 d 進行一次標校，煤礦工作人員的維護工作量較大，傳感器的工作穩(wěn)定性有待提升。

（2） 傳感器的抗電磁干擾能力有待提高。

礦井大型設備尤其是變頻設備的廣泛應用，導致井下機電設備在開啟和關閉瞬間能產(chǎn)生極為強烈的電磁干擾脈沖，未來5G 設備的推廣應用，井下電磁環(huán)境將愈加惡劣。傳感器經(jīng)數(shù)字化改造后，信號傳輸部分不易受干擾，避免了冒大數(shù)現(xiàn)象，但傳感器敏感元件極易受干擾，造成監(jiān)測數(shù)據(jù)不準。

（3） 傳感器的防護等級與井下環(huán)境不相匹配。

煤礦井下環(huán)境比較惡劣，特別是井下工作面回風、掘進面回風及總回風等處，濕度基本達98%以上，加上局部粉塵濃度較高，在高濕度高粉塵環(huán)境中，對外殼的防護要求較高，而現(xiàn)有的部分傳感器防護等級一般為IP54，只能滿足環(huán)境條件較好的場所使用，需要更高外殼防護來滿足新型礦井要求。防護等級的提升不僅受機械結構設計影響，更受傳感器敏感元件的制約，既要保證測量精度，又要保證響應時間。

（4） 傳感器傳輸能力無法滿足長距離傳輸?shù)囊蟆?/p>

有些大型礦井采掘工作面回風巷長度超過2 500 m，部分回風巷超過6 000 m?，F(xiàn)有傳感器特別是瓦斯傳感器的功耗較大，其功耗主要在檢測元件，由于傳感器的功耗大，無法長距離傳輸，已經(jīng)不滿足特大型礦井的需求。

（5） 無線傳感器應用受限制。

設備的移動、長距離工作面的延伸、不適宜布置有線傳感器的場所需要無線傳感器來進行監(jiān)測，但目前的無線傳輸設備還存在著功耗大、傳輸距離短、組網(wǎng)穩(wěn)定性差、故障斷電時間及控制時間不符合要求等問題。

2 關鍵共性技術研究

2.1 礦用傳感器抗電磁干擾技術

可通過抑制傳感器自身電路噪聲及外部干擾源來提高抗電磁干擾能力。抑制傳感器內(nèi)部電路噪聲可以采取合理選擇噪聲低的半導體元器件、傳感器電路中加入濾波環(huán)節(jié)、加入負反饋電路、抑制和減少輸入端偏置電路的噪聲等4 個方面措施；提高傳感器抗外部干擾能力可以采取合理進行電路布局、使用高導電和導磁屏蔽外殼、可靠接地、采用光電和磁電隔離技術抑制共阻耦合干擾、軟件補償?shù)却胧?/p>

2.2 礦用激光氣體檢測技術

基于TDLAS 的激光甲烷檢測技術是近年來新研發(fā)的傳感技術，利用激光的單光源、高光強的特性提高敏感元件的靈敏度，增強抗環(huán)境干擾能力。受益于監(jiān)控系統(tǒng)升級改造，激光甲烷檢測技術水平得到了大幅提升，但還需要繼續(xù)研究聚能模塊的安全防護設計、激光源光強穩(wěn)定性、衰減特性、激光特征波段的調制器綜合性能。還需要進一步研究激光一氧化碳檢測技術，提高檢測靈敏度，排除交叉氣體干擾，縮減檢測單元體積，降低傳感探頭成本。

2.3 礦用傳感器自診斷技術

在傳感器設計及測試過程中對傳感器的工作電壓、工作電流、ADC 源信號強度、敏感元件供電范圍、信號值等在線監(jiān)測，并與內(nèi)部固化參數(shù)對比，得出傳感器硬件運行狀態(tài)。通過對傳感器標定參數(shù)、補償參數(shù)的對比，判斷傳感器內(nèi)部參數(shù)的可信度，并給與相應報警，通過與外部通訊數(shù)據(jù)的交互，判斷讀取數(shù)據(jù)、控制指令發(fā)出源是否具有權限。

2.4 礦用傳感器低功耗技術

可以探索新的低功耗檢測技術或采用新的技術途徑，如MEMS 技術，縮小元件體積，降低元件整體功耗。也可采用低功耗的電子元器件及軟件處理技術、顯示單元的低功耗化、供電方式的改變、聲光報警功能的取消或者轉變等措施，進一步降低傳感器整機功耗。

3 礦用傳感器技術展望

根據(jù)對國內(nèi)外傳感器技術的研究現(xiàn)狀分析以及對傳感器各性能參數(shù)的理想化要求，現(xiàn)代礦用傳感器技術的發(fā)展趨勢可以從以下方面分析與概括。

（1） 利用新材料、新工藝開發(fā)新型傳感器。

發(fā)展性能和種類更加完善和豐富的新型礦用傳感器，改善現(xiàn)有傳感器。應用光導纖維、納米材料、激光檢測技術等新技術研制新型礦用傳感器，進而實現(xiàn)礦用傳感器的檢測非接觸化、廉價化、長壽命化。

（2） 集成化多功能智能傳感器的開發(fā)。

將同類型的單個傳感器排列在同一平面上，構成線型傳感器或面型傳感器，或是將傳感器和運算、放大且溫度補償?shù)炔糠纸M裝成一個器件，如集成固態(tài)壓力傳感器或集成半導體溫度傳感器等。硬件上由微處理器系統(tǒng)對整個傳感器電路、接口、信號轉換進行處理調整，軟件上進行非線性特性校正、誤差的自動校準和數(shù)字濾波處理，加上神經(jīng)網(wǎng)絡、自學習等人工智能算法，從而形成傳感技術的智能化系統(tǒng)。

（3） 實現(xiàn)傳感技術硬件系統(tǒng)與元器件的微小型化。

利用集成電路微小型化的經(jīng)驗，從傳感技術硬件系統(tǒng)的微小型化中提高其可靠性、質量、處理速度和生產(chǎn)率，降低成本，節(jié)約資源與能源，減少對環(huán)境的污染。隨著敏感元件、功能材料、制作工藝的發(fā)展，傳感器在小型化方面必將取得突破性的進展。

（4） 傳感器與多學科交叉融合，推動礦用無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展。

利用微傳感器與微機械、通信、自動控制、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等多學科的綜合技術，實現(xiàn)傳感器的無線網(wǎng)絡化、智能化，使其能根據(jù)煤礦生產(chǎn)特點主動完成指定任務。實現(xiàn)無線傳感器的大范圍推廣應用，需要解決傳感器尤其是傳感器探頭的低功耗技術難題、無線網(wǎng)絡的穩(wěn)定性及實時性。

4 結 論

（1） 對我國礦用傳感器的技術發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題進行了歸納和總結。

（2） 針對礦用傳感器存在的問題，提出了4個方面亟待解決的共性技術，即抗電磁干擾技術、激光氣體檢測技術、傳感器自診斷技術及傳感器低功耗設計技術。

（3） 提出了礦用傳感器未來的4 個發(fā)展方向：利用新材料、新工藝開發(fā)新型傳感器；開發(fā)集成化智能傳感器；實現(xiàn)傳感技術硬件系統(tǒng)與元器件的微小型化；推動礦用無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展。