煤矿甲烷传感器应用现状与发展前景思考

瓦斯是煤炭采掘过程中从煤岩体内涌出气体的总称,其主要成分为甲烷,可以严重威胁煤矿生产。甲烷传感器是煤矿瓦斯监控系统核心监测设备之一,对预防瓦斯灾害起到重要作用。为提高煤矿瓦斯监测能力,实现矿井智慧化管理,在系统梳理甲烷传感器发展历程基础上,文章阐述了目前广泛使用的7类甲烷传感器工作原理、适用场景及其特点;分析了现有甲烷传感器的不足,结合煤矿自动化,智能化安全开采需求及井下环境特征,提出了未来甲烷传感器的研发方向,以期为现代化矿井安全生产提供装备保障。

反射式红外甲烷传感器气室结构优化设计与仿真分析

甲烷易引发火灾和爆炸,可通过红外吸收式甲烷传感器进行实时检测。此类传感器的传感部分包括红外光源、热释电探测器、红外气室等部件。其中,红外气室的尺寸结构与元器件摆放位置直接影响传感器的检测精度。文章针对反射式红外气室模型,对相关元器件选型后进行建模与仿真,得到热释电探测器总接收光线率为54.3%,其中接收窗口接收光线率36%的优化结构模型。

基于激光气体检测技术的甲烷传感器设计

目前激光甲烷传感器在检测精度、工作稳定性、响应时间和功耗方面还有一定的提升空间。设计了基于激光气体检测技术的甲烷传感器。甲烷传感器采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)实现甲烷气体检测,选用DFB激光器作为甲烷传感器的光源。采用限幅滤波和二阶数字滤波相结合的软件数字滤波方法,在软件滤波和硬件滤波双重保障下,显著提高测量数据的准确性。通过温度补偿和压力补偿得到甲烷浓度的最终值。误差测试结果表明,传感器测试值与标气之间呈现很好的线性关系,表征传感器具有较高的测试准确度。功耗测试结果表明,最大供电距离可达6 km。响应时间测试结果表明,甲烷传感器响应时间小于15 s。

矿用激光甲烷传感器的校准方法及其测量不确定度评定和应用

主要分析矿用激光甲烷传感器校准方法及测量不确定度的应用,重点介绍传感器的结构原理、校准前准备工作、传感器的校准项目、不确定度评定方法及符合性评定应用等,为激光甲烷传感器的校准与符合性评定提供技术依据,为保障煤矿安全生产提供技术保障。

基于抗干扰技术的催化式甲烷传感器设计

矿用甲烷传感器是煤矿安全监控系统中最重要的设备之一,其中载体催化式甲烷传感器因其技术成熟、性价比高等因素,在低瓦斯矿井中被广泛使用;由于矿井巷道电磁环境愈来愈复杂,催化式甲烷传感器检测数据抗干扰能力面临挑战。该文研究了煤矿用载体催化甲烷传感器的抗干扰技术,提出一种采用抗干扰技术的催化式甲烷传感器的设计方法,以提高传感器的准确性和可靠性,为煤矿安全监控系统提供可靠的感知数据。采用抗干扰硬件设计、抗干扰软件处理方法,设计了基于抗干扰技术的矿用催化式甲烷传感器,增强了传感器的工作的可靠性,提升了传感器的智能化应用水平,对于保障煤矿生产安全和提高生产效率具有重要意义。

新型激光甲烷传感器的设计与应用研究

为了提高能源企业气体监测系统的准确性及扩展性,设计了一种新型激光甲烷传感器,同时兼顾压力补偿和温度补偿两种功能,从硬件设计及软件设计两方面进行了重点分析。通过对传感器性能进行测试,结果表明:传感器的常态误差很小,温度测量误差值小于4%,压力测量误差值小于3%,符合安全监控系统要求,可精准监测瓦斯气体。

煤矿用红外甲烷传感器示值误差的不确定度评定

红外甲烷传感器是目前煤矿安全监控系统最重要的感知设备之一,对于及时预警瓦斯含量变化,避免瓦斯突出和爆炸事故发挥着重要作用,需定期送检保证其监测结果的准确性。为了评价实验室检验数据的质量,提供了一种针对煤矿用红外甲烷传感器示值误差的不确定度评定方法和步骤,按照标准要求给出了不同测量点的不确定度,经验证表明,实验室的示值误差检验结果是可靠和满足要求的。

矿用高低浓甲烷传感器检定装置升级改造

近年来,高瓦斯矿井接替、高瓦斯煤层开采、大采高技术的应用以及安全装备的全面覆盖,原来安装运行的催化燃烧式低浓度甲烷传感器和便携式甲烷测定器已不能满足建设要求,需要轮换的高低浓甲烷传感器量大大增加。现有的DCKJ-1型高低浓甲烷传感器检定装置检定样品台数有限,改造后增加悬挂装置、稳压电源、分线板和接线电缆,可以成倍地增加仪器的检定数量。

甲烷传感器在矿井监测监控的应用研究

矿井监测监控系统中甲烷传感器发挥着至关重要的作用,选择适合的甲烷传感器,能够有效地提升矿井监测监控甲烷气体数据的质量,实时掌控矿井内部甲烷气体浓度,为后续资源开发提供安全保障。基于此,以甲烷传感器以及矿井监测监控系统对研究对象,结合当前矿井开发现状,通过对我国常见的甲烷传感器设备以及其应用特点的分析,探究矿井监测监控系统的组成以及甲烷传感器设备调试,阐述甲烷传感器在矿井监测监控中的实际应用,保证气体监测数据质量。

矿用激光甲烷传感器示值误差校准方法及不确定度评定

本文提出矿用激光甲烷传感器示值误差的校准方法,并对校准方法的测量结果不确定度进行评定,为保证煤矿环境安全监测的甲烷量值准确可靠提供依据。

激光甲烷传感器检测误差温压补偿修正模型分析

温度对CH4气体吸收谱线具有显著影响,低温下吸收谱线变窄,高温下吸收谱线变宽。压力则导致了测量浓度的降低。为了提高测量精度,根据温度对吸收率和分子间距离的影响进行补偿。文章提出的基于BP神经网络的温压补偿修正模型经过实验验证,能够改善激光甲烷传感器的测量精度。通过修正温度和压力对传感器测量结果的影响,可以准确获得甲烷浓度的测量值。

低功耗红外甲烷传感器在煤矿安全监测中的应用优化研究

围绕低功耗红外甲烷传感器(GJG10H型)在煤矿安全监测中的应用进行深入研究,通过分析某煤矿安全监测项目,探讨传统监测系统的局限性、甲烷检测的挑战、现场环境对监测系统的影响以及安全监测数据处理和管理问题,进一步阐述GJG10H型红外甲烷传感器的工作原理、技术特征及优点,探讨其在智能化数据分析与预警、复杂矿井环境应对策略中的优化应用,旨在提供一种更高效、准确的煤矿甲烷监测方案,确保煤矿安全生产。

基于VCSEL激光器的激光甲烷传感器研制与应用

基于VCSEL激光器,研制了高性能低功耗激光甲烷传感器,并进行了实际应用。该激光甲烷传感器具有响应快速、灵敏度高、抗光学与电子干扰性能优、无接触性检测且选择性强等优点,解决了当今煤矿井下广泛使用的热催化式甲烷传感器存在的零点易漂移、电气功耗高、使用周期短、易受其他有毒有害气体干扰、易受现场湿度和温度影响等诸多问题,提高了安全监测监控系统的可靠性。

金属氧化物对甲烷传感器检测性能的提升作用研究

作为检测甲烷气体浓度的关键部件,甲烷传感器对于确保甲烷的安全应用至关重要。在检测过程中,催化燃烧式甲烷传感器通过引入氧化钴作为催化剂,能够显著提升自身检测性能。采用浸渍法,制备多种不同含量的氧化铈负载氧化钴催化剂材料。经过对材料比表面积测试,选择含有30%氧化钴的催化剂来制造甲烷传感器,并在测试系统中对制作的传感器进行了全面的性能测试,包括灵敏度、稳定性和选择性。结果显示,添加了氧化钴催化剂的甲烷传感器展现了出色的灵敏度,其灵敏度与甲烷浓度呈线性关系,且其对甲烷气体具有良好的选择性,能够在复杂的气体环境中准确识别甲烷气体。

表面沉积对甲烷传感器气体检测特性的影响

甲烷传感器是检测煤矿气体的重要元件。采用表面沉积的方式进行离子掺杂,以改变二氧化锡甲烷传感器的检测特性。采用实验分析的方式,对不同沉积掺杂浓度的气敏材料进行检测特性分析。结果表明,1.5%(质量分数)掺杂沉积时的检测特性最佳,能够提高甲烷传感器的工作性能。

基于ISSA-BP神经网络的激光甲烷传感器温度补偿研究

为有效提高宽温应用环境下激光甲烷传感器的探测精度,提出基于改进麻雀搜索算法优化BP神经网络的温度补偿模型,并利用实测大规模数据集进行验证。在模型框架上,提出具有全局寻优能力的ISSA-BP算法:利用准反射学习策略初始化麻雀种群以提高麻雀种群多样性,引入变色龙算法、Levy飞行策略和人工兔扰动策略分别对探索者位置、反捕食者位置和每代麻雀个体位置进行更新,避免算法陷入局部最优。在数据上,通过建立不同温度、不同浓度的传感器大规模实验数据集,提升温度补偿模型的训练效果并减小模型的预测误差。在-20℃~65℃温度范围内利用15800组传感器测量数据分别对BP、PSO-BP、SSA-BP和ISSA-BP四种模型进行对比。结果表明,基于ISSA-BP神经网络的温度补偿模型预测值最大相对误差仅为0.52%,比BP、PSO-BP和SSA-BP模型分别减少了7.70%、2.46%和0.74%,MAE、MAPE、RMSE和RE量化评价指标均远优于BP、PSO-BP和SSA-BP模型。本文算法可大幅提高宽温应用环境下激光甲烷传感器探测精度,对提升激光甲烷传感器的环境适用性具有重要的参考意义。

基于Fano共振的全介质型超表面甲烷传感器设计

与传统甲烷传感器相比,超表面甲烷传感器具有高度灵敏、性能稳定、小型化、集成化、多功能可定制等优点,更满足在煤矿等复杂环境下的应用需求。设计了基于Fano共振的全介质型超表面甲烷传感器。超表面结构由周期性的硅纳米结构和SiO2衬底组成,包含4个方形硅环纳米结构及中心的硅纳米方块。通过改变几何参数观察其对全介质超表面结构Fano共振的影响,结果表明,综合考虑结构的品质因数和调制深度,应选取方形硅环中心距离为1000 nm,方形硅环的内边长为100 nm,硅纳米块的边长为200 nm,此时品质因数为227.60,调制深度为99.98%,接近100%。通过在超表面结构内涂覆甲烷气敏薄膜实现传感检测功能,结合极窄线宽的Fano谐振特性和显著的局域场增强效应,实现对甲烷气体的高精度检测。仿真结果表明:全介质超表面传感器对甲烷体积分数的灵敏度为−0.953 nm/%,且甲烷体积分数变化与共振峰偏移量呈线性关系,监测性能较好;全介质超表面传感器的折射率灵敏度高达883.95 nm/RIU,且共振峰偏移量与环境折射率增量呈线性关系,可用于检测环境折射率的变化。

低功耗甲烷传感器研究进展

针对分布式无线甲烷传感器需功耗低、微型化、响应时间短、可靠性高、安全性好的要求,介绍了基于微机械电子系统技术和纳米材料的低功耗催化燃烧式、热导式、电导式甲烷传感器的工作原理和研究进展,分析了它们的优缺点,展望了低功耗甲烷传感器的发展方向和前景。①低功耗催化燃烧式甲烷传感器可测量低浓度甲烷,然而易中毒,稳定性不高,由于工作温度较高,低功耗催化燃烧式甲烷传感器的功耗一般较高,通过采用脉冲方式运行,传感器平均功耗可降低至2 mW以下;然而其稳定性不高,未来的研究方向是改进封装工艺或者催化材料,以增强其抗毒化的能力,同时需结合人工智能和机器学习等先进算法研究免人工校准的低功耗催化燃烧式甲烷传感器。②低功耗热导式甲烷传感器具有全量程测量甲烷的能力,可同时测量低浓度和高浓度甲烷,在矿井中可以稳定运行,且对煤矿井下环境的适应力强,具有分布式无线甲烷传感器应用前景;未来的发展方向是改进电路模组,实现睡眠-唤醒运行模式,同时研究传感器元件和外围电路的集成技术,以实现片上集成式热导式甲烷传感系统,降低整体运行功耗。③低功耗电导式甲烷传感器分为室温型和微加热板型,室温型电导式甲烷传感器功耗较低,但响应时间较长;微加热板型电导式甲烷传感器功耗相对低,结合特定的纳米材料,可以在较低工作温度下实现对甲烷的响应,具有低浓度甲烷监测应用前景,但微加热板电导式甲烷传感器一般对环境湿度很敏感,基线易偏移,敏感材料对电极的粘附力差,器件重复性和可靠性均较差,需要进一步改进敏感材料和封装工艺;应用磁控溅射方法将半导体氧化物敏感材料沉积到电极上可提高材料的粘附力,从而提高器件的重复性和可靠性,同时需结合算法纠正基线偏移,保证微加热板型电导式传感器的稳定运行。④从整个传感系统角度看,传感元件外围电路的功耗有时甚至高于传感元件本身,未来的方向是研究片上集成式甲烷传感器,可大大降低外围电路功耗,形成极低功耗甲烷传感器。⑤需要研究先进的传感器自校准算法,实现分布式无线低功耗甲烷传感器免人工标校或自校准。

激光甲烷传感器在瓦斯抽放管道在线监测的实践应用

为了有效处理传统矿井传感器检测过程中部分数据误差较大、响应落后等问题,设计出了无线激光甲烷传感器,阐明这种传感器的工作原理,详细介绍系统的总体设计及各个模块设计思路,建设试验环境以测试分析这种传感器的功能。测试表明,设计的无线激光甲烷传感器能精准检测出大气环境内的甲烷气体浓度,并且能够实时发出报警信号及智能断电,有效弥补了有线传感器的各种不足,降低人力成本的投入,增加安全系数,在运行中创造理想的效益。

矿用甲烷传感器标校系统设计

针对煤矿用甲烷传感器检测劳动强度大、工作效率低、安全性差等问题,设计了一套矿用甲烷传感器标校测试系统。该系统硬件是将各个检测模块进行电气化改造。系统软件采用虚拟仪器作为软件开发平台。通过试验验证,设计的矿用甲烷传感器标校系统可实现检测的自动化、精确化和安全化,能够降低劳动强度、提高工作效率和安全性,保障了煤矿的安全生产。