煤矿用传感器现状及研究方向探讨
郭玉彪
（山西潞安集团司马煤业有限公司，山西，长治）
摘要：针对煤矿用传感器使用过程中出现的问题进行分析梳理和总结，并结合实际的工程应用提出了一些针对性的解决思路，并对今后传感器类产品研究方向进行探讨，提出一些意见和思路。
关键词：煤矿；传感器；误报警；维护
0 概述
煤矿安全一直以来备受重视，特别是煤矿安全监测监控系统，其是否能够安全、可靠的运行直接影响着煤矿安全和生产。随着《煤矿安全规程》、AQ6201-2006、AQ1029-2007及其他各类标准的实施[1]，煤矿对安全的重视程度达到了空前，使得煤矿井下的传感器越来越丰富，本文就煤矿用传感器的使用过程中出现的一些现象和问题作一阐述和总结，并结合多年的煤矿实践经验提出了相应的解决思路及研究方向进行探讨。
1 矿用传感器使用现状
1.1传感器的误报问题
煤矿井下安全监测监控系统中的传感器90%以上采用频率传输，在实际的使用过程中时常出现“冒大数”、“倍频”等现象，从传输上分析其原因主要有：
1）传感器信号向分站传输的制式大都采用200~1000Hz频率，分站采集采用脉冲计数方式，抗干扰能力较差，当线路出现接触不良或电磁干扰就会造成假信号。当出现传感器的插头氧化、电缆接线盒螺栓没有压紧、信号接触不良等原因[2], 或者现场人员拉动传感器的信号电缆时，会造成信号通信的时断时续，就可能出现 “冒大数”现象。另外随着传输距离的延长其频率信号也会发生畸变，其低电平被“抬高”，当高低电平的压差小于分站侧光耦的导通电压时其分站原有采集的状态发生突变，从而也会出现频率翻倍的“倍频”现象；
2）井下大型设备的不断增加，井下机电设备启停时发出的电磁干扰。 井下机电设备在开启和关闭瞬间能产生极为强烈的电磁干扰脉冲，从分站到传感器线路都比较长，许多矿井传感器线路与动力电缆平行或交叉的挂在一起，等效于一个紧耦合回路。而强电磁脉冲比常规信号电平高的多，能将其耦合到分站设备中，使其无法识别是正常信号还是干扰脉冲。强的干扰脉冲也能在瞬间完全淹没传感器信号，从而造成“冒大数”现象。当然频繁的电磁启动脉冲与信号叠加后也会造成严重的“大数”干扰[3]；
3）井下可控硅变频调速设备也越来越多，其工作时对外会发出强烈地电磁干扰，严重污染电源、信号传输的环境，极大的影响着煤矿安全监测系统的正常传输；
1.2传感器维护和管理问题
目前煤矿传感器种类众多，现阶段主要包括甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氧气、风速、硫化氢、温度、负压、烟雾、水位、粉尘、风筒开关、风门开关、馈电、开停等，各类型检测原理各异，产品设计厂家众多，如瓦斯检测就可以分为催化、热导、红外、光纤和激光等，而瓦斯传感器具有煤矿安标证的厂家超过100家，其外壳形状各异，显示方式、输出接口等也各不相同。这就给矿上的维护等
带来不便，其主要问题有：
1） 传感器接线的复杂化：
由于传感器设计时没有统一设计，模块设计不统一，这样各类型传感器的接线等也各有不同，这就要求矿方人员记住多种不同类型传感器的接线方法，在人员更新或交接过程中常出现因接线出错而引起的传感器故障和设备的误动作；
2） 定期维护复杂化：
由于气体类传感器的检测元件大多为消耗型元件，定期需要更换（通常一年左右），检测元件分接线方式或插拔方式，但由于各类传感器外壳等不统一，而且更换元件时需要拆动多个结构件才能实现更换；另外由于元件的更换其特性等与电路需匹配，需重新进行校准，对矿上维护人员要求较高，也增加了传感器的维护难度和维护可靠性问题；
3） 简单故障排除复杂化：
现场的大部分故障可通过传输指示灯，状态指示灯的不同颜色和不同状态来进行判断，但由于其各类型传感器非标准模块化设计，其指示灯各异，颜色各异这就大大增加了煤矿维护人员的维护难度；
4） 不便于制作防护罩：
很多矿井在工作面和掘进工作面等地方，为了更好的保护传感器而另行制作了防水防砸的防护罩，但是传感器形状各异制作不便，维护也带来了不便；
1.3现有瓦斯传感器存在的问题
国内占据着瓦斯传感器用量的95%以上市场是催化燃烧和热导型瓦斯传感器。在测量中它们的检测部件要与瓦斯发生化学燃烧反应，检测部件会因化学反应而受损，易中毒、表面积炭和量程狭窄是这类传感器不可避免的缺陷，这就是此类瓦斯传感器反应速度慢、寿命短和调校周期短的根本原因所在，是其自身难以克服的。
由于催化燃烧型瓦斯传感器存在着调校周期短和元件寿命短的问题，这就需要对传感器进行定期标校（7~15天）和定期更换检测元件，其维护量相对较大。当前煤矿人手不足且技术维护相对薄弱，对瓦斯传感器维护和管理难度较大，越来越多的煤矿用户对现有瓦斯传感器提出免维护、延长传感器使用寿命及传感器实现免标校的要求。通过新技术的应用，来提高瓦斯传感器的稳定性和易维护性是当前煤矿的迫切需要。
1.4单测点多传感器维护问题
煤矿很多测点都相对固定，而每个测点都存在两个或多个传感器的情况，如中央变电所、避难硐室和皮带机头等处某个测定位置一般需要测量瓦斯、温度、一氧化碳等，其位置固定基本不变，且离分站电源的距离都相对较近，现有传感器布线时需要铺设多根电缆线，很多都铺设麻烦，这样也带来其维护的麻烦。另外在煤机设备上根据目前行业标准规定需要配套传感器的种类在不断增加，当多个传感器在煤机设备上挂接时其安装等都较为不便，多电缆的方式也给设备维护带来麻烦。
2 解决问题的总体思路
2.1 传感器的误报问题解决思路
针对“冒大数”、“倍频”现象及其发生的机理，数字传输方式可有效避免此类问题的发生，由于数字传输中可加入大量的校验和判断机制，当出现某一位数据出错时可通过校验或判断来验证数据的有效性等，从而避免将无效数据上传。另外随着对传感器的自诊断、故障分析上传等要求不断的提出，原有的频率传输
已难满足要求，而数字传输编码等灵活，能有效的将其自身故障、诊断、电源信息等进行上传。分站等主传输都采用数字信号进行传输其稳定性和可靠性是可以得到保障。
但是频率型传输占据着95%以上的市场，不同厂家间传感器的接入目前也只能通过频率传输方式进行，针对“冒大数”、“倍频”现象，对频率传输方式有必要进行进一步的研究形成标准化模块，来有效解决传统频率传输方式的不足。
2.2 传感器维护和管理问题解决思路
各类传感器传输接口方式的模块化、采集处理部分模块化、显示部分和其他可模块化的进行标准化模块设计，简化元件更换过程；其设计过程可以鉴戒英国Trolex 特罗克斯的设计理念，采用二次仪表加变送器的方式来开发传感器，变送器实现对监测量的采集，二次仪表只负责数据显示和传输，使其国内应用的矿用传感器结构统一，维护简单，更换方便。
2.3 现有瓦斯传感器存在的问题的解决思路
新技术的引入----光纤激光传感器，光纤气体传感器是80年代后期出现的一种新型传感器。经过二十多年的发展，它已应用在社会生活的许多方面：工业气体在线监测、有害气体分析、环境空气质量监测和爆炸气体检测以及对火山喷发气体的分析。工业上的需要和人们对环境的关注使得光纤气体传感器的发展非常迅速。有资料表明，美国1996年～2002年光纤气体传感器年均增长率为27%～30%，而我国对光纤传感器的市场需求也很大。光纤气体传感器发展迅速是因为它有着传统传感器不可比拟的优势：
1）非接触式遥测能力：光纤传输损耗小，可允许光信息进行长距离传输，从而能在远距离的安全地带进行遥控遥测；
2）测量的安全性：光纤电绝缘性好、不受电磁干扰、化学性质稳定，适合在强电磁干扰和易燃、易爆、高温等恶劣环境下测量，这是光纤传感器优于电类气体传感器的重要特点；
3）传感单元结构简单、稳定可靠。
目前国内外技术现状，其应用方式有分布式和单体式。如英国某公司最新光纤气体传感技术，采用了信号集中处理和传感器元件分开的方式，其应用目前主要垃圾填埋场、天然气管道、隧道气体检测等环境，其整套设备在国内做过实验室测试及煤矿的一些实际应用，结合其原理及应用特点如下[4]：
1) 通过标准的光缆，可以实现多达300个点的气体浓度实时监测，其传输距离达20公里以上;
2) 中央控制单元以外的系统完全是无电源工作，并有很好的电磁抗干扰度;
3) 坚固易插拔的传感器模块，响应时间快（1~5秒），不受低氧环境，催化中毒，其它气体及湿度过高的环境影响;
4) 具有自我校准特性，它提供固有的校准稳定性，确保整个系统只需要在中央控制器上做单一的一次校准，使用过程无需标校;
5) 气体灵敏度高，测量范围宽（如甲烷0~100%），可以检测多种气体，没有气体交叉干扰的问题。
此类产品的主要问题是各测点本身不具备声光报警功能，受煤矿安全标准的限制，另一方面激光器等主要元件成本过高，导致了本系统在造价上十分的昂贵。
2.4 单测点多传感器维护问题的解决思路
引入新型的传感器可自由配接检测种类的多参数传感器；可实现对各类参数的采集测量，可根据现场实际需要进行自由的组合的多参数传感器； 3 研究方向探讨
针对现有煤矿传感器使用的实际情况，并结合自身长期从事煤矿工作的经验，对于今后传感器产品开发过程中建议增加以下几部分内容：
1）传感器传输需增加数字接口，并对频率传输方式进行研究，采用新的方式方法实现频率传输；
2）传感器的标准化、模块化设计，可以采用二次仪表加变送器方式进行，更换变送器即可实现对传感器的更新，降低矿上的实际使用成本；
3）光纤激光甲烷检测技术的研究：基于光纤激光甲烷检测技术分别研究其分布式及单体式方式，发挥其各自的优势；可解决长距离传输及传感器免标校等实际问题。
4）多参数采集传感器的开发：可自由配接检测种类的多参数传感器的研究；可实现对各类参数的采集测量，可根据现场实际需要进行自由的组合的多参数传感器。
4 结语
作为一名长期从事煤矿安全生产的工作者，深刻的认识到传感器的稳定直接影响着煤矿安全监控系统的稳定，并联系着煤矿的生产是否能够安全的运行，传感器监测和传输稳定，使用周期长，能大大的降低煤矿工人的维护时间和成本。就目前煤炭市场的大环境，开发一款维护简单、更换成本低、能够重复利用的高可靠传感器是十分必要的。
[1] 王晓阳.KJ95N 型煤矿综合监控系统[J].西安科技大学学报，2008，28（2）：397-399
[2] 冯亚飞，肖运江. 煤矿安全监控系统常见误报警原因分析及软件处理方法[J].工矿自动化，2013，39（4）：90-92
[3] 王保国，张晓东，冰飞. 矿井安全监控系统误报警原因分析[J].科技信息，2012，15（4）：413
[4] 蒋泽，刘茂荣. 多点光纤气体传感系统在煤矿中应用的可行性探讨[J] .工矿自动化，2011，第7期，41-44
作者简介：郭玉彪 男 （1970-），山西壶关人，工程师，长期从事煤矿自动化方面工作。smmkzdh@163.com
煤矿用传感器现状及研究方向探讨
郭玉彪
（山西潞安集团司马煤业有限公司，山西，长治）
摘要：针对煤矿用传感器使用过程中出现的问题进行分析梳理和总结，并结合实际的工程应用提出了一些针对性的解决思路，并对今后传感器类产品研究方向进行探讨，提出一些意见和思路。
关键词：煤矿；传感器；误报警；维护
0 概述
煤矿安全一直以来备受重视，特别是煤矿安全监测监控系统，其是否能够安全、可靠的运行直接影响着煤矿安全和生产。随着《煤矿安全规程》、AQ6201-2006、AQ1029-2007及其他各类标准的实施[1]，煤矿对安全的重视程度达到了空前，使得煤矿井下的传感器越来越丰富，本文就煤矿用传感器的使用过程中出现的一些现象和问题作一阐述和总结，并结合多年的煤矿实践经验提出了相应的解决思路及研究方向进行探讨。
1 矿用传感器使用现状
1.1传感器的误报问题
煤矿井下安全监测监控系统中的传感器90%以上采用频率传输，在实际的使用过程中时常出现“冒大数”、“倍频”等现象，从传输上分析其原因主要有：
1）传感器信号向分站传输的制式大都采用200~1000Hz频率，分站采集采用脉冲计数方式，抗干扰能力较差，当线路出现接触不良或电磁干扰就会造成假信号。当出现传感器的插头氧化、电缆接线盒螺栓没有压紧、信号接触不良等原因[2], 或者现场人员拉动传感器的信号电缆时，会造成信号通信的时断时续，就可能出现 “冒大数”现象。另外随着传输距离的延长其频率信号也会发生畸变，其低电平被“抬高”，当高低电平的压差小于分站侧光耦的导通电压时其分站原有采集的状态发生突变，从而也会出现频率翻倍的“倍频”现象；
2）井下大型设备的不断增加，井下机电设备启停时发出的电磁干扰。 井下机电设备在开启和关闭瞬间能产生极为强烈的电磁干扰脉冲，从分站到传感器线路都比较长，许多矿井传感器线路与动力电缆平行或交叉的挂在一起，等效于一个紧耦合回路。而强电磁脉冲比常规信号电平高的多，能将其耦合到分站设备中，使其无法识别是正常信号还是干扰脉冲。强的干扰脉冲也能在瞬间完全淹没传感器信号，从而造成“冒大数”现象。当然频繁的电磁启动脉冲与信号叠加后也会造成严重的“大数”干扰[3]；
3）井下可控硅变频调速设备也越来越多，其工作时对外会发出强烈地电磁干扰，严重污染电源、信号传输的环境，极大的影响着煤矿安全监测系统的正常传输；
1.2传感器维护和管理问题
目前煤矿传感器种类众多，现阶段主要包括甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氧气、风速、硫化氢、温度、负压、烟雾、水位、粉尘、风筒开关、风门开关、馈电、开停等，各类型检测原理各异，产品设计厂家众多，如瓦斯检测就可以分为催化、热导、红外、光纤和激光等，而瓦斯传感器具有煤矿安标证的厂家超过100家，其外壳形状各异，显示方式、输出接口等也各不相同。这就给矿上的维护等
带来不便，其主要问题有：
1） 传感器接线的复杂化：
由于传感器设计时没有统一设计，模块设计不统一，这样各类型传感器的接线等也各有不同，这就要求矿方人员记住多种不同类型传感器的接线方法，在人员更新或交接过程中常出现因接线出错而引起的传感器故障和设备的误动作；
2） 定期维护复杂化：
由于气体类传感器的检测元件大多为消耗型元件，定期需要更换（通常一年左右），检测元件分接线方式或插拔方式，但由于各类传感器外壳等不统一，而且更换元件时需要拆动多个结构件才能实现更换；另外由于元件的更换其特性等与电路需匹配，需重新进行校准，对矿上维护人员要求较高，也增加了传感器的维护难度和维护可靠性问题；
3） 简单故障排除复杂化：
现场的大部分故障可通过传输指示灯，状态指示灯的不同颜色和不同状态来进行判断，但由于其各类型传感器非标准模块化设计，其指示灯各异，颜色各异这就大大增加了煤矿维护人员的维护难度；
4） 不便于制作防护罩：
很多矿井在工作面和掘进工作面等地方，为了更好的保护传感器而另行制作了防水防砸的防护罩，但是传感器形状各异制作不便，维护也带来了不便；
1.3现有瓦斯传感器存在的问题
国内占据着瓦斯传感器用量的95%以上市场是催化燃烧和热导型瓦斯传感器。在测量中它们的检测部件要与瓦斯发生化学燃烧反应，检测部件会因化学反应而受损，易中毒、表面积炭和量程狭窄是这类传感器不可避免的缺陷，这就是此类瓦斯传感器反应速度慢、寿命短和调校周期短的根本原因所在，是其自身难以克服的。
由于催化燃烧型瓦斯传感器存在着调校周期短和元件寿命短的问题，这就需要对传感器进行定期标校（7~15天）和定期更换检测元件，其维护量相对较大。当前煤矿人手不足且技术维护相对薄弱，对瓦斯传感器维护和管理难度较大，越来越多的煤矿用户对现有瓦斯传感器提出免维护、延长传感器使用寿命及传感器实现免标校的要求。通过新技术的应用，来提高瓦斯传感器的稳定性和易维护性是当前煤矿的迫切需要。
1.4单测点多传感器维护问题
煤矿很多测点都相对固定，而每个测点都存在两个或多个传感器的情况，如中央变电所、避难硐室和皮带机头等处某个测定位置一般需要测量瓦斯、温度、一氧化碳等，其位置固定基本不变，且离分站电源的距离都相对较近，现有传感器布线时需要铺设多根电缆线，很多都铺设麻烦，这样也带来其维护的麻烦。另外在煤机设备上根据目前行业标准规定需要配套传感器的种类在不断增加，当多个传感器在煤机设备上挂接时其安装等都较为不便，多电缆的方式也给设备维护带来麻烦。
2 解决问题的总体思路
2.1 传感器的误报问题解决思路
针对“冒大数”、“倍频”现象及其发生的机理，数字传输方式可有效避免此类问题的发生，由于数字传输中可加入大量的校验和判断机制，当出现某一位数据出错时可通过校验或判断来验证数据的有效性等，从而避免将无效数据上传。另外随着对传感器的自诊断、故障分析上传等要求不断的提出，原有的频率传输
已难满足要求，而数字传输编码等灵活，能有效的将其自身故障、诊断、电源信息等进行上传。分站等主传输都采用数字信号进行传输其稳定性和可靠性是可以得到保障。
但是频率型传输占据着95%以上的市场，不同厂家间传感器的接入目前也只能通过频率传输方式进行，针对“冒大数”、“倍频”现象，对频率传输方式有必要进行进一步的研究形成标准化模块，来有效解决传统频率传输方式的不足。
2.2 传感器维护和管理问题解决思路
各类传感器传输接口方式的模块化、采集处理部分模块化、显示部分和其他可模块化的进行标准化模块设计，简化元件更换过程；其设计过程可以鉴戒英国Trolex 特罗克斯的设计理念，采用二次仪表加变送器的方式来开发传感器，变送器实现对监测量的采集，二次仪表只负责数据显示和传输，使其国内应用的矿用传感器结构统一，维护简单，更换方便。
2.3 现有瓦斯传感器存在的问题的解决思路
新技术的引入----光纤激光传感器，光纤气体传感器是80年代后期出现的一种新型传感器。经过二十多年的发展，它已应用在社会生活的许多方面：工业气体在线监测、有害气体分析、环境空气质量监测和爆炸气体检测以及对火山喷发气体的分析。工业上的需要和人们对环境的关注使得光纤气体传感器的发展非常迅速。有资料表明，美国1996年～2002年光纤气体传感器年均增长率为27%～30%，而我国对光纤传感器的市场需求也很大。光纤气体传感器发展迅速是因为它有着传统传感器不可比拟的优势：
1）非接触式遥测能力：光纤传输损耗小，可允许光信息进行长距离传输，从而能在远距离的安全地带进行遥控遥测；
2）测量的安全性：光纤电绝缘性好、不受电磁干扰、化学性质稳定，适合在强电磁干扰和易燃、易爆、高温等恶劣环境下测量，这是光纤传感器优于电类气体传感器的重要特点；
3）传感单元结构简单、稳定可靠。
目前国内外技术现状，其应用方式有分布式和单体式。如英国某公司最新光纤气体传感技术，采用了信号集中处理和传感器元件分开的方式，其应用目前主要垃圾填埋场、天然气管道、隧道气体检测等环境，其整套设备在国内做过实验室测试及煤矿的一些实际应用，结合其原理及应用特点如下[4]：
1) 通过标准的光缆，可以实现多达300个点的气体浓度实时监测，其传输距离达20公里以上;
2) 中央控制单元以外的系统完全是无电源工作，并有很好的电磁抗干扰度;
3) 坚固易插拔的传感器模块，响应时间快（1~5秒），不受低氧环境，催化中毒，其它气体及湿度过高的环境影响;
4) 具有自我校准特性，它提供固有的校准稳定性，确保整个系统只需要在中央控制器上做单一的一次校准，使用过程无需标校;
5) 气体灵敏度高，测量范围宽（如甲烷0~100%），可以检测多种气体，没有气体交叉干扰的问题。
此类产品的主要问题是各测点本身不具备声光报警功能，受煤矿安全标准的限制，另一方面激光器等主要元件成本过高，导致了本系统在造价上十分的昂贵。
2.4 单测点多传感器维护问题的解决思路
引入新型的传感器可自由配接检测种类的多参数传感器；可实现对各类参数的采集测量，可根据现场实际需要进行自由的组合的多参数传感器； 3 研究方向探讨
针对现有煤矿传感器使用的实际情况，并结合自身长期从事煤矿工作的经验，对于今后传感器产品开发过程中建议增加以下几部分内容：
1）传感器传输需增加数字接口，并对频率传输方式进行研究，采用新的方式方法实现频率传输；
2）传感器的标准化、模块化设计，可以采用二次仪表加变送器方式进行，更换变送器即可实现对传感器的更新，降低矿上的实际使用成本；
3）光纤激光甲烷检测技术的研究：基于光纤激光甲烷检测技术分别研究其分布式及单体式方式，发挥其各自的优势；可解决长距离传输及传感器免标校等实际问题。
4）多参数采集传感器的开发：可自由配接检测种类的多参数传感器的研究；可实现对各类参数的采集测量，可根据现场实际需要进行自由的组合的多参数传感器。
4 结语
作为一名长期从事煤矿安全生产的工作者，深刻的认识到传感器的稳定直接影响着煤矿安全监控系统的稳定，并联系着煤矿的生产是否能够安全的运行，传感器监测和传输稳定，使用周期长，能大大的降低煤矿工人的维护时间和成本。就目前煤炭市场的大环境，开发一款维护简单、更换成本低、能够重复利用的高可靠传感器是十分必要的。
[1] 王晓阳.KJ95N 型煤矿综合监控系统[J].西安科技大学学报，2008，28（2）：397-399
[2] 冯亚飞，肖运江. 煤矿安全监控系统常见误报警原因分析及软件处理方法[J].工矿自动化，2013，39（4）：90-92
[3] 王保国，张晓东，冰飞. 矿井安全监控系统误报警原因分析[J].科技信息，2012，15（4）：413
[4] 蒋泽，刘茂荣. 多点光纤气体传感系统在煤矿中应用的可行性探讨[J] .工矿自动化，2011，第7期，41-44
作者简介：郭玉彪 男 （1970-），山西壶关人，工程师，长期从事煤矿自动化方面工作。smmkzdh@163.com