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(1.中国矿业大学 信控学院，江苏 徐州 221000；2.澳大利亚新南威尔士大学 信电学院，澳大利亚 悉尼 4385；3.徐州翰林科技有限公司，江苏 徐州 221000)

据统计，煤自燃火灾事故占据火灾事故的80%[1]。本质上讲，煤炭自燃现象是及其复杂的煤炭复合作用过程。由于煤自燃现象火源隐蔽、难发现、难治理的特点使得很多学者对其做了研究。其中可以使用气体成分分析法来研究煤自燃问题。已有研究表明，对于一定的煤质，煤的热解生成物种类以及浓度和温度具有一定联系。所以可以分析气体浓度来得出煤温度，从而预测煤自燃的危险程度。通过设计测量系统来检测气体的浓度，融合多传感器技术，可以避免单一气体指标，从而大大提高系统的可靠性，为煤自燃预测提供可靠的数据。

1 系统总体结构设计

多传感器煤自燃探测系统是实现井下环境信息检测的基础，同时也是保证测量数据实时、准确的关键[2]。考虑到工作环境有可能复杂恶劣，且涉及多种环境参数的检测，设计合理的硬件电路和系统软件，可以有效改善系统表现[3]。该系统可以直接应用于煤自燃预测环境中，利用多传感器数据融合结合机器学习算法可以达到较高的预测准确率[4]。系统结构如图1所示。

图1 系统整体结构图

2 传感器选型及测量电路

2.1 瓦斯传感器的选择及测量电路

红外瓦斯传感器要求宽量程，高灵敏度，高可靠性。测量电路采用5V供电时，需要简单的电平转换就可以实现串行通讯。

2.2 温度传感器选型及测量电路

由于计算机数字技术和电子的推广，系统中越来越多的使用数字式温度传感器，本文测量系统设计选用SHT75型数字温湿度传感器。SHT75型传感器接口简单，且功耗低。

2.3 一氧化碳传感器选型及测量电路

本测量系统使用7E/F型一氧化碳电化学传感器。电路中电流转换电路负责转换电流电压信号。信号经过AD转换供微控制器处理。测量电路如图2所示。

图2 一氧化碳传感器测量电路

其中恒电势电路由U6B、R1～R3、R6、C1、C3、Q2组成。用来输出恒定电压值，保证反应的进行。电路中存在两个RC滤波器，可以有效弱化气体电解反应时产生的噪声，滤除较大的尖峰干扰。I/V转换及前置放大电路由U6A、R4、R5、R7、C2组成。信号处理电路送出的最终输出电压Vout为：

式中，ICO为7E/F型CO传感器输出电流。综合性能考虑，电路要求R7两端电压小于10mV。减小R7同时可以加快响应，电路在噪声和响应速度之间取得良好的平衡，并且能够减少湿度的瞬时影响[7]。处理电路中7E/F型CO传感器灵敏度为0.10μA/10-6，选择R5阻值等于10kΩ，使得0～1V电压值对应浓度0～1000×10-6。

2.4 氧气传感器选型及测量电路

一般来说原电池式氧气传感器具有结构简单，且工作电流小，无需外电和热源[8，9]。本测量系统使用O2-A2型原电池式氧气传感器，其具有检测性能好、可靠性高、尺寸小且寿命长等优点。

传感器模型表达式为：

IO2=K·ln[1/(1-CO2)]

式中，IO2为氧气输出电流；O2为氧气百分比浓度(0～1对应0～100%代入上式)；K为常量系数。

考虑使用实验方法近似用一条直线模拟该轻微非线性表达式，通过实验测量的输出电流与氧气浓度的关系见表1。

表1 氧气传感器模型数据

对数据进行线性拟合，表达式近似表达为：

IO2=5.1179×CO2+0.1607

相关系数R=0.9996。

传感器测量电路如图3所示。

图3 氧气传感器测量电路

转换电压为：

V1=-(R2+R4+R2×R4/R3)×IO2

调零电路用于消除出现的零点漂移，V1是经过I/V转换的输出电压，V2是可调的正偏置电压，结合反向求和电路计算公式得出：

VO=-(R9/R5·V1+R9/R6·V2)

选取R5=R6=R9，VO=-(V1+V2)，保证无氧气环境电路无电压输出。

选取特定电阻R1=R2=R3=R4=10kΩ，R5=R6=R8=R9=10kΩ，R7=RS=1kΩ，电路开始工作时，通过调节R7调零。调节电阻RS，使输出在氧气浓度30%时为3V。保证0～3V电压范围线性对应0～30%氧气浓度。

2.5 红外二氧化碳传感器及测量电路

由于红外光谱吸收技术的检测灵敏度高，同时具有响应快和可靠性好的优点[10]，该测量系统选用IR11GJ型红外传感器。

通过对传感器探头输出的信号合理处理滤波、放大再送入微处理器中就可以计算得出相关浓度值，信号处理电路如图4所示。

图4 二氧化碳传感器测量电路

3 系统软件设计

当传感器传送的数据经过测量电路到达微处理器后就需要处理器采取合适的方式对输出信号进行有效的处理。由于有多路输出信号，需要采用轮询或中断方式对数据进行查询处理。在该系统中没有其他的要求，因此只需要使用简单的轮询方式采集数据。当系统开机后等待查询指令开始工作，依次处理输出信号，系统在处理数据的程序流程如图5所示。

图5 数据测量与处理流程图

4 系统基本误差性能测试

多传感器融合系统中，通过收集多个传感器数据后再进行处理，可以大大提高系统的可靠性以及预测的准确性[11]。在系统投入使用前，要根据国家相关的行业标准对其各个模块进行测试，证明系统工作性能满足我国煤炭行业标准规定。设计实验对系统进行基本误差和稳定性等性能测试。

4.1 瓦斯浓度测量基本误差测试

《煤矿用高低浓度甲烷传感器》(AQ 6202—2006)[12]要求瓦斯浓度测量基本误差的测试过程如下：将经过校准和标定的检测系统分别放入1%、3%、4%和40%的标准甲烷气体环境中，正确记录测量值，重复四次上述测量过程，取测量算术平均值减去标准值为基本误差。

瓦斯浓度实验测试数据见表2，得出传感器满足相关标准。

表2 瓦斯浓度测试数据

4.2 氧气浓度测量基本误差测试

《煤矿用携带型电化学式氧气测定器》(MT 704—2008)[13]要求氧气浓度测量基本误差测试过程如下：将经过校准和标定的检测系统分别放入纯氮气环境中，依次通入5.0%、15%、21%、25%已经校订待测气体3min，记录测量值，重复四次上述测量过程，取测量的算术平均值减去标准值为基本误差。

氧气浓度实验测试数据见表3，由表3可得出氧气浓度测量的基本误差满足行业标准。

表3 氧气浓度测试数据

4.3 一氧化碳浓度测量基本误差测试

《煤矿用携带型电化学式一氧化碳测定器》(MT 703—2008)[14]要求一氧化碳浓度测量基本误差测试过程如下：将经过校准和标定的检测系统分别放入清洁空气环境中，等待稳定后，按规定依次通入0、350×10-6、500×10-6、850×10-6已经校正的待测气样1min(保证测量恢复时间大于等于1min)，正确记录测量输出值，重复四次上述测量过程，取测量的算术平均值减去标准值为基本误差。

一氧化碳实验测试数据见表4，由表4可得出该系统一氧化碳浓度测量的基本误差满足行业标准。

表4 一氧化碳浓度测试数据

4.4 温度测量基本误差测试

《煤矿用通用温度传感器通用技术条件》(MT 381—2007)[15]要求温度输出误差≤±2.5% F.S。

根据煤炭行业相关标准，温度测量基本误差测试过程如下：选择20℃、35℃、50℃、65℃、85℃进行测量，稳定3min记录测量输出值，反复测量3次，取这3次测量的算术平均值减去标准值即为基本误差，结果见表5。

根据实验数据表5得出温度测量的基本误差满足行业标准。

表5 温度测试数据

4.5 红外二氧化碳浓度测量基本误差

标准《矿用二氧化碳传感器通用技术条件》(AQ 1052—2008)要求传感器输出误差小于百分之四。实验的测试过程如下：依次选择1%、2%、3%、4%已经校订的待测气体按照规定通入系统，记录输出值，重复四次上述测量过程，取算术平均值减去标准值为基本误差值，结果见表6。

表6 二氧化碳浓度测试数据

根据实验数据表6看出传感器测量满足相关标准。

5 系统稳定性测试

图6 系统稳定性测试曲线图

稳定性相关行业标准和规定有中华人民共和国安全生产行业标准AQ 6202—2006和煤炭行业标准MT 704—2008、MT 703—2008、MT 381—2007。对于测试系统工作稳定性过程如下：系统在空气中连续运行15d，每天连续运行10h，每9.5h后选择各测量参数量程50%的标准值进行测量并记录测量结果，测试期间不得调整检测系统。实验测试的工作稳定性曲线如图6所示。二氧化碳的稳定性实验测得的数据见表7。结果表明系统稳定性满足行业标准。

表7 CO2稳定性测试表 %

6 结 语

本文设计了多传感器煤自燃探测系统，实现井下氧气浓度、瓦斯浓度、二氧化碳浓度、一氧化碳和温湿度的检测，系统微处理器对传感器数据加工处理。另外论文根据行业规范对系统基本误差和系统稳定性进行了相关的测试。实验结果表明，设计的系统满足相关行业标准。本文探测系统的研究可以作为煤自燃预测的基础，利用本文的传感器及测量电路系统可以可靠的传送实时数据，合理选择预测分类方法如支持向量机，线性分类器等可以进一步实现煤自燃预测，具有一定的实践价值。