機(jī)械波在安全工程方面的應(yīng)用(共7頁(yè))

1、機(jī)械波在安全工程方面的應(yīng)用 我國(guó)是產(chǎn)煤大國(guó)，目前煤炭在我國(guó)的一次能源消費(fèi)中約占70%左右，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中占有極其重要的地位。.然而我國(guó)煤礦死亡人數(shù)總量是世界上其他產(chǎn)煤國(guó)家死亡總數(shù)的3倍，僅2008年全國(guó)煤炭行業(yè)就共有3215名礦工死于各類(lèi)礦災(zāi)。面對(duì)這樣嚴(yán)峻的安全形勢(shì)，我們有必要采取任何可能的措施來(lái)保障礦工的生命安全。 隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的提高，以及國(guó)家對(duì)煤炭安全事故的強(qiáng)烈關(guān)注，越來(lái)越多的新技術(shù)被應(yīng)用到礦井中，以預(yù)防安全事故的發(fā)生，其中發(fā)展迅速的是紅外傳感技術(shù)在煤礦安全中的應(yīng)用。本文詳細(xì)介紹了紅外傳感器在煤礦安全中的研究進(jìn)展以及各種應(yīng)用。1.紅外傳感技術(shù)原理 紅外探測(cè)波段在0.76-1

2、000m之間。根據(jù)波長(zhǎng)又可進(jìn)一步劃分為近紅外(0.763m)中紅外(36m) 遠(yuǎn)紅外(6l5 m)和超遠(yuǎn)紅外 (151000m)。紅外線在應(yīng)用上主要有以下特性：（1）任何物體，只要其溫度高于絕對(duì)零度，就會(huì)向外輻射電磁波，大部分是紅外輻射。物體的溫度越高，輻射出來(lái)的紅外線越多，輻射的能量越強(qiáng)。（2） 分子振動(dòng)和晶格振動(dòng)也會(huì)向外輻射紅外電磁波，并形成紅外輻射場(chǎng)。（3） 不同氣體對(duì)紅外光有著不同的吸收光譜，氣體的特征光譜吸收強(qiáng)度與該氣體的濃度相關(guān)。 根據(jù)以上特性，應(yīng)用紅外傳感器可以制成的熱成像儀、紅外探測(cè)器、紅外探傷儀和紅外氣體分析儀等。 2紅外成像技術(shù)在煤炭安全中的應(yīng)用 2.1紅外成像儀探測(cè)井下隱

3、蔽危險(xiǎn)源 在某些情況下，煤礦井下的溫度會(huì)出現(xiàn)異常，甚至?xí)鹈禾康淖匀滑F(xiàn)象，而井中有充滿(mǎn)著可燃?xì)怏w，這對(duì)于礦工來(lái)說(shuō)是非常危險(xiǎn)的。因此，有必要快速、準(zhǔn)確的確定煤礦溫度異常的區(qū)域。采用紅外成像儀能夠?qū)崿F(xiàn)紅外能量場(chǎng)的二維監(jiān)測(cè)，較迅速地探測(cè)溫度異常區(qū)域區(qū)的位置、范圍和煤柱自燃溫度。 紅外成像技術(shù)探測(cè)井下危險(xiǎn)源的過(guò)程如下：通過(guò)紅外探測(cè)器將煤層的異常紅外輻射的功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，成像裝置的輸出信號(hào)就可以完全一一對(duì)應(yīng)地模擬掃描區(qū)域表面溫度的空間分布，經(jīng)電子系統(tǒng)處理，傳至顯示屏上，得到與檢測(cè)區(qū)域表面熱分布相應(yīng)的熱像圖。運(yùn)用這一方法，能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)距離熱狀態(tài)成像和測(cè)溫，并對(duì)被測(cè)區(qū)域的狀態(tài)進(jìn)行分析判斷

4、，快速、準(zhǔn)確的確定煤礦溫度異常的區(qū)域。 2.2 紅外成像儀在礦難救援中的應(yīng)用 當(dāng)發(fā)生礦難時(shí)，越快確定井下是否存在幸存者以及幸存者的位置就能夠?yàn)楸焕д郀?zhēng)取越多的生存機(jī)會(huì)。研究表明，人體的紅外輻射特性與周?chē)h(huán)境的紅外輻射特性不同，熱成像生命探測(cè)儀利用兩者之間的差別，以成像的方式把要搜索的目標(biāo)與背景分開(kāi)。人體體溫在 37時(shí)，其紅外輻射的中心波長(zhǎng)8m一14 m占人體全部輻射能量的46，這種光譜段是設(shè)計(jì)熱成像生命探測(cè)器的一個(gè)重要技術(shù)依據(jù)。 運(yùn)用一種新型的紅外相位成像技術(shù)，可以基本滿(mǎn)足人們對(duì)再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的越來(lái)越高的 要求?，F(xiàn)有的紅外成像主要利用紅外輻射的幅度信息，而紅外相位熱成像的基本原理是通過(guò)對(duì)接收目標(biāo)

5、輻射信號(hào)進(jìn)行分析，建立目標(biāo)紅外輻射的相位信息算法模型及目標(biāo)與探測(cè)器之間的距離算法模型，獲取目標(biāo)的距離圖像，然后與二維圖像相結(jié)合，得到被探測(cè)目標(biāo)的立體圖像。 3.紅外溫度探測(cè)技術(shù)在煤礦安全中的應(yīng)用 紅外熱探測(cè)器是基于光輻射與物質(zhì)相互作用的熱效應(yīng)制成的器件。熱探測(cè)器探測(cè)光輻射包括兩個(gè)過(guò)程，一是吸收光輻射能量后，探測(cè)器的溫度升高；二是把溫度升高所引起的物理特性的變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)。熱探測(cè)器的主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)波段寬，響應(yīng)范圍可以擴(kuò)展到整個(gè)紅外區(qū)域，可以在常溫下工作，使用方便。一下介紹紅外溫度探測(cè)技術(shù)在煤礦安全中的應(yīng)用。 3.1用于探測(cè)機(jī)械部件的表面溫度 煤礦膠帶輸送機(jī)為連續(xù)工作制,運(yùn)行中容易出現(xiàn)溫度

6、升高的情況,尤其膠帶輸送機(jī)機(jī)頭部位，甚至可能導(dǎo)致火災(zāi)。為提高膠帶運(yùn)輸設(shè)備工作的安全可靠性，利用紅外溫度檢測(cè)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)輸設(shè)備的表面溫度，以便在必要的情況下采取斷電和灑水等保護(hù)措施。紅外測(cè)溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯集其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量,視場(chǎng)的大小由測(cè)溫儀的光學(xué)零件以及位置決定。紅外能量聚焦在光電探測(cè)儀上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào),該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處理電路按照儀器內(nèi)部的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。 3.2用于在機(jī)械作業(yè)過(guò)程中對(duì)人體的感應(yīng) 煤礦綜掘機(jī)在工作過(guò)程中，截割頭即“炮頭”可以左右移動(dòng)旋轉(zhuǎn) ，且經(jīng)常處于前進(jìn) 、后退

7、狀態(tài) ，快速旋轉(zhuǎn)的“炮頭”存在著較大的安全隱患，可能誤傷現(xiàn)場(chǎng)的工作人員。通過(guò)利用紅外溫度探測(cè)技術(shù)探測(cè)綜掘機(jī)附近是否有人體的紅外輻射，使綜掘機(jī)的啟動(dòng)、工作受到人體熱源的控制。 4.紅外探傷技術(shù)在煤礦安全中的應(yīng)用 煤礦滲水往往會(huì)導(dǎo)致礦井的塌方，造成嚴(yán)重的后果。將紅外探傷技術(shù)應(yīng)用于煤礦中對(duì)積水區(qū)域的探測(cè)，可以有效的對(duì)滲水進(jìn)行提前預(yù)防。我們知道，巖層或煤層由于分子振動(dòng)和晶格振動(dòng)，每時(shí)每刻都會(huì)向外輻射紅外電磁波，并形成紅外輻射場(chǎng)。而紅外探測(cè)儀的作用就是沿巷道探測(cè)紅外輻射場(chǎng)的變化，確定隱伏目標(biāo)是否存在及其性質(zhì)。由于紅外輻射場(chǎng)所占的空間總是大于實(shí)體，故可通過(guò)場(chǎng)的變換提前發(fā)現(xiàn)含水區(qū)或含水構(gòu)造。 5.紅外氣體分

8、析技術(shù)在煤礦安全中的應(yīng)用 不同氣體對(duì)紅外光有著不同的吸收光譜，氣體的特征光譜吸收強(qiáng)度與該氣體的濃度相關(guān)。當(dāng)紅外輻射通過(guò)被測(cè)氣體時(shí)，其分子對(duì)光能的吸收遵循朗伯一比爾(Lamberbeer)定律，如果氣體吸收譜線在入射光譜范圍內(nèi)，那么光通過(guò)氣體以后，在相應(yīng)譜線處會(huì)發(fā)生光強(qiáng)的衰減 。朗伯 一比爾定律的公式為 式中；I0()為入射光的強(qiáng)度 ；I()為透射光的強(qiáng)度；L為輻射通過(guò)氣體層的厚度；C為被測(cè)氣體的濃度；k()為吸收截面，cm·g 1，即每克吸收氣體的吸收系數(shù)是波長(zhǎng)的函數(shù)。 在煤礦中，主要的危險(xiǎn)氣體是CH4、CO2等，其對(duì)紅外線的吸收。通過(guò)采用紅外氣體分析技術(shù)，紅外氣體傳感器的結(jié)構(gòu)比以往傳統(tǒng)氣體傳感器大大簡(jiǎn)化，儀器功耗也大幅度降低。此類(lèi)紅外氣體傳感器原理簡(jiǎn)單可靠，成本低廉，可實(shí)現(xiàn)多組分分析，而且光譜干擾小，通過(guò)對(duì)溫度和其他影響因素的校正，可以有效提高測(cè)量的精度，同時(shí)提高了系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度。 這里綜合闡述了紅外成像技術(shù)在探測(cè)井下隱蔽危險(xiǎn)源以及礦難救援中的應(yīng)用；紅外溫度探測(cè)技術(shù)在探測(cè)井下機(jī)械部件的表面溫度以及人體感應(yīng)中的應(yīng)用；紅外探傷