智能型二次爆炸瓦斯預(yù)警儀碩士學(xué)位論文1

1、學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。其他同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。本人學(xué)位論文與資料若有不實(shí)，愿意承擔(dān)一切的法律責(zé)任。學(xué)位論文作者簽名：_ 年 月 日關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本人完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱，學(xué)校可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編本學(xué)位論文

2、。保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此協(xié)議 學(xué)位論文作者簽名：_ 導(dǎo)師簽名：_ 年 月 日 年 月 日摘 要 關(guān)鍵詞： abstract目錄1 緒論11.1 引言11.2 研究現(xiàn)狀21.2.1 國內(nèi)外測(cè)爆裝置的研究現(xiàn)狀21.2.2 國內(nèi)外安全評(píng)價(jià)研究現(xiàn)狀21.3 論文研究的意義41.4 論文的研究?jī)?nèi)容及研究路線41.4.1 本課題的研究?jī)?nèi)容41.4.2 本課題所采用的技術(shù)路線52 煤礦井下瓦斯爆炸安全評(píng)價(jià)危險(xiǎn)源分析72.1 瓦斯爆炸條件72.2 爆炸界限及其主要影響因素72.2.1 溫度對(duì)爆限的影響72.2.2 氣壓對(duì)爆限的影響82.2.3氧濃度對(duì)爆限的影響82.3 多種可燃?xì)怏w共存時(shí)爆炸危險(xiǎn)性的判

3、定132.4 爆炸三角形的溫度校正152.5 環(huán)境溫度對(duì)失爆氧濃度的影響172.6 二次爆炸發(fā)生機(jī)理182.7 本章小結(jié)183 本安型井下瓦斯測(cè)爆儀硬件電路分析193.1 系統(tǒng)硬件框圖193.2 氣體傳感器及cpu的分類與選型193.2.1 甲烷傳感器的選型及工作原理203.2.2 二氧化碳傳感器的選型及工作原理213.2.3 氧氣和一氧化碳傳感器的選型及工作原理223.2.4 cpu的選擇233.2.5 液晶選型243.2.6 其它器件選型243.3 硬件電路設(shè)計(jì)263.3.1 傳感器控制及放大濾波電路263.3.2 鐵電存儲(chǔ)器電路303.2.3液晶顯示電路303.2.4 鍵盤電路313.2

4、.5 聲光報(bào)警電路323.2.6 系統(tǒng)電源333.4 硬件抗干擾措施353.5 本安電路考慮353.6 可爆性分析軟件設(shè)計(jì)363.7 本章小結(jié)374 模糊綜合評(píng)判理論394.1 模糊綜合評(píng)判的數(shù)學(xué)模型394.1.1 模糊綜合評(píng)判的概述394.1.2 模糊綜合評(píng)判的步驟414.2 權(quán)重和隸屬度的確定方法434.2.1 層次分析法434.2.2 層次分析法步驟484.3隸屬度的確定方法494.4 本章小結(jié)505 煤礦井下發(fā)生連續(xù)爆炸的模糊綜合評(píng)判515.1 確定權(quán)重515.2 確定單因素隸屬度565.3 煤礦井下發(fā)生連續(xù)爆炸的模糊綜合評(píng)判595.4 模糊綜合評(píng)判結(jié)果分析605.5 模糊綜合評(píng)判的軟

5、件實(shí)現(xiàn)615.5.1 模糊綜合評(píng)判軟件特點(diǎn)及功能615.5.2 模糊綜合評(píng)判軟件流程圖625.6 本章小結(jié)656 結(jié)論與展望67參考文獻(xiàn)69致謝71攻讀學(xué)位期間已發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及科研成果721 緒論1.1 前言建國以來煤炭工業(yè)經(jīng)過50多年的改革建設(shè)，安全狀況雖然有了較大的改善，但傷亡事故仍然比較嚴(yán)重，重大事故時(shí)有發(fā)生。近幾年的礦井瓦斯爆炸，尤其是二次連續(xù)爆炸造成的安全事故一直居高不下。設(shè)備老化、檢測(cè)精度不夠、管理落后是產(chǎn)生事故的重要原因，對(duì)事故產(chǎn)生原因的分析表明，事故發(fā)生的直接原因是井下對(duì)危險(xiǎn)氣體檢測(cè)精度不夠，危險(xiǎn)預(yù)測(cè)精度不高，各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自身故障及其相互影響導(dǎo)致了事故的發(fā)生。井下瓦斯?jié)舛缺O(jiān)

6、測(cè)和對(duì)連續(xù)爆炸進(jìn)行安全預(yù)測(cè)，是整個(gè)礦井發(fā)生一次爆炸后決定礦井狀態(tài)安全的一個(gè)重要的子系統(tǒng)，通過對(duì)井下瓦斯等可燃?xì)怏w的運(yùn)行特性狀態(tài)和一次爆炸后的環(huán)境條件進(jìn)行綜合考慮，確定具體位置的安全性直接關(guān)系到整個(gè)礦井的運(yùn)行和安全狀態(tài)。煤礦井下瓦斯連續(xù)爆炸的控制已經(jīng)成為我國煤炭行業(yè)能夠健康發(fā)展的重要因素，同時(shí)隨著國家對(duì)連續(xù)爆炸的重視也讓它成為煤礦安全工作研究者的重要研究課題之一。目前，我國煤礦安全監(jiān)測(cè)技術(shù)有很大的提高，但還存在一些迫切需要解決的問題，如硬件設(shè)施方面，煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)裝備落后，各種監(jiān)測(cè)傳感器與國外先進(jìn)水平差距較大。在軟件技術(shù)方面，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息處理水平落后，只能對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、

7、顯示和打印，有限的數(shù)據(jù)資源“挖掘”分析程度不夠，災(zāi)害隱患判別和應(yīng)急救援決策的信息量不足，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)重大災(zāi)害隱患。同時(shí)，國內(nèi)外都開展了煤礦安全性評(píng)價(jià)研究，但大多是針對(duì)單一災(zāi)害的危險(xiǎn)源進(jìn)行靜態(tài)評(píng)估，沒有對(duì)瓦斯災(zāi)害發(fā)生前的所有監(jiān)測(cè)進(jìn)行融合，如煤層溫度、煤層壓力等1。因此，本課題的研究對(duì)于煤礦井下安全工作者所面臨的安全評(píng)價(jià)，加強(qiáng)對(duì)井下一次爆炸以后連續(xù)爆炸及具體地點(diǎn)的爆炸危險(xiǎn)性的評(píng)估，降低井下作業(yè)的危險(xiǎn)性具有重大意義。1.2國內(nèi)外氣體檢測(cè)研究發(fā)展?fàn)顩r國外發(fā)達(dá)國家對(duì)吸收式氣體傳感技術(shù)的研究起步較早。最早用光譜吸收式光纖傳感技術(shù)進(jìn)行氣體濃度測(cè)試研究的是日本tohoku大學(xué)的h.inaba和k.chan等人

8、，在光纖透射窗口波段范圍內(nèi)，作了一些氣體傳感的基本研究。1979年，他們提出利用長(zhǎng)距離光纖進(jìn)行大氣污染檢測(cè),1983年，他們用led作為寬帶光源，配合窄帶干涉濾光片，對(duì)甲烷在1331.2 nm附近的q線進(jìn)行檢測(cè)。其后，1985年，h.inaba和k. chan及h. ito等人又用ingaas材料led作為光源去對(duì)準(zhǔn)甲烷在1665.4 nm處的諧波吸收峰，系統(tǒng)最小探測(cè)靈敏度提高了一倍1。1987年，j.p.dakin和c.a.wade等人報(bào)道了一種利用梳妝濾波器和寬帶光源(led)測(cè)量甲烷氣體濃度的方法。利用一個(gè)和氣體吸收峰相匹配的梳妝濾波器，氣體吸收引起的相對(duì)輸出光功率變化將會(huì)大大提高，檢測(cè)

9、效率得到改善，測(cè)量靈敏度也有近10倍的提高。1990年，h. tai和k. yamamto等利用1.66m單模分布反饋式(dfb ld)半導(dǎo)體激光器，采用了波長(zhǎng)(頻率)調(diào)制的諧波檢測(cè)方法，室溫下檢測(cè)甲烷氣體濃度，最小可探測(cè)靈敏度達(dá)到20ppm。這一系統(tǒng)將可調(diào)諧半導(dǎo)體激光光源(dfb ld)、波長(zhǎng)調(diào)制諧波檢測(cè)和光纖技術(shù)結(jié)合起來，獲得了較高的探測(cè)靈敏度。1992年，h. tai給出了采用兩個(gè)dfb ld光源組成一個(gè)復(fù)合光源，在同一個(gè)光纖傳感系統(tǒng)中同時(shí)測(cè)量甲烷和乙炔的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)傳輸光纖長(zhǎng)4km，氣室長(zhǎng)10cm，檢測(cè)系統(tǒng)采用波長(zhǎng)調(diào)制的諧波檢測(cè)技術(shù)，甲烷的最小可探測(cè)靈敏度為5ppm，乙炔的最小可

10、探測(cè)靈敏度為3ppm。v. weldon在1993年報(bào)道采用一個(gè)1.64m的可調(diào)諧dfb激光器，同時(shí)測(cè)量甲烷和二氧化碳的實(shí)驗(yàn)研究。系統(tǒng)最小探測(cè)靈敏度優(yōu)于10ppm。在窄帶光源用于氣體傳感取得高靈敏度的同時(shí)，寬帶光源系統(tǒng)也有一些突破。1993年，靳偉博士和g. stewart報(bào)道了用寬帶光源結(jié)合可調(diào)梳狀濾波器的波長(zhǎng)調(diào)制諧波檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)甲烷氣體的檢測(cè)，最小探測(cè)靈敏度為20ppm，達(dá)到熱光光源的理論極限。1998年，英國strathclyde大學(xué)b. culshaw報(bào)道了利用空分復(fù)用方式作的多點(diǎn)光纖氣體傳感系統(tǒng)。1999年，jean-francois doussin等人提出中紅外分光計(jì)的多路氣

11、室設(shè)計(jì)，選擇最佳路徑長(zhǎng)度為672m的多路徑氣室，用來監(jiān)測(cè)大氣中的甲烷氣體污染，ch4探測(cè)極限為30到100ppb。2005年，芬蘭土爾庫大學(xué)物理學(xué)院光學(xué)與光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)室j. uotila等人基于選擇性差分光聲痕量氣體分析方法，采用中紅外吸收波段，ch4探測(cè)精度達(dá)到10ppb的數(shù)量級(jí)。2000年miha zavrsnik報(bào)道了基于相干復(fù)用的串聯(lián)光纖體傳感復(fù)用系統(tǒng)。2003年，g. stewart首次報(bào)道了在垃圾掩埋場(chǎng)的瓦斯氣體濃度檢測(cè)統(tǒng)，采用分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，帶有45個(gè)傳感頭，覆蓋面積為5平方千米。2004年，東京氣體股份有限公司開發(fā)出基于1.66m的便攜式甲烷遙感探測(cè)器，使用了ingaasp分

12、布反饋激光器，探測(cè)器的下限為5ppm。2004年羅斯科學(xué)研究院物理研究所報(bào)道了采用單頻激光，進(jìn)行了甲烷氣體在1654nm處的吸收實(shí)驗(yàn)。德國heidelberg大學(xué)環(huán)境物理研究所ulrich platt教授首先提出差分光學(xué)吸收光譜學(xué)(doas)的概念。通過差分吸收檢測(cè)技術(shù)消除光源的不穩(wěn)定以及光電器件零漂等因素的影響，獲取準(zhǔn)確的氣體濃度信息。國內(nèi)紅外氣體檢測(cè)技術(shù)的研究起步較晚，但是，隨著國家及其列入重點(diǎn)資助范圍，近幾年逐步形成熱點(diǎn)。1989年，西安光機(jī)所郭栓運(yùn)等介紹了差分法光譜氣體傳感器的基本原理，列舉了一些具體應(yīng)用實(shí)例。1994年，中國科技大學(xué)的董小鵬等人利用半導(dǎo)體激光器，采用單光路、雙波長(zhǎng)的差

13、分技術(shù)，利用1.67m的紅外輻射，對(duì)甲烷氣體進(jìn)行檢測(cè)，最小檢測(cè)濃度達(dá)到0.47%。1997年，山東礦業(yè)學(xué)院的曹茂永等對(duì)吸收光譜式瓦斯傳感器的參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。在簡(jiǎn)述光纖瓦斯傳感器原理的基礎(chǔ)上，利用差分吸收法消除光源不穩(wěn)定及光電器件的溫漂、時(shí)漂對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響，并介紹了采用函數(shù)擬合和線性插值進(jìn)行線性校正。2001年10月19日由中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所承擔(dān)的研究項(xiàng)目在長(zhǎng)春正式通過了專家鑒定，這表明我國電化學(xué)氣體傳感器關(guān)鍵技術(shù)研制達(dá)到了國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。電化學(xué)氣體傳感器體積小，檢測(cè)速度快、準(zhǔn)確、便攜、可現(xiàn)場(chǎng)直接檢測(cè)和連續(xù)檢測(cè)。2001年，吉林大學(xué)王一丁等人，基于朗伯-比爾吸收定律，設(shè)計(jì)了具有新型

14、光路和電路結(jié)構(gòu)的便攜式紅外ch4氣體檢測(cè)儀。該儀器具有智能化、低功耗和低成本等特點(diǎn)，可以應(yīng)用于礦山、冶金、化上、石油、機(jī)械等上業(yè)和環(huán)境保護(hù)中。2003年西安科技學(xué)院電氣與控制工程學(xué)院周奇勛等人，將at89c51單片機(jī)引入到甲烷檢測(cè)儀中，采用數(shù)字化芯片，大大地提高了甲烷檢測(cè)精度和減小了儀表體積。2005年中國科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的闡瑞峰等人對(duì)環(huán)境空氣中甲烷(ch4)的含量進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)。以室溫下工作的近紅外可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器作為光源，使用多次反射增加吸收光程來提高檢測(cè)靈敏度;并且使用了二次諧波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)一步降低了檢測(cè)限，使檢測(cè)限低于0.087mg/m3，滿足了對(duì)環(huán)境空氣中甲烷進(jìn)行監(jiān)

15、測(cè)的需要。2007年由安徽寶龍電器有限公司研制開發(fā)的新型瓦斯檢測(cè)產(chǎn)品，采用具有實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、快速檢測(cè)，以及多組分待測(cè)條件下的高選擇性和高靈敏度檢測(cè)分析等優(yōu)勢(shì)的環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)，應(yīng)用非分散紅外差分吸收光譜學(xué)(doas)的方法，集成光譜技術(shù)、紅外技術(shù)、微處理技術(shù)于一體，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦井下瓦斯氣體的連續(xù)、快速檢測(cè)。安全評(píng)價(jià)，也叫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)(risk assessmne)，簡(jiǎn)稱ra，其實(shí)質(zhì)是指利用系統(tǒng)科學(xué)的理論和方法辨識(shí)危險(xiǎn)對(duì)系統(tǒng)的安全性進(jìn)行定性和定量的預(yù)測(cè)和分析，尋求最佳的危險(xiǎn)源控制與處理對(duì)策，從而達(dá)到系統(tǒng)安全的目的控制危險(xiǎn)性能力的評(píng)價(jià)。安全評(píng)價(jià)是一個(gè)對(duì)系統(tǒng)危險(xiǎn)性的辨識(shí)過程，通過辨識(shí)發(fā)現(xiàn)和測(cè)出新的危險(xiǎn)性和

16、危險(xiǎn)性的變化，計(jì)算其事故發(fā)生率及嚴(yán)重度(危險(xiǎn)的定量化)，預(yù)示其風(fēng)險(xiǎn)率。安全評(píng)價(jià)的目的是為了評(píng)價(jià)系統(tǒng)危險(xiǎn)的可能性及其后果嚴(yán)重程度，以尋求最低事故率、最小的損失和最優(yōu)的安全投資效益。安全評(píng)價(jià)的內(nèi)容因評(píng)價(jià)對(duì)象的不同而有很大差異，就其實(shí)質(zhì)而言，安全評(píng)價(jià)包含危險(xiǎn)性確認(rèn)和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)兩個(gè)部分。從安全評(píng)價(jià)上面來看，我國井下爆炸預(yù)測(cè)系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)研究尚處于起步階段，沒有取得系統(tǒng)的研究成果。我國煤礦地下作業(yè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性以及適應(yīng)性強(qiáng)的安全評(píng)價(jià)理論和技術(shù)研究需要進(jìn)一步的深入和完善，由井下瓦斯爆炸事故引發(fā)的礦山重大傷亡事故的客觀存在也說明了進(jìn)行井下可燃?xì)怏w檢測(cè)研究、建立科學(xué)的爆炸預(yù)測(cè)安全評(píng)價(jià)體系是十分緊迫和必要的?，F(xiàn)

17、有的安全評(píng)價(jià)法主要包括定性評(píng)價(jià)方法、指數(shù)評(píng)價(jià)方法、概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法、未確定測(cè)度評(píng)價(jià)模型法、模糊綜合評(píng)判法等。定性評(píng)價(jià)方法的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、便于操作、評(píng)價(jià)過程及結(jié)果直觀,但含有相當(dāng)高的經(jīng)驗(yàn)成分,帶有一定的局限性,對(duì)系統(tǒng)危險(xiǎn)性的描述缺乏深度；不同類型評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)價(jià)結(jié)果沒有可比性。指數(shù)評(píng)價(jià)方法操作簡(jiǎn)單,指數(shù)的采用,避免了事故概率及其后果難以確定的困難,評(píng)價(jià)指數(shù)值同時(shí)含有事故頻率和事故后果兩個(gè)方面的因素,但評(píng)價(jià)模型對(duì)系統(tǒng)的安全保障體系的功能重視不夠,特別是危險(xiǎn)物質(zhì)和安全保障體系間的相互作用的關(guān)系未予考慮。概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清晰,相同元件的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相互借鑒性強(qiáng),該方法要求數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、充分、分析完整、判

18、斷和假設(shè)合理,并能準(zhǔn)確地描述系統(tǒng)中的不確定性。對(duì)于化工、煤礦等行業(yè),由于系統(tǒng)復(fù)雜,不確定性因素多,人員失誤概率的估計(jì)十分困難；未確定測(cè)度評(píng)價(jià)模型法根據(jù)未確定數(shù)學(xué)理論,建立未確定測(cè)度模型,是信度識(shí)別準(zhǔn)則,并對(duì)指標(biāo)因素進(jìn)行分析,確定指標(biāo)因素的可靠程度,可對(duì)煤礦進(jìn)行安全預(yù)評(píng)價(jià)；未確定測(cè)度評(píng)價(jià)模型嚴(yán)謹(jǐn),評(píng)價(jià)結(jié)果合理,分辨率高,適合安全預(yù)評(píng)價(jià)。模糊綜合評(píng)判法應(yīng)用于多層次、多因素場(chǎng)合對(duì)事物進(jìn)行綜合評(píng)定,該方法綜合考慮對(duì)礦井火災(zāi)的發(fā)生有影響的各個(gè)因素,通過數(shù)學(xué)運(yùn)算來確定其危險(xiǎn)等級(jí)。1.3 論文研究的意義井下爆炸事故危害巨大，必須把井下瓦斯爆炸安全評(píng)價(jià)與預(yù)防提到煤礦安全管理的首要位置。通過對(duì)井下多種氣體爆炸危

19、險(xiǎn)性的綜合評(píng)判分析，實(shí)現(xiàn)“安全第一，預(yù)防為主”的目的。爭(zhēng)取變事后處理為事前預(yù)測(cè)預(yù)防，通過對(duì)煤礦井下發(fā)生連續(xù)爆炸的可能性進(jìn)行模糊綜合評(píng)判，增加防范措施，盡量減少發(fā)生連續(xù)爆炸事故，特別是重大連續(xù)爆炸事故，降低井下作業(yè)危險(xiǎn)性，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)當(dāng)前中國煤礦業(yè)的現(xiàn)狀，無論是國家管理部門，還是煤炭行業(yè)的資深專家都認(rèn)為，整合煤礦資源，強(qiáng)化安全管理，加大安全生產(chǎn)投入，采取現(xiàn)代化采煤技術(shù)，提高井下瓦斯檢測(cè)精度，這是實(shí)現(xiàn)我國煤礦安全生產(chǎn)最根本的發(fā)展之路。針對(duì)我國中小型煤礦特別是小型煤礦存在的隱患問題，現(xiàn)代化的、小型的、便攜的、價(jià)格低廉的智能型井下瓦斯二次爆炸檢測(cè)裝置的研制勢(shì)在必行的，適應(yīng)我國煤礦安全發(fā)

20、展需求。1.4 論文的研究?jī)?nèi)容及研究路線1.4.1 本課題的研究?jī)?nèi)容為研究煤礦井下多組分氣體的爆炸特性，防治煤礦井下瓦斯連續(xù)爆炸事故，人們探索了各種途徑去研制礦井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和檢測(cè)裝置。對(duì)各種實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了巷道模擬實(shí)驗(yàn)。也有很多產(chǎn)品投入到市場(chǎng)中去，應(yīng)用上文中提到的爆炸三角形的方法也能確定出測(cè)量點(diǎn)與爆炸三角形的位置關(guān)系。然而，實(shí)際應(yīng)用和理論計(jì)算相差甚遠(yuǎn)，很多產(chǎn)品因?yàn)榫_度不高而廢棄。其原因在于很多科研單位對(duì)煤礦井下的情況缺少實(shí)際的認(rèn)知，所以導(dǎo)致實(shí)際產(chǎn)品不能真實(shí)反映理論模型的情況。因此本課題除了應(yīng)用爆炸三角形對(duì)位置危險(xiǎn)程度急需要采取的措施進(jìn)行評(píng)定以外，還應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)中模糊綜合評(píng)判理論，全面考慮煤礦

21、井下經(jīng)過一次爆炸以后周圍環(huán)境的變化情況，引爆火源問題及其它相關(guān)因素的影響進(jìn)行全方位的安全評(píng)價(jià)。由于模糊控制不依賴于受控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，所以應(yīng)用模糊綜合評(píng)判對(duì)井下發(fā)生連續(xù)爆炸的安全行進(jìn)行評(píng)價(jià)研究是非常有意義的。本課題來源于國家“十一五”專題“火區(qū)封閉與啟封條件判別技術(shù)”中的子課題“便攜即顯式火區(qū)氣體爆炸性測(cè)試儀”。本文以測(cè)爆裝置的研制為課題背景，將模糊綜合評(píng)判理論和測(cè)爆裝置的檢測(cè)技術(shù)所構(gòu)建的爆炸三角形知識(shí)相結(jié)合，對(duì)煤礦井下發(fā)生連續(xù)爆炸的可能性及爆炸危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行雙重評(píng)判，提高生產(chǎn)環(huán)境安全性。在建立測(cè)爆裝置硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，較系統(tǒng)的闡述了應(yīng)用模糊綜合評(píng)判對(duì)煤礦井下發(fā)生連續(xù)爆炸危險(xiǎn)性評(píng)判數(shù)學(xué)模型的建

22、立，在綜合考慮多組分氣體爆炸特性的基礎(chǔ)上，劃分了要評(píng)判的等級(jí)，應(yīng)用最大隸屬度和加權(quán)平均方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。 1.4.2 本課題所采用的技術(shù)路線本文結(jié)合模糊綜合評(píng)判的理論方法，全面分析能夠引起礦井連續(xù)爆炸的潛在危險(xiǎn)的全部信息，確定井下瓦斯連續(xù)爆炸的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。本文的主要研究路線為：(1).簡(jiǎn)要概述研制的便攜式井下測(cè)爆裝置的硬件電路。使其能夠?qū)ΦV井下能夠引起爆炸的各種氣體進(jìn)行精確的檢測(cè)，并在液晶屏上顯示出各種氣體的濃度。顯示出具體點(diǎn)與爆炸三角形的安全位置關(guān)系。(2).引入模糊綜合評(píng)判理論，建立井下瓦斯連續(xù)爆炸的多級(jí)模糊評(píng)判的數(shù)學(xué)模型。其核心內(nèi)容是評(píng)價(jià)因素體系和模糊綜合評(píng)判模型的建立以及評(píng)價(jià)因

23、素權(quán)重的分配。(3).利用層次分析法(ahp)確定因素權(quán)重，力求使權(quán)重的賦值科學(xué)、合理、能夠客觀反映各因素對(duì)井下爆炸事故重要性，建立綜合評(píng)判模型體系。(4).運(yùn)用模糊綜合評(píng)判的方法，根據(jù)一次爆炸有能夠引起連續(xù)爆炸的因素的各項(xiàng)指標(biāo)值進(jìn)行綜合分析，結(jié)合其權(quán)重值進(jìn)行評(píng)判，計(jì)算出可能引起爆炸的評(píng)判值。本課題是一項(xiàng)理論性和實(shí)用性相結(jié)合的研究，在研究過程中擬采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究、理論分析研究、專家調(diào)查三個(gè)步驟進(jìn)行。本課題的研究將采用聯(lián)合研究的方法進(jìn)行，由遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全學(xué)院與電氣與控制工程學(xué)院共同承擔(dān)。采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)查詢和圖書館查詢相結(jié)合，查取近二三年的國內(nèi)外有關(guān)井下瓦斯連續(xù)爆炸理論、方法和先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)等最新

24、的圖書和資料，搜查國內(nèi)外有關(guān)井下瓦斯連續(xù)爆炸的最新研究成果。根據(jù)查詢的資料，首先對(duì)國內(nèi)外有關(guān)企業(yè)尤其是煤礦企業(yè)的安全評(píng)判的最新成果、安全管理思想、內(nèi)容、方法、特點(diǎn)以及適用條件等內(nèi)容進(jìn)行分析、分類、和比較，借鑒其中先進(jìn)的觀點(diǎn)和方法，豐富、充實(shí)和完善我們井下連續(xù)爆炸安全性的安全評(píng)判思想、內(nèi)容和方法。2 煤礦井下瓦斯爆炸安全評(píng)價(jià)危險(xiǎn)源分析2.1 瓦斯爆炸條件瓦斯，它的另外一個(gè)名稱沼氣，它是來自英文和俄文的不規(guī)范發(fā)音。瓦斯的主要成分是甲烷，它的化學(xué)元素符號(hào)是，是一種無毒、無味、無色的可燃性氣體。礦井瓦斯爆炸是一種熱鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（也叫鏈鎖反應(yīng)）。當(dāng)爆炸混合物吸收一定能量（通常是引火源給予的熱能）后，反應(yīng)分子

25、的鏈即行斷裂，離解成兩個(gè)或兩個(gè)以上的游離基（也叫自由基）。這類游離基具有很大的化學(xué)活性，成為反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行的活化中心。在適合的條件下，每一個(gè)游離基又可以進(jìn)一步分解，再產(chǎn)生兩個(gè)或兩上以上的游離基。這樣循環(huán)不已，游離基越來越多，化學(xué)反應(yīng)速度也越來越快，最后就可以發(fā)展為燃燒或爆炸式的氧化反應(yīng)。所以，瓦斯爆炸就其本質(zhì)來說，是以甲烷為主的可燃性氣體和空氣組成的爆炸性混合氣體在火源引發(fā)下發(fā)生的一種迅猛的氧化反應(yīng)，生成大量的熱量。瓦斯爆炸必須同時(shí)具備三個(gè)條件：一定濃度的瓦斯（瓦斯?jié)舛仍诳杀秶鷥?nèi)）、足夠濃度的氧氣和足夠能量的引燃火源。瓦斯爆炸總包反應(yīng)方程式為：+2(+)=+2+7.52+882.6(2-1)混

26、合氣體中甲烷的濃度為9.5時(shí)理論上爆炸最猛烈。2.2 爆炸界限及其主要影響因素爆炸界限也稱為爆炸極限，其含義是可燃?xì)怏w與空氣或氧氣混合后，遇有引火源會(huì)產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象的可燃?xì)怏w的極限濃度，即在某一極限濃度之內(nèi)的混合氣體，爆炸會(huì)自行蔓延開來?？赡墚a(chǎn)生爆炸的可燃?xì)怏w的最低極限濃度稱為爆炸下限；最高極限濃度稱為爆炸上限。下限以下無爆炸危險(xiǎn)，它與可燃性氣體不足或氧氣過剩有關(guān)，上限以上不爆炸，這與氧氣不足或可燃?xì)怏w過剩有關(guān)，另外上、下限與實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)。常溫常壓下，瓦斯的爆炸界限為515%。2.2.1 溫度對(duì)爆限的影響烷空氣體的爆炸界限同環(huán)境溫度的關(guān)系如圖2-1所示。可看出：隨著溫度的升高，甲烷爆炸下限下降、

27、上限升高，即爆炸范圍擴(kuò)大。爆炸下限與環(huán)境溫度的變化方程： (2-2)圖2-1 烷空氣體的爆炸界限與環(huán)境溫度的變化關(guān)系圖fig2-1 the relational graph between explosion boundaryof methane and temperature arroundings爆炸上限與環(huán)境溫度的變化方程： (2-3)2.2.2 氣壓對(duì)爆限的影響爆炸初始時(shí)環(huán)境的氣壓對(duì)烷空氣體的爆炸界限也有很大影響，隨著環(huán)境壓力的升高，甲烷爆炸下限變動(dòng)很小而上限上升很大，這個(gè)規(guī)律對(duì)烴類氣體都適用。煤礦井下采空區(qū)通常壓力變化不大，可以忽略壓力對(duì)爆炸界限的影響。在本設(shè)計(jì)中忽略了氣壓的影響。2

28、.2.3氧濃度對(duì)爆限的影響在礦山作業(yè)環(huán)境區(qū)域內(nèi)，特別是對(duì)于井工煤礦，由于采動(dòng)破壞、煤自身氧化、煤火災(zāi)害等影響因素，生成了大量的可燃易爆性氣體和入風(fēng)風(fēng)流混合，形成了礦井可燃混合氣體。礦井可燃混合氣體主要由可爆氣體組份（如甲烷、氫氣、一氧化碳等）、助燃?xì)猓ㄖ秆鯕猓⒁直瑲猓炊铓?，包括氮?dú)夂投趸迹┤糠纸M成。礦井可燃?xì)怏w的組份比例不同，其爆炸危害性也不同，通過分析礦井可燃?xì)怏w的組份構(gòu)成及比例，可以界定其爆炸危險(xiǎn)性區(qū)間，同時(shí)也可以對(duì)火災(zāi)的發(fā)生發(fā)展態(tài)勢(shì)或熄滅程度做出初步的預(yù)測(cè)。對(duì)于指導(dǎo)礦井救災(zāi)工作及防治火災(zāi)而言，特別是對(duì)于控制瓦斯爆炸災(zāi)害的二次發(fā)生及火災(zāi)性氣體的爆炸性識(shí)別，保障井下作業(yè)人員及救護(hù)隊(duì)

29、員的生命安全，具有十分重要的意義。礦井可燃?xì)怏w爆炸性可以劃分為爆炸危險(xiǎn)、潛在爆炸危險(xiǎn)和不爆炸三個(gè)典型區(qū)間。關(guān)于礦井可燃性混合氣體的爆炸危險(xiǎn)性問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作，目前公認(rèn)的是美國學(xué)者h(yuǎn)hghes和raybould于1960年提出的柯瓦德爆炸三角形理論，利用動(dòng)態(tài)柯瓦德爆炸三角形原理，依據(jù)礦井火災(zāi)性可燃?xì)怏w的即時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算可爆性混合氣體的爆炸上下限及臨界點(diǎn)的二維笛卡爾坐標(biāo)值，動(dòng)態(tài)勾畫爆炸三角形區(qū)域，由易爆性混合氣體的坐標(biāo)值的空間點(diǎn)所處的位置可即時(shí)判別礦井火災(zāi)氣體的爆炸性。礦井可燃性氣體主要由瓦斯（本文中專指甲烷）、一氧化碳、氫氣和重碳?xì)浠衔锝M成。一旦有火災(zāi)，隱患極易發(fā)生爆炸。

30、其中，由于瓦斯的來源最豐富，既有煤層中自然涌出的瓦斯，再加上煤自然氧化及火災(zāi)過程中產(chǎn)生的瓦斯，所以發(fā)生瓦斯爆炸的危險(xiǎn)性最大。當(dāng)一個(gè)煤礦既有自燃問題，又有瓦斯問題時(shí)，如何在防火，滅火和救災(zāi)過程中防止瓦斯爆炸，這是一個(gè)十分重要而又相當(dāng)復(fù)雜的課題。波蘭在這方面做了深入研究，他們一方面研究了火區(qū)氣體爆炸性的判別方法，一方面研究了防止瓦斯爆炸的技術(shù)措施。火區(qū)氣體是一種混合氣體，除含外，還含有多種爆炸性成分：等。當(dāng)他們構(gòu)成一定比例時(shí)，就可能在自燃火源下發(fā)生爆炸。判別這種火區(qū)氣體的爆炸性對(duì)避免危險(xiǎn)和制定防爆措施具有重要的意義。波蘭過去都采用勒氏指數(shù)法來判斷火區(qū)氣體的爆炸性，即根據(jù)測(cè)得的火區(qū)氣體成分計(jì)算勒氏指

31、數(shù)和最小安全氧含量，如果0.6且,則認(rèn)為該氣體有爆炸危險(xiǎn)性，否則無爆炸危險(xiǎn)性。勒氏指數(shù)：=+(2-4)最小安全氧含量：=(2-5)式中：、和分別為、和（重碳?xì)洌┑暮浚?后來波蘭又在爆炸三角形的基礎(chǔ)上研究出了混合氣體爆炸三角形判別法。當(dāng)空氣中僅含單獨(dú)一種氣體時(shí)，根據(jù)爆炸性試驗(yàn)結(jié)果，可以在直角坐標(biāo)系中作出關(guān)于的爆炸三角形圖。圖2-2 爆炸三角形圖fig2-2 explosion triangle of 圖中縱坐標(biāo)為“空氣”（實(shí)驗(yàn)時(shí)只用和混合即可）中含量(100-可以理解為含量)，橫坐標(biāo)為空氣中混入的的含量，圖中任一坐標(biāo)點(diǎn)都代表一種混合氣體的成分組成特征。空氣中最高含量約為21%（在縱坐標(biāo)上位點(diǎn)）

32、，混入后，其中減少，增高，最大可達(dá)100%（在橫坐標(biāo)上點(diǎn)為）,即火區(qū)或采空區(qū)內(nèi)空氣全被所置換。連線即為在=21%的空氣中不斷加入時(shí)混合氣體成分的變化線。對(duì)線上不同成分的混合氣體進(jìn)行爆炸性實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)小于5%或者大于15%時(shí)均無爆炸性。5%稱為爆炸下限，15%稱為爆炸上限。在圖中分別為點(diǎn)和的橫坐標(biāo)和。如果空氣中先加入一定量的，那么的含量將降至,的含量將增高至。再在這種超量的空氣中不斷加入，也可以得到一條成分變化線,經(jīng)過試驗(yàn)也可確定出其爆炸下限點(diǎn)和上限點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明,1則取=1，如果求出0則取=0。(4)計(jì)算點(diǎn)坐標(biāo)；=(2-11)=(2-12)式中和、和、和、和為系數(shù)，見表2-3表2-3氣體系數(shù)對(duì)應(yīng)

33、表tab2-3 mapping table of gas factor氣體數(shù)系10.3763.016010-0.78001-2.85214.9183.5334.5430.14-0.01-0.1075.4010.1160.698-2.43513.0393.3963.1170.161-0.007-0.43.6220.1440.797-2.61914.2693.5264.1210.386-0.009-0.2164.8490.0720.729-2.51911.8722.0091.9371.052-0.005-0.7242.233-0.0370.875-2.39112.1053.3832.9371.09

34、8-0.008-0.4293.442-0.0010.808-2.63712.1053.2942.1641.982-0.005-0.5382.537-0.1100.859-2.71012.1393.2642.2981.525-0.006-0.5302.562-0.1400.858-2.67716.3093.5774.9010.2270.011-0.0445.7190.1160.68-2.416(5)將點(diǎn)按其坐標(biāo)(xp，yp)繪在爆炸三角形坐標(biāo)系內(nèi)并判斷其危險(xiǎn)程度；把不同成分和含量的爆炸性混合氣體的爆炸三角形圖固定起來，再設(shè)法修正點(diǎn)坐標(biāo)的方法構(gòu)思非常巧妙。利用動(dòng)態(tài)柯瓦德爆炸三角形原理，依據(jù)礦井火災(zāi)

35、性可燃?xì)怏w的即時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算可爆性混合氣體的爆炸上下限及臨界點(diǎn)的二維笛卡爾坐標(biāo)值，動(dòng)態(tài)勾畫爆炸三角形區(qū)域，由易爆性混合氣體坐標(biāo)值的空間點(diǎn)所處的位置可即時(shí)判別礦井火災(zāi)氣體的爆炸性。2.4 爆炸三角形的溫度校正發(fā)生礦井火災(zāi)后,無論是采用直接滅火的惰化法,還是采用間接滅火的火區(qū)封閉法,在判斷火區(qū)的可燃性混合氣體(包括煤炭干餾后放出的可燃性氣體)是否會(huì)因火源的存在而發(fā)生爆炸時(shí),往往多采用瓦斯()爆炸三角形判別法。由于礦井火區(qū),特別是煤層自燃發(fā)火區(qū),可燃性氣體并非單一的瓦斯,加之火區(qū)溫度也非正常工作區(qū)的溫度,因此,結(jié)合火區(qū)溫度變化的實(shí)際情況,尋求一種綜合考慮多種可燃性氣體同時(shí)存在的新的爆炸三角形判斷法

36、,對(duì)于正確評(píng)判礦井火區(qū)可燃性混合氣體的爆炸危險(xiǎn)性,尤其是對(duì)于保障礦工的生命健康安全,具有十分重要的意義。礦井火區(qū)內(nèi)的可燃性氣體,是多種可燃性氣體的混合體。根據(jù)氣體爆炸理論,其混合氣體的爆炸界限可按le chatelier式進(jìn)行計(jì)算：(2-13)式中, 混合氣體爆炸上限或下限,%；、各可燃?xì)怏w占可燃性混合氣體總和的體積百分比,即：+=100%(2-14)、各可燃?xì)怏w的爆炸上限或下限,%。煤礦火區(qū)中幾種常見可燃性氣體的爆炸上下限如表2-4所示。表2-4煤礦火區(qū)中幾種常見可燃性氣體的爆炸上下限tab2-4 explodings ups and collars of common explosive

37、in the colliery burning area氣體名稱化學(xué)符號(hào)爆炸界限（%）空氣中氧氣中下限上限下限上限甲烷5.0015.005.161.0乙烷3.2212.45丙烷2.49.502.352.0氫氣4.0074.204.094.0一氧化碳12.575.015.594.0硫化氫4.3245.5乙烯2.7528.63.080.0戊烷1.407.80 火區(qū)的溫度一般很高,因此,實(shí)際計(jì)算火區(qū)內(nèi)可燃性混合氣體爆炸界限時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)火區(qū)內(nèi)的溫度及火區(qū)內(nèi)各種可燃性氣體的成份,對(duì)爆炸上下限按下式進(jìn)行溫度校正：(2-15)(2-16)式中, 、分別為各可燃性氣體在t時(shí)的爆炸下限和上限；、分別為各可燃性

38、氣體在25時(shí)的爆炸下限和上限。2.5 環(huán)境溫度對(duì)失爆氧濃度的影響 爆炸臨界點(diǎn)處的氧濃度稱為失爆氧濃度，如果混合氣體中氧濃度低于此值，則混合氣體因缺氧而失去爆炸性，反之因富氧為爆炸提供了條件。環(huán)境溫度對(duì)失爆氧濃度的影響見下圖所示。圖2-3 失爆氧濃度與溫度的變化關(guān)系 fig2-3 changing relation between losing oxygen consistence and temprature 用惰化烷空氣體時(shí)，失爆氧濃度與溫度方程：(2-17)用惰化烷空氣體時(shí)，失爆氧濃度與溫度方程：(2-18)氧濃度降低不僅使爆炸范圍縮小，而且爆炸壓力也明顯減小。從圖2-3與表2-1可知,失

39、爆氧濃度隨環(huán)境溫度的增加而減小，溫度每增加100，失爆氧濃度約減小1%。在相同惰化效果條件下，采用比節(jié)省10%以上的用量，因?yàn)槎杌瘯r(shí)，其失爆氧濃度比高2.53。但是因?yàn)椴簧俚V區(qū)附近有廉價(jià)的液氮來源，所以實(shí)際上用惰化火區(qū)的礦井還是比較多的。為了抑制爆炸，使用的摻入量為36%；時(shí)為23%；而三氟一溴甲烷僅為3.6。抑制火焰所需要的最大濃度為4.7，此值是防止井下甲烷爆炸的最低值。不導(dǎo)電，蒸發(fā)成氣態(tài)時(shí)很干凈，毒性最小。2.6 二次爆炸發(fā)生機(jī)理二次瓦斯爆炸事故稱為瓦斯連續(xù)爆炸事故。它有如下特點(diǎn)：多發(fā)生在瓦斯涌出量較大和有自燃發(fā)火的煤層與礦井，瓦斯連續(xù)爆炸次數(shù)和兩次爆炸的間隔時(shí)間與災(zāi)區(qū)的通風(fēng)情況有直接關(guān)

40、系。從事故統(tǒng)計(jì)情況看，兩次爆炸的時(shí)間間隔短則幾分鐘，長(zhǎng)則十幾小時(shí)甚至幾十小時(shí)，瓦斯連續(xù)爆炸容易引起煤塵爆炸。大多數(shù)高瓦斯礦井很容易發(fā)生連續(xù)瓦斯爆炸事故。據(jù)目前資料統(tǒng)計(jì)，我國發(fā)生連續(xù)瓦斯爆炸事故中，連續(xù)爆炸次數(shù)最多的可達(dá)1000多次。礦井連續(xù)發(fā)生瓦斯爆炸的原因是多方面的，從客觀上講，主要有以下幾種原因：一是火災(zāi)或首次瓦斯爆炸破壞了通風(fēng)系統(tǒng)，隨著瓦斯不斷涌出使爆炸區(qū)域內(nèi)瓦斯達(dá)到爆炸極限，接觸明火后再次引起爆炸；二是首次瓦斯爆炸沖開了火災(zāi)密閉，自燃火災(zāi)引起瓦斯二次爆炸；三是局部瓦斯爆炸沖開采空區(qū)盲巷密閉，導(dǎo)致大量瓦斯泄出，接觸引爆火源，很容易發(fā)生瓦斯連續(xù)爆炸；四是在反向沖擊波作用下，反向沖擊的空氣中

41、含有足夠的瓦斯和氧氣，接觸爆源附近的火源造成瓦斯二次爆炸甚至多次連續(xù)爆炸事故。從主觀上講，造成瓦斯二次爆炸的原因有以下兩種：一是在處理火災(zāi)中滅火方案失當(dāng)，給一次瓦斯爆炸創(chuàng)造了條件；二是在瓦斯爆炸后的搶救過程中違章指揮，不認(rèn)真檢查瓦斯?jié)舛?，違章作業(yè)，使事故擴(kuò)大引起瓦斯再次爆炸。2.7 本章小結(jié)本章通過對(duì)采空區(qū)多組分氣體的爆炸特性分析，介紹了瓦斯的爆炸條件及溫度，氣壓和氧濃度對(duì)爆炸界限的影響，根據(jù)甲烷爆炸三角形分引入了當(dāng)多種氣體共存時(shí)爆炸危險(xiǎn)三角形的確定方法，根據(jù)多次連續(xù)爆炸的實(shí)際案例分析了二次爆炸發(fā)生的機(jī)理，為下面的評(píng)判理論做了合理鋪墊。3 本安型井下瓦斯測(cè)爆儀硬件電路分析3.1 系統(tǒng)硬件框圖圖

42、3-1 本安型瓦斯測(cè)爆儀硬件電路框圖fig3-1 hard circuit block diagram of eexia gas explosimeter本系統(tǒng)由dsp及其外圍電路、氣體傳感器電路、氣體傳感器可控加熱回路、溫度檢測(cè)電路、傳感器信號(hào)放大濾波電路、鐵電存儲(chǔ)器電路、12864點(diǎn)陣液晶顯示電路、鍵盤控制電路、聲光報(bào)警電路、電壓轉(zhuǎn)換電路、電池充放電電路、rs-232接口電路組成。裝置的工作原理為空氣泵將待測(cè)氣體泵入傳感器所在的腔體，非電信號(hào)的待測(cè)氣體由傳感器轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)后由tms320f2812的a/d轉(zhuǎn)換單元將該模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，dsp根據(jù)溫度值對(duì)

43、各傳感器所測(cè)值進(jìn)行溫度補(bǔ)償和修改，dsp依據(jù)各傳感器濃度計(jì)算公式算出所測(cè)氣體濃度，根據(jù)爆炸三角形的劃分方法，決定采樣氣體有無爆炸危險(xiǎn)，并在液晶顯示面板上顯示當(dāng)前位置氣體濃度與爆炸三角形的關(guān)系，如果達(dá)到報(bào)警值則通過聲光報(bào)警單元進(jìn)行報(bào)警。dsp可將采集到的數(shù)據(jù)通過rs-232接口電路送到pc機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。3.2 氣體傳感器及cpu的分類與選型本裝置能夠測(cè)量、及等四種氣體濃度，氣體傳感器是裝置檢測(cè)的起點(diǎn)也是系統(tǒng)的核心和重點(diǎn)，選擇合適的傳感器成為決定裝置成功的關(guān)鍵。選擇的原則如下：(1)氣體傳感器測(cè)量范圍適合于實(shí)際需要，測(cè)量精度滿足要求；(2)體積小，功耗小，在電池的支持下能夠工作足夠長(zhǎng)的時(shí)間；(3

44、)接口簡(jiǎn)單，與之相配合的前置電路簡(jiǎn)單可靠；(4)環(huán)境溫度變化是引起的輸出信號(hào)的變化是有規(guī)律的，能夠進(jìn)行有效補(bǔ)償；(5)性能穩(wěn)定，不需要經(jīng)常校正，使用壽命長(zhǎng)；目前國內(nèi)常用的氣體傳感器按照氣敏特性來分，主要分為：半導(dǎo)體型、電化學(xué)型、固體電解質(zhì)型、接觸燃燒型、光化學(xué)型等氣體傳感器。半導(dǎo)體型氣體傳感器具有成本低廉、制造簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、對(duì)濕度敏感低和電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；不足之處是必須在高溫下工作、對(duì)氣體或氣味的選擇性差、元件參數(shù)分散、穩(wěn)定性不理想、功率高等方面。電化學(xué)氣體傳感器是通過檢測(cè)電流來檢測(cè)氣體的濃度，分為不需供電的原電池式以及需要供電的可控電位電解式，目前可以檢測(cè)許多有毒氣體和氧

45、氣，后者還能檢測(cè)血液中的氧濃度。電化學(xué)傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是氣體的高靈敏度以及良好的選擇性。不足之處是有壽命的限制一般為兩年。固態(tài)電解質(zhì)就是以固體離子導(dǎo)電為電解質(zhì)的化學(xué)電池。它介于半導(dǎo)體和電化學(xué)之間。選擇性，靈敏度高于半導(dǎo)體而壽命又長(zhǎng)于電化學(xué)，所以也得到了很多的應(yīng)用，不足之處就是響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。接觸燃燒式氣體傳感器只能測(cè)量可燃?xì)怏w。又分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式，原理是氣敏材料在通電狀態(tài)下，可燃?xì)怏w在表面或者在催化劑作用下燃燒，由于燃燒使氣敏材料溫度升高從而電阻發(fā)生變化。后者因?yàn)榇呋瘎┑年P(guān)系具有廣普特性應(yīng)用更廣。光學(xué)式氣體傳感器主要包括紅外吸收型、光譜吸收型、熒光型等等，主要以紅外吸收型為主。由

46、于不同氣體對(duì)紅外波吸收程度不同，通過測(cè)量紅外吸收波長(zhǎng)來檢測(cè)氣體。目前因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)關(guān)系一般造價(jià)頗高?？紤]到各種氣體傳感器的特性及本裝置選型原則，本設(shè)計(jì)中選用紅外傳感器ir12bd測(cè)量甲烷濃度，固體電解質(zhì)傳感器mg811測(cè)量濃度，電化學(xué)傳感器o2a2和4co-500分別測(cè)量和的濃度。3.2.1 甲烷傳感器的選型及工作原理 井下待測(cè)氣中可燃?xì)庵饕煞质羌淄椋虼诉x用測(cè)量精度較高的紅外傳感器ir12bd。ir12bd采用非分散性紅外(ndir)技術(shù)來檢測(cè)氣體，這種非毒化的傳感器技術(shù)依賴于目標(biāo)氣體特有的明確的吸收光譜，這用來分辨目標(biāo)氣體和氣體的濃度。使用一個(gè)合適的紅外光源，通過目標(biāo)氣體對(duì)光線的吸收來檢測(cè)

47、目標(biāo)氣體的存在和濃度。其工作原理為：向四周擴(kuò)散的氣體通過傳感器頂端的顆粒過濾膜進(jìn)入傳感器的光學(xué)房間。依靠表面的光線能量的變化，在內(nèi)部的鋰鉭探測(cè)器輸出信號(hào)。在傳感器中使用一個(gè)長(zhǎng)壽命鎢白熾燈作為寬頻紅外線的來源。燈的電壓必須是脈沖電壓。最適合的工作脈沖電壓為4hz，50%占空比。通過脈沖電壓來減少或消除光線的背景干涉作用。探測(cè)器信號(hào)包括了直流電壓疊加的諧波。兩個(gè)紅外探測(cè)器被使用，過濾器與活躍的探測(cè)器是相匹配的，這些探頭對(duì)具有絕對(duì)強(qiáng)吸收光線的特殊氣體是透明的。當(dāng)需要設(shè)計(jì)一個(gè)滿意的解決方案和要求一個(gè)緊湊結(jié)構(gòu)的傳感器時(shí)，可以使用這種只需短距離光學(xué)距離的傳感器。當(dāng)光學(xué)輻射穿過稀薄的氣體時(shí)，來自活躍探測(cè)器的峰-峰波紋高度將減少。第二個(gè)參考探測(cè)器因?yàn)槭褂貌煌倪^濾器而對(duì)這樣的變化不敏感。通過獲取第二個(gè)峰-峰探測(cè)器信號(hào)的比率，我們能夠分辨出目