氧化物半导体甲烷传感器研究进展

介绍了氧化物半导体甲烷气体传感器的工作机理,论述了改善氧化物半导体甲烷气敏传感器性能的几种途径。采用加入催化剂、控制材料的微细结构、利用新的制备工艺和表面修饰等新方法、新技术可提高氧化物半导体甲烷气敏元件的灵敏度、选择性、响应和恢复特性、稳定性。     

基于可调谐激光检测技术的甲烷传感器

利用甲烷气体在1 653 nm附近的近红外吸收光谱,采用谐波检测的方法提出一种激光式甲烷传感器的设计理念,满足对传感器"高可靠性、高精度、高灵敏度"的需求。     

基于压力补偿的煤矿用激光甲烷传感器

提出了基于最小二乘法曲线拟合压力补偿算法模型,主要解决煤矿复杂环境下,激光甲烷传感器测量准确性受管道压力的影响误差较大的问题,通过最小二乘法对其测量结果进行修正及补偿,最大程度的消除压力对激光甲烷传感器在气体浓度测量过程中产生的误差,提高传感器系统运行的稳定性。     

无线激光甲烷传感器的设计研究

在对激光甲烷传感器工作原理分析基础上,提出了一种可以自动进行温度、压力补偿的无线激光甲烷传感器,并详细介绍了传感器的设计方案,具体包括总体设计方案、激光瓦斯探头设计、温度补偿、压力补偿、无线网络通信设计等内容,并进行了传感器性能试验。结果表明,设计的传感器具有传输效率高、性能稳定、响应速度快,可以实时对井下瓦斯浓度进行监测,满足矿井瓦斯监控需要。     

矿用压力传感器敏感元件温度漂移补偿技术

压力传感器敏感元件温度漂移是矿用压力传感器漂移的主要原因,文章列举了几种多晶硅压力传感器的温度漂移补偿方法,并分别讨论了它们的原理及特点,指出了更适合矿用压力传感器敏感元件的温度补偿方法。     

矿用激光甲烷传感器的稳定性试验及应用

为解决郭庄煤矿采煤工作面甲烷传感器频繁标定、稳定性差的问题,通过分析激光甲烷传感器的工作原理,对不同环境下传感器的稳定性进行试验分析,测试高温湿度下激光甲烷传感器的检测精度,通过与催化式甲烷传感器检测精度对比,结果表明:激光甲烷传感器的检测精度高、响应速度快,能实时检测工作面内甲烷气体浓度,保证矿井的安全高效生产。     

激光甲烷传感器在煤矿工作面的应用研究

为解决煤矿工作面传统甲烷传感器定期标定、稳定性及精度不够等问题,对激光甲烷传感器机理进行理论研究,研制国内领先的低功耗长距离激光甲烷传感器,并应用于内蒙某大型高瓦斯矿工作面瓦斯监测,解决甲烷传感器标校周期短、精度低、寿命短等问题。     

红外甲烷传感器温度校正模型研究

采用BP神经网络,建立了红外甲烷传感器温度校正模型。以隐层节点数为变量,研究了神经网络规模对训练速度和推广能力的影响。将贝叶斯正规化方法与Levenberg-Marquardt优化算法相结合,提高了神经网络训练的效率和推广能力。所建立的模型网络规模小,运算速度快,可以对温度变化引起的红外甲烷传感器非线性误差进行自动校正。     

调谐式激光甲烷检测装置

设计了基于调谐式激光吸收光谱技术的甲烷检测装置,采用DFB作为光源,通过对光源的调制实现甲烷气体浓度的谐波检测。该装置利用一次谐波作为反馈信号对光源输出波长进行稳频,利用二次谐波和一次谐波的比值作为系统的输出,消除了光源光强波动等共模噪声的影响。设计的调谐式激光甲烷检测装置通过了实验检验,在0～5%范围内的检测相对误差小于2%,满足煤矿安全监测的要求。     

光干涉甲烷检测器的光路改进与零点补偿

光干涉甲烷检测器具有稳定可靠性强、测量范围宽等优点,但现有设备都采用人工读数方式,自动化程度低,不能连接到煤矿监控系统。针对该问题,提出了一种基于测量干涉条纹光强的改进方法。通过改进光路设计,保证了甲烷体积分数与光强变化之间对应关系的惟一性。使用光电元件采集干涉条纹,根据干涉条纹的光强变化得到甲烷体积分数。针对光干涉甲烷检测器的零点受外界环境因素影响而发生漂移的问题,首先通过理论分析得到了外界气压与测量误差之间的关系模型,并使用该模型对外界气压变化进行补偿;然后由实验得到温度与测量误差之间的关系,采用线性插值方法建立温度补偿模型。最后通过精度实验、压强实验、温度实验和长期稳定性实验验证了所设计的补偿模型的有效性和系统的稳定性。     

半导体压阻式传感器的应用

传感器在生产和生活的各个方面应用广泛 ,而半导体压阻式传感器以其优越的性能成为现代测试领域的主角。在煤矿安全生产中 ,更需要传感器全面监测各种参数。如 :瓦斯监测、一氧化碳监测、二氧化碳监测、矿井压力监测、采煤机工作情况、皮带运输机的运转情况等。     

温补型光纤Bragg光栅压力传感器在锚杆支护质量监测中的应用

为了改善现有光纤光栅压力传感器应变-温度交叉敏感的问题,基于光纤光栅传感原理及弹性膜片结构,设计了一种新型的温度补偿压力传感器。建立了膜片结构变形力学模型,推导出了光纤光栅中心波长漂移与压力之间的数学关系,建立了传感器灵敏度与膜片材料和结构尺寸参数之间的数学方程,Matlab数值分析了膜片参数对灵敏度的影响,利用有限元软件ABAQUS对膜片变形特征进行了仿真分析。传感器理论压力灵敏度为40.43 pm/MPa,标定实验的灵敏度为35.6 pm/MPa,经温度补偿后的实际灵敏度为37.62 pm/MPa,实现了压力测量中的温度补偿。测试结果表明该传感器具有良好的线性度、较低的啁啾性及较高的稳定性,现场应用结果证实了光纤光栅传感技术在煤矿安全监测中的可行性,适合进一步推广应用。     

基于激光自稳频技术的分布式多点甲烷检测系统研究

为保证激光甲烷检测系统的长期稳定性,实现自动校准功能,同时大幅降低点式激光甲烷系统的成本,采用激光自稳频技术研发分布式多点激光甲烷检测系统。通过软硬件结合的方式实现激光自稳频,采用1/8光分束器将激光器出射光波分为8路,其中一路引入密封有恒定甲烷气体的参考气室,通过实时信号采集和处理得到甲烷吸收信号的二次谐波波形,提取出光波中心波长λ1和工作范围Δλ1,再通过闭环负反馈控制链路对激光器驱动电流进行自动调节。实验结果表明:在吸收波形中心位置处,波长控制精度达到0.000 1 nm,中心波长波动范围由1 653.697 5~1 653.749 6 nm减小至1 653.723 4~1 653.723 6 nm,波长工作光谱范围变化由0.138 1~0.159 6 nm减小至0.149 5~0.150 8 nm,将系统检测误差由原来的±4%减小至±0.5%;基于激光自稳频技术设计的分布式多点激光甲烷系统,能够实现多个测点甲烷的实时监测,其测量误差≤1%。采用激光自稳频技术,可以实现系统中工作波长的精确控制,进而保证激光甲烷检测系统在环境温度变化、器件老化等过程中性能的长期稳定性。     

基于监测覆盖范围的瓦斯传感器无盲区布置

通过建立矿井通风网络的图论模型,提出将监测范围作为传感器部署的理论依据,以节点间风流流经时间作为监测等级,应用覆盖度作为优选最佳测点标准,基于Dijkstra算法和极小支配集算法求得传感器的最佳布点.以一小型矿井通风网络为例,求解瓦斯传感器的最优布点,结果表明监测等级不同对应的安全等级也不同,布点的数量、位置以及监测覆盖度也不同.     

风量比例法在甲烷传感器优化布置中的应用

为了对井下瓦斯进行及时、有效地监控,提出将节点风量覆盖法作为瓦斯传感器放置的理论依据.首先建立通风网络各节点的瓦斯比例矩阵以及风量覆盖矩阵,定义目标函数及约束条件,将问题转换为0-1规划问题,给定覆盖度具体数值,利用隐含枚举法求得最佳布点.以一小型矿井通风网络为研究对象,结果表明,在瓦斯安全监控过程中,通过合理确定瓦斯传感器的数量和覆盖度数值,应用恰当的0-1规划法求解通风网络,可以求得瓦斯传感器的宏观布点.     

基于气体特征光谱吸收和谐波检测的瓦斯浓度测量技术

基于瓦斯的光谱吸收特性,采用分布反馈式半导体(DFB)激光器和性能良好的气体吸收室,利用数字锁相放大器SR830,对不同瓦斯浓度的一次及二次谐波信号进行了测量,并用LabVIEW软件分析数据.通过对实验数据的分析验证了瓦斯浓度在0～5%范围内与一、二次谐波比值有较好的线性关系,证实了二次谐波检测理论的优越性.     

THF对甲烷水合过程温度场影响的实验研究

为研究瓦斯水合物生成与分解过程的温度分布及热量传递规律,利用可视化实验系统研究了两种体系甲烷水合物生成过程反应热和水合过程的温度分布。根据实验数据,结合反应热计算方程,计算两种实验体系的反应热,研究促进剂四氢呋喃(THF)的添加对甲烷水合反应体系温度场的影响。结果表明,THF的添加,导致甲烷水合物的生成量增多,对应的反应热增多,提高了水合反应体系的温度以及温度的上升速率。     

瓦斯爆炸烟流浓度和温度的扩散规律

为了了解瓦斯爆炸后所产生高温、毒害性烟流的传播规律，对其进行了数学分析和数值模拟。基于模块化思想将烟流区域分成多个子区域进行分析，推导出了烟流浓度的传播模型;基于对流换热和热传导学建立了烟流温度的传播模型。对该一维烟流温度、浓度扩散模型进行了计算分析。以潘集三矿某掘进工作面发生瓦斯爆炸为例，利用流体模拟软件Fluent进行了烟流温度、CH4和CO浓度的模拟计算，得出了CH₄和CO的浓度、烟流温度的传播规律。对比分析一维模型和Fluent二维计算结果可知二者结论是一致的。