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煤层瓦斯压力测定新方法研究

郑伟，李晓
中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州（221008）
E-mail:[e-mail]
摘要：准确测定煤层瓦斯压力对矿井有效而合理地制定瓦斯防治措施、预测预报煤与瓦斯
突出的危险性，具有重要意义。设计并开发了一种新型煤层瓦斯压力测定方法,利用传感器
直接在煤层内测定瓦斯压力并通过LCD显示,提高了测试的精度和速度.
关键词：瓦斯压力；传感器；单片机；LCD显示
中图分类号：

1.前言
我国煤矿绝大多数是瓦斯矿井，瓦斯事故为煤矿生产中最严重的自然灾害之一。准确测
定煤层瓦斯压力对矿井有效而合理地制定瓦斯防治措施、预测预报煤与瓦斯突出的危险性，
具有重要意义。现行的煤层瓦斯压力测量，是在煤层钻孔后，从钻孔中引出导管，对导管与
孔壁的裂隙进行封固，之后接压力表进行测量。采用该方法进行测量，气室长度较长，决定
了气室内瓦斯压力恢复时间长；并且需要大量使用金属导管，成本很高；若更换压力压力表，
则可能漏气，从而影响测量准确度。
本文设计并研发了一种新的煤层瓦斯压力测定方法：钻孔后将传感器送入煤层内部，利
用导线将信号引出后再进行处理并显示。如此，便可根据需要自行调节封孔泥浆体积，从而
控制封孔长度和气室长度。不仅可以大幅缩短煤层内瓦斯压力恢复时间；而且降低了封孔的
技术要求，节约成本；无需换表操作。
2.压力传感器
2.1测压原理
测量气压时,经常使用金属应变片式传感器，但是应变片式传感器有许多缺点：如信号
微弱，需经过多级放大处理，对信号处理电路的要求较高，工作频率不能太高等。这些缺点
决定了普通的金属应变式传感器不能用于矿井下、煤层内这样的特殊工作环境。而由半导体
材料制成的扩散硅压阻式传感器以其合理的成本和完善的功能成为了煤层瓦斯测压的理想
选择。
半导体硅材料在受到外力作用时，会产生肉眼察觉不到的极微小应变，其原子结构内部
的电子能级状态将发生变化，从而导致其电阻率剧烈的变化，由这种材料制成的电阻也随之
出现极大变化，这种物理效应称为压阻效应[1]。扩散硅压阻式传感器就是根据半导体材料的
压阻效应，在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的。
扩散硅压力传感器通常是在硅膜片上用离子注入和激光修正的方法形成4个阻值相等
的扩散电阻，组成一个惠斯顿电桥。在压力作用下，弹性元件结构会发生微小变形，导致表
面应变发生形变，使得四个应变片的电阻发生相应变化，并由电桥不平衡输出对应的电压信
号。

2.2性能及工艺特点

扩散硅压力传感器的典型制作流程可分为4步：在N型基片上氧化出一层SiO2膜；在

SiO2膜上腐蚀出注入区域；注入硼离子，形成P型扩散电阻；镀引线，将扩散电阻接成惠

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斯顿电桥。图1给出了剖面示意图：

氧化膜注入区

基片

ab

扩散电阻R1R2

UI
R3R4

UO

cd
图1制作流程
Fig1.FlowChart

相对于早期直接在基片上进行扩散不同，在此处利用SiO2进行隔离，杂质在SiO2中的
扩散系数很小，于是进入基片的杂质浓度显著减小（比基片本身的杂质浓度低两个数量级），
从而提高了PN结的质量。
3.信号处理与传送
3.1信号的标准化
传感器产生的输出信号是微弱的，通常工业用变送器的输出为4-20mA或1-5V。考虑
到在井下测量时，导线的长度一般都在20米以上，电压信号在长距离传输时会有所率减，
且容易受噪声影响，所以在此要将信号变送为4-20mA的电流信号。
电流变送至少要包括差动放大和电流放大两个主要步骤，用运放等基本集成电路即可搭
建，但后期的补偿会比较烦琐，且可靠性不高。所以我们采用两线制专用集成变送电路
XTR101来完成电流的标准化。示意电路如图2所示。

D1

+
RaRb
IREF1+V
IREF2
IN-R1
ZA
RcRd
R2C1
ZA
SPAN
SPANZA
R3
RL
IN+OUT
-
R4XTR101

图2电流变送电路
Fig2.ChartofCurrentTransmit

由于XTR101的失调电压很小（典型值为30µV），所以一般不需要调零，如确有必要，

则外接一个电阻和一个电位器，如图中的R1和R2。满量程输出电流（20mA）通过R3来调

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节,具体计算公式为：

40Ui
R3=
Iomax−0.004−0.016Ui

式中：Ui---XTR101上IN+和IN-两脚间的输入电压，即传感器的输出电压。

Iomax---XTR101的满量程输出电流（20mA）。
图中D1和C1分别起到极性保护和去