礦井瓦斯傳感器研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

馬 嘯，衛(wèi)琛浩，景欣瑞，黨文龍，王 佳，李茂慶

（1.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710100；2.陜煤集團(tuán)神木紅柳林礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719399）

0 引 言

我國作為一個煤炭生產(chǎn)大國，在煤炭井下開采過程中需要面臨十分復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，礦井下惡劣復(fù)雜的環(huán)境會對井下布置的瓦斯傳感器的日常監(jiān)測造成影響，導(dǎo)致井下災(zāi)害多發(fā)。瓦斯爆炸事故便是煤礦最嚴(yán)重的事故災(zāi)害之一[1]。據(jù)統(tǒng)計[2]，在2006—2015 年期間，共發(fā)生瓦斯爆炸事故234 起，死亡2 067 人，占所有重大煤炭安全事故發(fā)生起數(shù)的53.4%，死亡人數(shù)的60.4%。瓦斯作為煤礦安全的最大威脅，為保證煤礦安全生產(chǎn)，所有礦井必須裝備滿足煤礦安全規(guī)程的礦井瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，對煤礦井下影響安全的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，一旦某種危險因素達(dá)到臨界點（如瓦斯?jié)舛瘸鰣缶担┛梢约皶r發(fā)出報警信號，以便井下人員能夠及時采取措施進(jìn)行處理。

煤礦瓦斯是礦井中以甲烷為主的有害氣體的總稱，有時也單指甲烷，瓦斯傳感器實質(zhì)是檢測空氣中的甲烷濃度，當(dāng)瓦斯在空氣中的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到爆炸極限（5%～16%）[3]時，在一定條件下就會與空氣中的氧氣發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)而形成瓦斯爆炸。煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)是防范瓦斯爆炸事故的重要技術(shù)手段，系統(tǒng)中的各個設(shè)備特別是其中的瓦斯傳感器必須確保運行可靠、監(jiān)控有效。瓦斯傳感器作為煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)中的重要組成部分，是煤礦井下使用數(shù)量最多的傳感器[4]，國有重點煤礦平均每礦使用30 個瓦斯傳感器，安設(shè)地點包括井下各回采工作面、掘進(jìn)工作面、回風(fēng)巷中部、回風(fēng)口等。瓦斯傳感器起到實時檢測井下各個區(qū)域空氣中瓦斯?jié)舛鹊淖饔?，其狀態(tài)是否正常直接關(guān)系整個井下的安全生產(chǎn)。為保證瓦斯傳感器維持正常工作狀態(tài)，每7 d必須使用標(biāo)準(zhǔn)氣樣和空氣樣對其進(jìn)行調(diào)校一次，盡管如此還是無法避免瓦斯傳感器出現(xiàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、漏報、誤報等情況。

1 瓦斯傳感器分類

瓦斯傳感器主要由氣敏傳感元件、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、信號調(diào)節(jié)電路和輔助電源組成（圖1）。當(dāng)環(huán)境中的瓦斯氣體與傳感器的氣敏元件發(fā)生接觸后，由測量電橋發(fā)射出與瓦斯氣體濃度相適應(yīng)的電信號，該信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最終完成顯示、報警和通訊等功能[4]。隨著科技發(fā)展，瓦斯傳感器中的氣敏傳感元件種類也越來越多。目前比較常見的瓦斯傳感器主要包括接觸燃燒式傳感器[5]、半導(dǎo)體氣體傳感器[6]、紅外光譜吸收式傳感器[7]和光離子化氣體傳感器[8]。

圖1 瓦斯傳感器的組成Fig.1 Composition of gas sensor

1.1 催化燃燒式傳感器

該類傳感器是借助對瓦斯氣體的催化燃燒，通過傳感器敏感元件溫度的升高來完成傳感過程。該類傳感器敏感元件表面涂敷一層由鉑、鈀等稀有金屬催化層。當(dāng)瓦斯氣體接觸到敏感元件表面的催化物時便會燃燒，敏感元件表面溫度的升高便會引起電阻值的變化，根據(jù)電阻值的變化來測量瓦斯氣體的濃度。在實際應(yīng)用中，經(jīng)常使用惠斯通電橋[9]（圖2）作為測量電路。

圖2 惠斯通電橋Fig.2 Wheatstone bridge

圖2 中黑色電阻R1為催化元件，R2為補償元件，其中R1表面涂有催化劑層。在正常情況下，R3=R4，R1≈R2，電橋處于平衡狀態(tài)，當(dāng)催化元件接觸瓦斯氣體時，R1與瓦斯氣體接觸放熱，電阻值升高。此時有：

由于R3=R4，且R1=R2＞＞△R1，因此：

目前，接觸燃燒式傳感器是我國用來檢測礦井下瓦斯?jié)舛茸畛Ｓ玫膫鞲衅?。但是該類傳感器也有自身缺點。在礦井下的實際應(yīng)用中，如果瓦斯?jié)舛冗^高（＜5%），傳感器表面溫度就會十分接近甚至超過瓦斯氣體的著火點（593℃），傳感器自身就會成為爆炸源。如果遇到硫化氫等一些有毒氣體，敏感元件會因為中毒損壞而導(dǎo)致不能使用，給實際應(yīng)用帶來困難。郭二孩[10]設(shè)計了一種以嵌入式微處理器為核心的接觸燃燒式甲烷傳感器，檢測結(jié)果表明此類傳感器具有較好的監(jiān)控準(zhǔn)確性和運行穩(wěn)定性。

1.2 半導(dǎo)體瓦斯傳感器

該類傳感器適宜氧化物半導(dǎo)體為基本材料，瓦斯氣體吸附在半導(dǎo)體材料表面之后，會對敏感元件的電學(xué)特性造成影響，完成傳感過程。比較常用的半導(dǎo)體材料有SnO2、SnO、Fe2O3等，SnO2是一種表面控制型的寬帶隙N 型半導(dǎo)體，是目前檢測瓦斯氣體較為常用的氧化物半導(dǎo)體材料。純SnO2由于性能不佳，常常與Pd 或Pt 等貴金屬摻雜使用，以提高自身氣敏傳感性能。半導(dǎo)體瓦斯傳感器結(jié)構(gòu)示意如圖3 所示。

圖3 半導(dǎo)體瓦斯傳感器結(jié)構(gòu)示意[11]Fig.3 Structure of semiconductor gas sensor[11]

張正[12]等人利用液相法制備出SnO2粉末，并將其與Pd 摻雜的分子篩膜相結(jié)合，得到一種甲烷傳感器。經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)這種傳感器靈敏度較好，響應(yīng)時間約為3 s。史嘉文[13]采用溶膠法制備出Pd 摻雜的SnO2金屬氧化物半導(dǎo)體材料，并在其中分別摻雜Ca2+、Mg2+、Sr2+離子，研究發(fā)現(xiàn)Ca/Pd 共摻雜的SnO2氣體傳感器對CH4靈敏度最高，最高可達(dá)到8.36。

1.3 紅外光譜瓦斯傳感器

紅外光譜瓦斯傳感器是利用瓦斯氣體分子在紅外光譜上，由于振動和旋轉(zhuǎn)而具有特定的吸收峰這一特性來實現(xiàn)瓦斯氣體的監(jiān)測[14]。當(dāng)瓦斯氣體與傳感器的敏感元件接觸之后，通過吸收紅外線的特定波長來檢測瓦斯氣體濃度（圖4）。

圖4 紅外瓦斯傳感器工作流程示意[8]Fig.4 Working process of infrared gas sensor[8]

趙慶川[15]設(shè)計了一種LED 光源紅外光譜甲烷傳感器，甲烷氣體分子被吸收后，經(jīng)信號處理電路和補償算法修正得到甲烷氣體濃度值，測試結(jié)果表明該傳感器能耗較低，具有較好的穩(wěn)定性，且受水汽影響較小。王志斌[16]選用3.31 μm 作為甲烷氣體的特征峰波長，結(jié)合傳感元件設(shè)計了一種紅外光譜瓦斯傳感器，并在6 種不同的甲烷體積分?jǐn)?shù)環(huán)境中進(jìn)行了傳感器的測試，發(fā)現(xiàn)傳感器的最大值偏差僅有7%，且具有較好的穩(wěn)定性；從琳[17]基于比爾·朗伯定律，研制出煤礦井下瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測傳感器，實驗結(jié)果表明這種傳感器量程最大誤差為2.8%，數(shù)據(jù)波動范圍為0.015%；李敏[18]研制出了一種礦用紅外瓦斯傳感器，并通過實驗證明這種傳感器具有較好的靈敏度。

1.4 光離子化氣體傳感器

此類傳感器是一種高靈敏度瓦斯氣體傳感器。光離子化氣體傳感器一般采用紫外燈作為光源將氣體分子電離成帶正電的離子和電子，離子和電子在傳感器內(nèi)部的電場加速作用下形成微電流信號，通過檢測這種微電流信號來實現(xiàn)瓦斯氣體的傳感，因此這種傳感器的靈敏度特別高。但是此類傳感器并不具備氣體選擇性，且后續(xù)校正算法較為復(fù)雜，阻礙了這種傳感器的進(jìn)一步推廣（圖5）。

圖5 光離子傳感器工作流程示意[19]Fig.5 The workflowof optical ion sensor[19]

楊艷芳[20]等設(shè)計了一種緊湊高靈敏度的激光甲烷傳感器，并進(jìn)一步加強(qiáng)了輸出光聲信號強(qiáng)度，測試結(jié)果顯示在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和1 s 的時間下，該傳感器最終獲得的探測靈敏度為0.21 ppm。翟波[21]等人研究了光干涉式甲烷傳感器有關(guān)影響氣體折射率的因素，通過試驗找出傳感器的特性曲線；設(shè)計了適用于光干涉甲烷傳感器的特性非線性補償算法，獲得良好的實驗效果；梁光清[22]采用單模光收發(fā)一體模塊設(shè)計了一種基于光纖信號傳輸?shù)募淄閭鞲衅?，發(fā)現(xiàn)這種傳感器數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。

2 瓦斯傳感器常見故障

煤礦下環(huán)境較為復(fù)雜，井下的溫度、濕度、空氣成分等與井上環(huán)境有很大差異。這種特殊環(huán)境對瓦斯傳感器的氣敏傳感元件會造成一定程度的損壞，影響傳感器的靈敏度、精準(zhǔn)度和使用壽命等方面，造成錯誤報警現(xiàn)象。受煤層內(nèi)部復(fù)雜多變環(huán)境的影響，瓦斯監(jiān)控數(shù)據(jù)往往呈現(xiàn)出周期性、趨勢性的復(fù)雜特點[23]。目前礦用瓦斯傳感器的異常信號類型主要包括周期型異常信號、偏差型異常信號和卡死型異常信號。

2.1 周期性異常信號

瓦斯傳感器的傳感元件內(nèi)阻較高，比較容易受到外界的干擾。而礦井下工作環(huán)境較為復(fù)雜，瓦斯傳感器周圍往往有大功率變頻設(shè)備。當(dāng)瓦斯傳感器受到周圍電源或信號源的干擾時，輸出信號就會受到周期性的波動，從而導(dǎo)致周期性的連續(xù)錯誤報警現(xiàn)象（圖6）。

圖6 周期性異常信號Fig.6 Periodic abnormal signal

2.2 偏差型異常信號

這類故障主要是由于礦井下環(huán)境中溫度、濕度較高，且空氣中粉塵灰燼較多，容易對瓦斯傳感器的敏感元件造成影響，從而導(dǎo)致瓦斯傳感器的輸出值與正常環(huán)境中的輸出值具有一定的偏差，偏差故障也會導(dǎo)致瓦斯傳感器的錯誤報警，影響礦井下的正常生產(chǎn)工作（圖7）。

圖7 偏差型異常信號Fig.7 Deviation abnormal signal

2.3 卡死型異常信號

這類故障主要是由于礦井下空氣環(huán)境中粉塵較多，這些粉塵和污垢容易附著在傳感元件表面，影響傳感元件與瓦斯氣體的接觸和反應(yīng)，最終導(dǎo)致瓦斯傳感器的輸出信號始終維持在一個定值，瓦斯傳感器無法繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測工作，傳感器損壞（圖8）。

圖8 卡死型異常信號Fig.8 Card dead abnormal signal

3 礦用瓦斯傳感器發(fā)展展望

在未來的幾十年內(nèi)，煤炭在我國的能源結(jié)構(gòu)中將依然處于重要地位，因此對礦井下作業(yè)人員的安全防護(hù)和生產(chǎn)保障技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的意義。為了將瓦斯傳感器的性能進(jìn)一步提高，未來瓦斯傳感器的研究方向有以下幾點。

（1）新型瓦斯傳感材料的研發(fā)。

接觸燃燒式瓦斯傳感器和半導(dǎo)體傳感器是目前應(yīng)用較為廣泛的傳感器，在煤礦中得到了很好的推廣，多次成功的監(jiān)測到瓦斯?jié)舛鹊淖兓?，預(yù)防了瓦斯爆炸事故的發(fā)生。但是由于這兩類傳感器的檢測方式需要與瓦斯氣體接觸反應(yīng)，不僅功耗較大，而且在充滿易燃易爆氣體的礦井中長期使用，存在很大的安全隱患。因此在實際應(yīng)用中受到一定的限制。瓦斯傳感器的研究方向是利用新型瓦斯傳感材料來替代現(xiàn)有傳感材料，可以從傳感材料的制備工藝、摻雜方式等方面進(jìn)行改性，以制備出一種性能更高的瓦斯氣敏材料。

（2）優(yōu)化瓦斯傳感器敏感元件。

礦井下環(huán)境惡劣，充斥了粉塵及易燃易爆等有害氣體，且悶熱潮濕，具有強(qiáng)電磁干擾、沖擊振動等，非常不利于傳感器工作，對傳感器的正常響應(yīng)和信號傳輸造成影響，因此需要對瓦斯傳感器發(fā)出的故障信號進(jìn)行排查和檢出，避免因傳感器的故障信號造成不必要的損失?？梢岳镁郾桨?、聚吡咯等導(dǎo)電高分子材料對瓦斯傳感器氣敏元件進(jìn)行包覆，這種導(dǎo)電高分子材料具有較好的抗腐蝕性，穩(wěn)定性較好，使用壽命較長，與敏感元件進(jìn)行復(fù)合，以獲得一種穩(wěn)定性較好，導(dǎo)電性較強(qiáng)，使用壽命較好的新型瓦斯傳感器。

（3）與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的智能化瓦斯傳感器。

目前礦山自動化和智慧礦山是煤礦發(fā)展的必然趨勢，作為物聯(lián)網(wǎng)的前端，瓦斯傳感器未來也必然會朝著智能化方向發(fā)展。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等技術(shù)，可以使傳感器的失誤報警概率大幅降低，與5G 通訊和現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)交互技術(shù)相結(jié)合，能夠令瓦斯傳感器與礦井中其他監(jiān)控設(shè)備實現(xiàn)聯(lián)動?？梢灶A(yù)見，未來瓦斯傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)測多種氣體和智能化功能。

4 結(jié) 論

（1）目前較為常見的瓦斯傳感器類型分別是接觸燃燒式瓦斯傳感器、半導(dǎo)體氣敏傳感器、紅外光譜瓦斯傳感器和光離子瓦斯傳感器。這四種傳感器工作原理各不相同，適用于礦井下不同環(huán)境中。

（2）礦井下環(huán)境特殊，與地面相比有較大差距。瓦斯傳感器難免會因為環(huán)境因素而產(chǎn)生異常信號。較為常見的故障信號類型分為周期型異常信號；偏差型異常信號和卡死型異常信號。

（3）隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，新材料、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，未來瓦斯傳感器將會使用靈敏度高、抗腐蝕性強(qiáng)、使用壽命長的新材料制備，減少瓦斯傳感器異常報警現(xiàn)象的同時，與5G 通訊技術(shù)和計算機(jī)結(jié)合，推動智慧礦山的發(fā)展。