红外传感技术在煤矿安全中的最新应用综述

红外传感技术在煤矿安全中的最新应用综述
摘 要：红外传感技术主要有红外成像技术、红外温度探测技术、红外探伤技术和红外气体
分析技术等。随着科学技术的发展，红外传感技术越来越成熟，将这类传感技术应用于煤炭
安全领域以预警和防止矿难事故的发生也已成为热门的科研课题。本文较为详细的介绍了红
外传感技术在煤矿安全领域的一些最新的应用，以期让读者了解当前该类应用的现状以及存
在的不足，促进红外传感技术在煤矿安全领域的进一步发展和应用。
关键词：红外、传感、煤矿安全、应用

0.引言
我国是产煤大国，目前煤炭在我国的一次能源消费中约占70%左右，在我国经济和社
会发展中占有极其重要的地位。.然而我国煤矿死亡人数总量是世界上其他产煤国家死亡总
数的3倍，仅2008年全国煤炭行业就共有3215名矿工死于各类矿灾[1]。面对这样严峻的安
全形势，我们有必要采取任何可能的措施来保障矿工的生命安全。
随着我国科学技术水平的提高，以及国家对煤炭安全事故的强烈关注，越来越多的新
技术被应用到矿井中，以预防安全事故的发生，其中发展迅速的是红外传感技术在煤矿安全
中的应用。本文详细介绍了红外传感器在煤矿安全中的研究进展以及各种应用。

1.红外传感技术原理
红外探测波段在0.76--1000μm之间。根据波长又可进一步划分为近红外(0.76～3μ
m)中红外(3～6μm) 远红外(6～l5 m)和超远红外 (15—1000μm)。红外线在应用上主要有以
下特性：
（1）任何物体，只要其温度高于绝对零度，就会向外辐射电磁波，大部分是红外辐射。物
体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量越强。
（2）分子振动和晶格振动也会向外辐射红外电磁波，并形成红外辐射场。
（3）不同气体对红外光有着不同的吸收光谱，气体的特征光谱吸收强度与该气体的浓度相
关。
根据以上特性，应用红外传感器可以制成的热成像仪、红外探测器、红外探伤仪和红
外气体分析仪等。

2红外成像技术在煤炭安全中的应用
2.1红外成像仪探测井下隐蔽危险源
在某些情况下，煤矿井下的温度会出现异常，甚至会引起煤炭的自然现象，而井中有充
满着可燃气体，这对于矿工来说是非常危险的。因此，有必要快速、准确的确定煤矿温度异
常的区域。采用红外成像仪能够实现红外能量场的二维监测，较迅速地探测温度异常区域区
的位置、范围和煤柱自燃温度。
红外成像技术探测井下危险源的过程如下：通过红外探测器将煤层的异常红外辐射的功
率信号转换成电信号后，成像装置的输出信号就可以完全一一对应地模拟扫描区域表面温度
的空间分布，经电子系统处理，传至显示屏上，得到与检测区域表面热分布相应的热像图[2]。
运用这一方法，能实现对目标区域进行远距离热状态成像和测温，并对被测区域的状态进行
分析判断，快速、准确的确定煤矿温度异常的区域。
2.2 红外成像仪在矿难救援中的应用
当发生矿难时，越快确定井下是否存在幸存者以及幸存者的位置就能够为被困者争取
越多的生存机会。研究表明，人体的红外辐射特性与周围环境的红外辐射特性不同，热成像
生命探测仪利用两者之间的差别，以成像的方式把要搜索的目标与背景分开。人体体温在
37℃时，其红外辐射的中心波长8μm一14 μm占人体全部辐射能量的46％，这种光谱段
是设计热成像生命探测器的一个重要技术依据。
运用一种新型的红外相位成像技术，可以基本满足人们对再现现实环境的越来越高的
要求。现有的红外成像主要利用红外辐射的幅度信息，而红外相位热成像的基本原理是通过
对接收目标辐射信号进行分析，建立目标红外辐射的相位信息算法模型及目标与探测器之间
的距离算法模型，获取目标的距离图像，然后与二维图像相结合，得到被探测目标的立体图
像[3]。

3红外温度探测技术在煤矿安全中的应用
红外热探测器是基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的器件。热探测器探测光辐射
包括两个过程，一是吸收光辐射能量后，探测器的温度升高；二是把温度升高所引起的物理
特性的变化转化为相应的电信号[4]。热探测器的主要优点是响应波段宽，响应范围可以扩展
到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方便。一下介绍红外温度探测技术在煤矿安全中
的应用。
3.1用于探测机械部件的表面温度
煤矿胶带输送机为连续工作制,运行中容易出现温度升高的情况,尤其胶带输送机机头部
位，甚至可能导致火灾。为提高胶带运输设备工作的安全可靠性，利用红外温度检测器实时
监测运输设备的表面温度，以便在必要的情况下采取断电和洒水等保护措施。红外测温仪由
光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇集其视
场内的目标红外辐射能量,视场的大小由测温仪的光学零件以及位置决定。红外能量聚焦在
光电探测仪上并转变为相应的电信号,该信号经过放大器和信号处理电路按照仪器内部的算
法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值[5]。
3.2用于在机械作业过程中对人体的感应
煤矿综掘机在工作过程中，截割头即“炮头”可以左右移动旋转 ，且经常处于前进 、
后退状态 ，快速旋转的“炮头”存在着较大的安全隐患，可能误伤现场的工作人员。通过
利用红外温度探测技术探测综掘机附近是否有人体的红外辐射，使综掘机的启动、工作受到
人体热源的控制。

4.
红外探伤技术在煤矿安全中的应用

煤矿渗水往往会导致矿井的塌方，造成严重的后果。将红外探伤技术应用于煤矿中对
积水区域的探测，可以有效的对渗水进行提前预防。我们知道，岩层或煤层由于分子振动和
晶格振动，每时每刻都会向外辐射红外电磁波，并形成红外辐射场。而红外探测仪的作用就
是沿巷道探测红外辐射场的变化，确定隐伏目标是否存在及其性质。对一条掘进巷道而言，
如果掘进前方或巷道外围存在采空区老空水或隐伏含水构造，局部地段的介质成分和密度发
生变化会产生一个异常场 ，并迭加于正常场之上，使正常场发生畸变[6]。由于红外辐射场
所占的空间总是大于实体，故可通过场的变换提前发现含水区或含水构造。

5.
红外气体分析技术在煤矿安全中的应用

不同气体对红外光有着不同的吸收光谱，气体的特征光谱吸收强度与该气体的浓度相
关。当红外辐射通过被测气体时，其分子对光能的吸收遵循朗伯一比尔(Lamber—beer)定律，
如果气体吸收谱线在入射光谱范围内，那么光通过气体以后，在相应谱线处会发生光强的衰
减 。朗伯 一比尔定律的公式为

式中；I0(λ)为入射光的强度 ；I(λ)为透射光的强度；L为辐射通过气体层的厚度；C为被
测气体的浓度；k(λ)为吸收截面，cm·g —1，即每克吸收气体的吸收系数是波长λ的函数。
在煤矿中，主要的危险气体是CH4、CO2等，其对红外线的吸收如下图：

[7]
通过采用红外气体分析技术，红外气体传感器的结构比以往传统气体传感器大大简化，
仪器功耗也大幅度降低。此类红外气体传感器原理简单可靠，成本低廉，可实现多组分分析，
而且光谱干扰小，通过对温度和其他影响因素的校正，可以有效提高测量的精度，同时提高
了系统检测灵敏度。

结束语：
本文综合阐述了红外成像技术在探测井下隐蔽危险源以及矿难救援中的应用；红

外温度探测技术在探测井下机械部件的表面温度以及人体感应中的应用；红外探伤技术在探
测矿内积水中的应用；红外气体分析技术在井下有害气体浓度检测方面的应用。可以看到，
红外传感技术相较于其他传统传感技术，有着稳定可靠，结构简单，无损探测等各方面优势。
相信随着科学技术的发展，红外传感技术将更加成熟，将会为降低我国矿难事故发生率和死
亡率做出更大的贡献。

参考文献：
[1]邓奇根、刘明举、赵发军. 2008年我国煤矿事故统计分析及其防护措施. 煤炭技术，2010，6
[2]马民、李明明. 红外成像技术在煤矿中的应用. 陕西煤炭，2009，5
[3]石国安、商文忠、张晗. 生命探测中的红外技术. 红外，2008，11
[4]郁有文、常健、程继红. 传感器原理及工程应用. 西安电子科技大学出版社，2008
[5]尚延廷、张清山. 红外温度检测技术在煤矿安全生产中的研究及应用. 科技信息，2008，24
[6]高存祝. 红外探测技术在煤矿防治水中的应用. 煤炭科技，1999，3
[7]姚玉维、赵赛果、王汝琳. 新型矿用智能红外吸收瓦斯传感器的研究. 工矿自动化，2008，2