传感器在煤矿中的应用研究
摘要：改革开放30多年来，我国经济取得了巨大成就，在取得的这些成就背后，离不开煤炭产业的帮助。煤炭业已经成为我国的支柱产业之一，它为我国各行业的发展提供了强大的能源动力。然而在煤炭开采的过程中会遇到各种问题，例如煤矿瓦斯监测问题、煤矿环境监测问题以及煤矿自动化问题等等。本文针对煤矿存在的这几类问题，探讨传感器在煤矿中的应用。希望本文的提出，能为改善我国煤矿开采状况提供帮助。
关键词：压力传感器；无线传感器；模糊传感器；煤矿；应用研究
Application study of optical sensor in coal mine
Chen YuanYuan ChongQing Industry Polytechnic College,Yubei District
CongQing , 401120
Abstract: more than 30 years of reform and opening-up, our country economy has obtained the huge achievement, behind these achievements, can not get away from the coal industry's help. Coal industry has become one of the pillar industries in our country, it provides powerful energy for development of industries in our country power. However in the process of coal mining will encounter all sorts of problems, such as coal mine gas monitoring, coal mine environmental monitoring problems and issues of coal mine automation and so on. Aiming at this a few kinds of problems of coal mine, this paper discuss the application of sensor in coal mine. Hope that this article puts forward, can help improve coal mining in our country.
Key words: pressure sensor; Wireless sensor; The fuzzy sensor; Coal mine; Applied research
0 引言
近十年，我国煤炭行业的发展突飞猛进，我国已经逐渐超过世界其它产煤大国，位居世界第一大产煤国家。但是，在这个“光环”的照耀下，我们也不能忽视我国煤炭开采过程中的一些问题。我国的绝大多数煤矿开采条件都比较复杂，这些煤矿的安全问题不仅制约了我国煤炭行业的可持续发展，而且严重威胁了煤矿工人的生命健康。为此，我国煤矿的安全成为我国的重大社会经济问题，急需得到解决。
随着各种传感器的研发生产，人们越来越多的将传感器应用到煤矿中，在应对煤矿瓦斯爆炸问题上，模糊传感器成为人们的首选；在煤矿环境监测方面，人们更多的是选择无线传感器；此外，人们还会经常将霍尔传感器应用到煤矿的自动化管理方面。本文以下内容将对几种传感器进行简单的介绍，然后着重分析这些传感器在煤矿中的应用研究。
1 我国煤矿开采中主要存在的问题
1.1 安全问题
安全问题是煤矿开采过程中最为突出的问题，它对人们的生命健康构成了巨大威胁，因此是我国现代化煤矿建设中最为棘手的问题之一。为此，党和积极推出了一系列的煤矿安全应对措施，但是都收不到很好的效果。造成这种后果的主要原因是“上有、下有对策”，制定的各项应对本来是很好的，但是很难得到贯彻落实，多数显得苍白无力，形同虚设。
1.2 地表植被破坏问题
我国很多煤矿在开采的过程中，容易忽视开采活动对周围环境的破坏问题，例如煤矿周围地表植被的破坏，严重的影响到当地的生态环境，进而给当地人们的生活带了的巨大影响。目前，我国普遍存在只开采不恢复的不良现象，很多煤矿开采企业为了追求利益的最大化，随便做一下植被恢复工作，有的企业甚至不对破坏的植被采取任何恢复措施。为了我国煤炭产业的可持续发展，呼应广大煤矿开采企业做好环境保护措施。
1.3 水资源问题
我们都知道，煤矿开采过程中，不可避免的会对水资源造成浪费甚至污染，但是只要我们做好相关防护措施的话，还是能够将污染程度在可接收范围内的。目前，我国很多煤矿开采企业缺少水资源保护观念，在煤矿开采过程中，随意破坏地下含水层的原始流经，不仅造成了成宝贵水资源的流失，而且污染了水资源。为了保护水资源，广大煤矿开采企业应该及时将矿井内的涌水排除，这样既防止了水害的发生，而且对水资源起到了一定的保护。
2 传感器在煤矿中的应用研究
2.1 模糊传感器在煤矿瓦斯监测中的应用
2.1.1 模糊传感器的原理与功能
2.1.1.1 基本概念
模糊传感器是以数值的测量为工作基础的，它在感受外界的基础上，通过产生相应的
信号，通过自身对这些信号进行识别分析，最后转化成人们能够看懂的“语言”将信号转化成人们能够理解的语言是模糊传感器的核心环节，它的运行必须借助模糊集合理论。
2.1.1.2 模糊传感器的功能
模糊传感器是当今一种比较先进的智能化传感器，它除了具有传统传感器的功能外，还具备其他一些功能，如自我组织学习功能，这些新型的功能决定了当模糊传感器遇到不同情况时，能够通过对情况进行综合判断而采取不同的测量错失。模糊传感器能够借助“知识”的集成生成相应的模糊推理规则，通过对测量数值进行拟合，从而将信号转化成供人识别的语言。模糊传感器和传统传感器相似，具有各种敏感元件，如温度敏感元件、压力敏感元件以及流量敏感元件等，和传统传感器不同之处在于，传统传感器以数字的形式对结果进行输出，而模糊传感器则是以语言符号的形式将结果输出。
2.1.1.3 模糊传感器的基本结构
模糊传感器的具体原理框架见图1，从图1中我们可以看出，模糊传感器的转换层以及信号调整层和传统传感器是一样的。不同的是，在模糊传感器中，信号转换成人类语言符号的工作是由数字-符号转换层来完成的。符号处理是根据自然语言的描述和知识库的内容进行模糊推理和合成，通信层负责与上级系统进行数据交换。
图1 模糊传感器原理框架图
2.1.2 模糊传感器在瓦斯监测中的应用
本文以煤矿井下瓦斯含量监测为例，将模糊传感器运用到瓦斯含量监测中，瓦斯含量监测系统的具体框架图见图2。
图2 瓦斯监测系统框架图
2.1.2.1 数值—符号的转换
以煤矿某一层面的开采为例，选择一个合适范围的瓦斯体积分数值（如0-20%），然后将模糊集合{0，20%}看作以后分析的基本区域，选择三个语言变量值{很危险，危险，正常}，分别对应{M，D，N}三个子集，“很危险”的初始隶属度函数为μm0；“危险”的初始隶属度函数为μd0；“正常”的初始隶属度函数为μn0。现将各个状态的厨师隶属函数定义如下：
上式中：a为正常的上限值，b为危险函数的中心值，p为瓦斯体积分数的实际测量值，k是一个＞0的常数。
当系数k=2.5×10-3，a=0.01时，厨师隶属函数曲线图如图3所示。
2.1.2.2 有导师学习
鉴于煤矿开采过程中，不同矿层中的瓦斯体积分数不同，因此，一旦环境状况发生变
化，必须及时对隶属函数进行一定程度的变化，一般来讲，都会采用模糊传感器的导师学习进行转变。在整个转变过程中，必须始终以矿层瓦斯体积分数为参考指标，对于不同深度的矿层，瓦斯体积分数的状态有以下几种要求：体积分数偏低、体积分数中等以及体积分数偏高。不同的瓦斯体积粉丝状态要求，就需要采取不同的修正措施。采取改变μ=1的特征测量点来实现整个转变，通过改变被测量的量，使整个被测量的范围按照以往导师经验将所有特征测量点固定起来，然后按照隶属函数的一些特性，确定隶属函数的曲线图。图4是学习后的隶属函数曲线图。
图4 学习后的隶属函数曲线图
2.2 无线传感器在煤矿环境监测中的应用
我们都知道，在煤矿开采过程中，煤矿内的工作环境在一定程度上和煤矿安全事故的发生有一定联系，假如煤矿内的工作环境比较差，不但影响采矿人员的工作效率，而且对他们的生命健康也极为不利。因此，将无线传感器应用到煤矿的环境监测中就显得非常有意义。无线传感器通过对监测到的数据进行分析，并将分析结构以语言的形式传达出来，提醒工作人员采取相关应对措施。
2.2.1 无线传感器的硬件设计
无线传感器的节点是专门为传感器设计的微型计算机系统，是无线传感器的最基本网络单元，它起到了接收及传递数据的作用。在传感器的整个电路系统中，主要由六部分构成，即传感器接口电阻、ATmega128L控制板块、串行接口RS232、锂电池、无线通信板块以及储存单元。无线传感器的结点结构图如图5所示。
图5 无线传感器的节点构架示意图
2.2.2 操纵系统TinyOS
TinyOS既是当今先进的源代码开放操作系统，又是专门为网络传感器而设计的嵌入式操作系统。在ZigBee节点设计上常采用TinyOS-1·x版本。
2.2.3 监测中心管理软件
当无线传感器检测系统检测到矿内环境指标如温度、湿度超过预定值时，传感器的监测系统就会发出警报信号，提醒工作人员事故的发生并采取应对措施。除此之外，传感器监测系统还能对之前检测到的数据进行收集及分析，通过综合分析这些数据，建立一个信息安全与时间之间的关系模型，从而较为准确的预测未来一段时间内安全信息的发展趋势。系统的监测中心管理你软件功能图见图6。
图6 系统监测中心管理软件功能图
3 结语
本文在分析我国当前煤矿开采主要存在问题的基础上，分别介绍了模糊传感器和无线传感器在煤矿中的应用，模糊传感器有效的解决了瓦斯语言概念的生成问题，为监测煤矿中瓦斯含量提供了一种新的方法；无线传感器则在监测及改善煤矿内工作环境方面起到了重要的作用。
参考文献
[1] 钟新跃.无线传感器网络在煤矿环境监测中的应用[J].煤炭技术,2009,28(9):102-103
[2] 付华. 模糊传感器在煤矿瓦斯监测中的应用[J].传感器与微系统,2009,28(1):115-116.
[3] 褚予萍.无线传感器在煤矿开采中的应用研究[J].矿山天地，2012,(3):36.
[4] 龚银河,付周兴,耿稳强.霍尔传感器在煤矿自动化方面的应用[J]. 煤矿自动化，
1996,(3):39-41.
[5] 戴峻.光纤压力传感器在煤矿中的应用研究[J]. 现代矿业，2010,(7):48-50.
[6] 田铁军. 压力传感器在煤矿防突中的应用[J]. 煤矿安全，2009,(8):61-62.
