礦用傳感器技術發展現狀與展望

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、信息化和工業化深度融合的源頭，為煤礦的安全高產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境參數監測要求的提升，對礦用傳感器的準確性、穩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，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 礦用傳感器技術發展現狀

礦用傳感器種類繁多、測量原理各異，以煤礦安全監控配套傳感器舉例，從檢測目標數值的連續性上分類，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，基本由數據檢測、采集、處理、輸出、顯示等部分構成。

礦用傳感器發展至今，隨著檢測技術、應用技術的進步，尤其是經過煤礦安全監控系統數字化升級改造，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控系統的可靠性、穩定性。

（1） 傳感器的工作穩定性時間短，標校周期短、維護量大。

目前相關行業標準規定傳感器工作穩定性不少于15 d，即規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，井下電磁環境將愈加惡劣。傳感器經數字化改造后，信號傳輸部分不易受干擾，避免了冒大數現象，但傳感器敏感元件極易受干擾，造成監測數據不準。

（3） 傳感器的防護等級與井下環境不相匹配。

煤礦井下環境比較惡劣，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，在高濕度高粉塵環境中，對外殼的防護要求較高，而現有的部分傳感器防護等級一般為IP54，只能滿足環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的要求。

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。現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、組網穩定性差、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節、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、軟件補償等措施。

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，增強抗環境干擾能力。受益于監控系統升級改造，激光甲烷檢測技術水平得到了大幅提升，但還需要繼續研究聚能模塊的安全防護設計、激光源光強穩定性、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、信號值等在線監測，并與內部固化參數對比，得出傳感器硬件運行狀態。通過對傳感器標定參數、補償參數的對比，判斷傳感器內部參數的可信度，并給與相應報警，通過與外部通訊數據的交互，判斷讀取數據、控制指令發出源是否具有權限。

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

根據對國內外傳感器技術的研究現狀分析以及對傳感器各性能參數的理想化要求，現代礦用傳感器技術的發展趨勢可以從以下方面分析與概括。

（1） 利用新材料、新工藝開發新型傳感器。

發展性能和種類更加完善和豐富的新型礦用傳感器，改善現有傳感器。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。

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、放大且溫度補償等部分組裝成一個器件，如集成固態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字濾波處理，加上神經網絡、自學習等人工智能算法，從而形成傳感技術的智能化系統。

（3） 實現傳感技術硬件系統與元器件的微小型化。

利用集成電路微小型化的經驗，從傳感技術硬件系統的微小型化中提高其可靠性、質量、處理速度和生產率，降低成本，節約資源與能源，減少對環境的污染。隨著敏感元件、功能材料、制作工藝的發展，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絡的發展。

利用微傳感器與微機械、通信、自動控制、人工智能、物聯網等多學科的綜合技術，實現傳感器的無線網絡化、智能化，使其能根據煤礦生產特點主動完成指定任務。實現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、無線網絡的穩定性及實時性。

4 結 論

（1） 對我國礦用傳感器的技術發展現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 個發展方向：利用新材料、新工藝開發新型傳感器；開發集成化智能傳感器；實現傳感技術硬件系統與元器件的微小型化；推動礦用無線傳感器網絡的發展。