1、-安全監測與監控第一章檢測監控系統 檢測監控系統的功能：一是“測”，即根據檢測參數去控制安全裝置、報警裝置、生產設備、執行機構等。若系統僅用于生產過程的監測，當安全參數達到極限值時，產生顯示及聲、光報警等輸出，此類系統一般稱為監測系統；除監測外還參與一些簡單的開關量控制，如斷電、閉鎖等，此類系統一般稱為監測監控系統；在監測系統上增加了對生產機械的控制、調節功能，此類系統一般稱為計算機監控系統。檢測監控系統的組成：監測監控系統在層次上一般分為兩級或三級管理的計算機集散系統，一般包含測控分站級和中心站級。每個測控分站負責某幾路傳感器信號的采集和某個執行機構的控制，實現了采集、控制分散；中心站負責數

2、據的處理、儲存、傳輸，實現了管理的集中。安全監測監控系統的作用：合理利用瓦斯超限斷電功能，杜絕瓦斯超限。監督安全技術措施的落實，及時消除瓦斯隱患。為快速查找瓦斯超限原因提供幫助。為礦井瓦斯治理提供基礎數據。爆炸危險環境用電設備分類：有瓦斯爆炸危險的礦井使用的電器設備為類，除瓦斯礦井以外的爆炸危險場所所使用的電器設備為類。其中類電器設備又分為A、B、C三級，這是根據使用場所的爆炸性氣體混合物最大實驗安全間隙或最小點燃電流來分的。類電器設備還按最高表面溫度的不同，分為T1T6共6組。防爆標志分類：總標志為Ex。增安型，Exe。隔爆型，Exd。本質安全型，Exia和Exib（按安全程度分，井下經常存

3、在爆炸性混合物的場所采用ia型，煤礦井下因其不經常存在爆炸性混合物，因采用ib型）。通風充氣型，Exp。其他。充油型，Exo；充砂型，Exq；無火花型，Exn；特殊型，Exs。第二章傳感器：能感受被測量并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置稱為傳感器。傳感器一般是由敏感元件、轉換元件和信號處理電路三部分組成，有時需要加輔助電源。傳感器技術的特性：傳感器在被測量各個值處于穩定狀態時的輸出輸入關系稱為靜態特性。衡量傳感器靜態特性的主要指標有線性度（非線性誤差）、靈敏度、精度、最小檢測量和分辨率、遲滯等。傳感器的動態特性是指傳感器對于時間變化的輸入量的相應特性。傳感器的數學模型，傳感器的時域特

4、性，傳感器的領域特性第三章熱導型氣體檢測原理：利用各種氣體熱導率與空氣熱導率的差異以及熱導率與氣體濃度的關系原理，來實現對氣體濃度的檢測。工作過程：如圖3-1所示。熱導型傳感器采用電阻溫度系數較大的金屬絲（鉑絲或鎢絲）或半導體熱敏電阻作為敏感元件。把性能相同的一對熱導元件分別接在電橋電路的兩個臂上，一只放置在與被測氣體相通的氣室中，叫做測量元件（R）；另一只放置在充滿地面標準大氣的密閉氣室內，叫做補償元件（R）。工作時，當測量元件與補償元件輸入同樣的電流后，產生的熱量相同，但由于散熱介質不同，檢測氣樣室中通入甲烷氣體時，由于甲烷的熱導率比空氣大，R上傳導出的熱量大，故R與R出現溫度差，使兩元件

5、存在一定溫差。兩元件產生一個與溫差相適應的熱態電阻差，差異的大小與兩電阻各自與氣體進行熱交換最后平衡后的溫度有關，破壞電橋平衡，電橋輸出一個與被測氣體濃度變化成比例關系的電信號。電信號輸出大小與電阻阻值變化有關，而阻值的變化與氣體熱導率有關，氣體熱導率又與氣體含量有關。因此，根據電橋輸出信號大小，通過標定即可獲得甲烷氣體濃度數值，實現對氣體濃度的檢測。載體熱催化原理氣體檢測載體熱催化元件由鉑絲線圈、載體和催化劑組成。鉑絲線圈的作用，一方面是對載體和催化劑進行加熱，使甲烷等可燃氣體接觸元件后達到一定的氧化狀態；另一方面是把甲烷等可燃氣體在催化劑作用下燃燒生成的熱量檢測出來。載體一般是三氧化二鋁，

6、其作用是提供較大的反應接觸面積、固定鉑絲的幾何形狀、附載催化劑、傳導熱量給瓦鉑絲。催化劑的作用是使氧化反應速度加快，甲烷在空氣中進行無焰燃燒的溫度約為650，在催化劑（鉑、鈀）的作用下，燃燒溫度可以降低到300400。熱催化原理：又稱催化燃燒原理。甲烷等可燃氣體在一定溫度條件下，在催化劑（鉑、釷、鈀）的催化作用下進行無焰燃燒，在一定的濃度范圍內，定量的甲烷燃燒放出定量的熱，生成二氧化碳和水。釋放出的熱量使元件的溫度上升，造成鉑絲的阻值變化。鉑絲的電阻在0630.74范圍內與甲烷的濃度成正比。工作過程：利用熱催化元件制成的傳感器結構如圖3-4所示。一個簡單電橋電路主要有黑（熱催化元件）和白（補償

7、元件）兩種元件，其阻值分別為r和r，兩個元件放在同一個待測氣體樣將通過的氣室內。由固定電阻R和R組成電橋另外的兩個橋臂，用電阻溫度系數小的電阻，以提高電橋在高溫時的穩定性。為使電橋在無甲烷等可燃氣體狀態下處于平衡狀態，橋路內裝有調零電位器W。電阻r'并聯在白元件r上，補償黑、白元件熱學性質的差異，以改善電橋的零點漂移。傳感器工作時，在恒流源作用下，有電流流過電橋四個臂。無甲烷等可燃氣體時，此時在工作電流作用下，元件工作溫度達500左右，通過電位器W的調整，使電橋處于平衡狀態，電橋輸出平衡；當有甲烷等燃燒氣體時，甲烷與氧氣在黑元件表面進行無焰燃燒，放出熱量被元件吸收，引起元件溫度升高，使

8、鉑絲電阻增大。另外，白元件上無催化劑，甲烷等可燃氣體在其表面不進行氧化燃燒。但它處在與黑元件相同的工作環境中，起到對環境（溫度、濕度、風速以及電源電流、電壓）變化而引起的催化元件阻值變化的補償作用。這樣就破壞電橋原來的平衡，輸出一個與甲烷濃度成正比的電信號。然后將此信號送入放大電路放大，再送至顯示、報警或其他單元，實現對甲烷氣體濃度的檢測和報警。載體熱催化元件的特性：元件的活性，元件對甲烷的氧化燃燒速率。穩定性，元件在新鮮空氣中與有一定濃度甲烷的環境中，在規定的連續工作時間里的活性下降率。工作點和工作區間，元件工作點是指元件的標準工作電壓和電流值，工作區間是指輸出活性接近于直線時電壓或電流的變

9、化范圍。輸出特性，指不同甲烷濃度下，元件活性與甲烷濃度的關系。元件的中毒特性，載體熱催化元件的催化劑鈀（Pd）、鉑（Pt）、釷（Th）等與硫（S）、磷（P）、鉛（Pb）、氯（Cl）、硅（Si）等化合物作用，使其催化活性逐漸降低，稱為催化劑中毒。載體催化元件的激活特性。載體熱催化型儀器的反應速度。高濃度甲烷氣體的影響。光干涉式瓦斯檢定儀：光干涉式瓦斯檢定儀是利用光干涉原理，測定甲烷和二氧化碳等多種氣體的一種便攜式檢測儀器。光干涉式瓦斯檢定儀光學系統如圖3-7所示，由光源1發出的光經過凸鏡2后達到平面鏡3，在O點分為兩束光，一束光被表面反射，另一束光射入平面鏡后又被全鍍銀的后表面反射。第束光穿過氣

10、室5的側室，折光棱鏡6將其折回穿過另一側室后回到平面鏡3，折射入平面鏡后在其表面反射于O'點穿出平面鏡。第束光被平面鏡后表面反射后穿過氣室5的中央小氣室后，折光棱鏡6將其折回，仍然通過中央小氣室回到平面鏡的O'點。在O'點兩束光會合，一同射入反射鏡7被全反射入由零件812組成的望遠鏡系統。由于平面鏡3的反射面與折光棱鏡6的反射面是不平行的，而是呈一個微小的交角（例如=1°），因此，兩束光在O點處并不重合，但相距甚微，且仍然保持平行，這樣兩束光滿足振動方向相同、頻率相同和相位差一定三個條件而產生光干涉。觀測者在望遠鏡的目鏡中便可觀測到干涉條紋。干涉條紋的寬度決定

11、于交角，交角值越小，干涉條紋寬度越寬。當平面鏡3與折光棱鏡6的反射面平行時，即=0，干涉條紋無限寬，這時在儀器中看不到干涉條紋。值變大，條紋寬度變窄。儀器正是利用這種關系來改變條紋的寬度來達到校正條紋寬度的目的。光程是指已折算到真空中的路程，它是光波在某一介質中所經歷的幾何路程與該媒質的折射率的乘積。如果以氣室5的各小室均沖入同樣的新鮮空氣時的干涉條紋為基準，若在一支氣路中改變氣體的成分、溫度或壓力等，那么由于折射率的改變，光程和光程差也就會隨著改變，這時干涉條紋的位置也會移動一個距離。根據條紋移動的距離，可測算出折射率變化的程度。如果使兩束光通路的溫度、壓力相同，而被測氣體的化學成分為已知，

12、則可作為定量分析。這就是光干涉式瓦斯檢定儀的原理。光干涉式瓦斯檢定儀就是在氣室的中央小氣室（或稱做氣樣室）內吸入一定濃度的甲烷，而在兩側氣室或稱空氣室中保持新鮮空氣并與大氣相通，由此產生干涉條紋的位移，可以從與甲烷濃度相對應的分劃板上讀出甲烷在空氣中的含量。儀器的讀數能讀出小數點以后的數值，是根據玻璃的入射光和出射光平行地錯動一個距離的原理，改變測微玻璃的傾角來測定小數。第四章紅外測溫原理：任何物體只要高于絕對零度，就會不斷產生紅外輻射，溫度越高，輻射功率越大。只要知道物體的溫度T和比輻射率，就能計算出它所發射的輻射功率P；若知道物體所發射的輻射功率，則可求出它的溫度。工作過程：紅外測溫用檢測

13、元件有熱敏電阻和光敏電阻兩種，其原理如圖4-7所示。圖中Rb是紅外敏感元件，接收紅外輻射能；Rc是補償元件，被罩殼隱蔽起來，不吸收紅外輻射能；Eb和Ec組成偏壓電源。Rb接收紅外輻射能，其阻值下降，電橋失去平衡，輸出電壓信號耦合到前置放大器放大，經處理和轉換環節，由顯示器顯示，或送到報警電路進行報警。Rb阻值下降或輸出電壓信號的強弱由紅外輻射能量決定，而接收的紅外能量多少則與被測點溫度高低有關，儀器顯示的數據直接反映被測點溫度值及其變化狀態。風扇濕度計，又稱通風干濕表，主要由兩支相同的溫度計和一個通風器組成。水銀球上裹有一層濕的棉紗布的溫度計為濕球溫度計，另一個為干球溫度計。由于濕球表面的水分

14、蒸發要吸熱，因而濕球溫度計的溫度低于干球溫度計的示數，空氣的相對濕度越小，蒸發吸熱作用越顯著，干、濕溫度差也就越大。根據干、濕溫度計讀數的差值（t）和濕球溫度計讀數（t），由空氣濕度表即可查出空氣的相對濕度（）。電磁法測氧磁風原理：氧氣具有順磁性，即指氧氣具有能被磁場吸引或排斥的性質。當氣體進入具有磁場和加熱線圈的氣室時，由于磁場和加熱線圈的作用，氣體不斷地流動形成所謂的磁風，使氣室中的熱敏元件阻值發生變化破壞電橋平衡，不平衡電流大小與氣樣中氧氣量有關。工作過程：由于氧的磁性最強，含氧混合氣磁化率主要由氧的濃度決定。順磁性氣體能被磁場吸引。隨著溫度升高，氧的磁性減弱，即氧具有熱磁效應。基于這一

15、物理現象，可以測定氧氣濃度。圖4-32為熱磁效應氧氣傳感器工作原理圖。傳感器制成環形室，環形室中有玻璃制成的連通管。在連通管上繞有兩組加熱電阻絲R和R，接于直流電橋中，其中R接在永久磁鐵兩極之間。當混合氣體不含氧氣時，連通管兩端壓力相同，氣流不流經橫向測量管，R=R，電橋平衡。當待測氣體中含有氧氣時，由于氧的順磁性，氣體在磁場作用下吸入連通管，并被加熱。由于熱磁效應，氧氣受熱后順磁性減弱，被加熱氣體受到排斥，在連通管內形成被稱為“磁風”的連續氣流，氣流速度取決于氧的濃度。受氣流影響，電阻絲溫度發生變化，導致電橋失去平衡，用輸出電壓信號可度量氧氣的濃度。氣相色譜儀色譜柱和檢測器是色譜儀的關鍵部件

16、。第七章數據采集系統既能完成采集，也能實現處理，它主要由四部分組成，數據采集器、微機接口電路、數模轉換器、應用軟件。其基本電路由運算放大器、測量放大器、模擬多路開關、采樣保持放大器組成。第八章模擬信號：如果攜帶信息的參數的取值在一定區間內是連續的，則稱為模擬信號。數字信號：如果攜帶信息的參數只取若干離散的值，且通常用這些有限個值按一點方式組合（編碼）來輸出信息，則稱為數字信號。數據通信方式是指數據在信道上傳送所采取的方式。一個通信系統至少應含有三部分：發送設備、傳輸介質、接收設備。按數據傳輸的流向和時間關系，可分為單工、半雙工、和全雙工數據傳輸；按數據代碼傳輸的順序，可分為并行傳輸和串行傳輸；

17、按數據傳輸的同步方式，可分為同步傳輸和異步傳輸。基帶傳輸是指在線路上直接傳輸基帶信號或略加整形后進行的傳輸。頻帶傳輸：當進行遠距離通信時，往往將數字數據轉換成模擬信號后傳輸，在接收端再進行信號的恢復，當調制成頻率信號的頻率范圍在音頻范圍（2003400Hz）內時，這種傳輸方式稱為頻帶傳輸。差錯控制方法是使構成傳輸數據的編碼或編碼組具有一定的邏輯性，接收端根據接受編碼所發生的邏輯性錯誤來識別并糾正差錯。差錯控制有以下幾種方式：反饋校驗重傳方式（IRQ）；前向糾錯方式（FEC）；自動反饋重發方式（ARQ）；混合糾錯方式（HEC）。差錯控制的核心是差錯控制編碼，不同的編碼方式，有不同的檢錯和糾錯能力

18、，有的編碼只能檢錯不能糾錯。具體的說，碼的檢錯和糾錯能力是用信息量地冗余度來換取的，付出的代價越大，檢(糾)錯的能力就越強。基本概念：碼集，n位地的二進制碼共2的n次方個，所以這2的n次方個碼稱為一個碼集。許用碼組和禁用碼組。在一種糾錯編碼方式中，可在2的n次方個碼的碼集中選用部分碼組，稱為許用碼組。而舍棄不用的碼組稱為禁用碼組。碼距和最小碼距。兩個碼組間對應位上具有不同二進制碼元的位數，稱為兩個碼組間的漢明距離，簡稱碼距。例如，1100和1010的第二、三位不同，碼距d=2。碼距說明兩個碼組間差別的大小。在一種編碼方式中，所有許用碼組間碼距的最小值稱為最小碼距。雙坐標奇偶校驗：由于簡單的奇偶

19、校驗只能用于檢測一組信息碼中的奇數個比特的差錯，因而在應用中受到限制。為擴大這種簡單的奇偶校驗的能力，在發送端發送的數據塊中每一組碼字（下面稱為字符）內都有奇偶校驗位。另外，在該數據塊的末端附加上數據塊校驗字符BCC，它給出前面全部字符的累加和奇偶校驗，如圖8-10所示。基本碼型單極碼：信號中只有正（或負）電平及零電平的碼型，稱為單極碼。雙極碼：同時含有正、負電平的碼型稱雙極碼，其中正負電平一般對稱，即絕對值相等。圖8-13中（a）和（c）為單極碼，其余均為雙極碼。電平碼：用兩個不同的電平表示二進制的“0”和“1”，稱電平碼，又稱絕對碼，如圖8-13中（a）（d）和（g）。差分碼：以碼元起始處

20、的電平跳變與否來表示“0”和“1”的碼型稱差分碼，又稱相對碼。差分碼又分傳號碼和空號碼。以起始處跳變表示“1”，不跳變表示“0”的碼型稱傳號碼；反之，稱空號碼。圖8-13中（e）和（f）分別為傳號碼和空號碼。歸零碼：是指它的有電脈沖寬度比碼元寬度窄，每個脈沖都回到零電平，即還沒有到一個碼元終止時刻就回到零值的碼型，通常為半寬碼。非歸零碼是全寬碼。圖中8-13的（c）和（d）為單極歸零碼和雙極歸零碼，（a）、（b）、（e）、（f）均為非歸零碼。雙相碼的一個碼元分前后兩半，前半個碼元與后半個碼元電平相反。圖8-13（g）的雙向電平碼稱曼徹斯特（Manchester）碼。圖8-13（h）為雙相差分碼

21、或稱差分曼徹斯特碼，它以碼元起始處的電平跳變與否來表示“0”和“1”。頻帶傳輸：是指在發送端，經過調制，把基帶信號變成頻帶信號傳輸，在接收端再由解調器將頻帶信號恢復成基帶信號的傳輸系統。基本的數字調制方式有3種：數字調幅、數字調頻、和數字調相。由于作為調制信號的數字信號只有兩個或有限個電平，這種調制可用開關電路實現，故3種調制方式又分別稱為幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）。調制解調器：就是實現頻帶傳輸用的調制器和解調器組合在一起的裝置。它總是成對地安裝在通信信道的兩端。所謂調制，就是將“0”、“1”數字信號調制成兩種不同頻率的信號；而調解正與其相反。多路復用：是一種將若干彼此無關的信號合并成一路復合信號并在一條公用信道上傳輸，到達接收端后再進行分離的方法。多路復用技術包含信號復合、傳輸和分離3個方面的內容。用于礦井監控系統的復用方式主要有頻分制、時分制和碼分制。第九章常用的計算機拓撲結構有總線型（a）、星型（b）和環型結構（c）。數據交換方式：1.線路交換；2.存儲交換；報文交換；分組交換；3